大佬带你认识可编程控制器，可编程控制器发展趋势介绍(中篇)

可编程控制器也即PLC，上文中，小编对可编程控制器的发展趋势做了部分介绍。本文为可编程控制器发展趋势中篇，主要在于介绍开放式可编程控制器的概念以及如何使可编程控制器更为开放。如果你对可编程控制器具有兴趣，不妨继续往下阅读哦。此外，剩余内容请参阅下篇。

一、开放式PLC的概念

1.应用中产生的开放性需求

长期以来，制造与生产企业所采用控制系统大多是专用的、封闭的体系结构，其构成系统的硬件是按照各自的标准量身定制的。无论是DCS，PLC还是FCS，虽然它们具有结构简单、技术成熟、产品批量大等优点，但相对日新月异的生产要求，也越来越暴露出其固有的缺点。在许多情况下，当用户要想进行功能上的扩展或变化时，都必须求助于系统的提供商，如想把特殊要求融入到控制系统中去时，由于它们的封闭特性那是不可能的。再者，由于采用了专用的控制系统，如制造厂家想转化一种控制系统也将变得极为困难。诸如此类，无形中不仅提高了制造企业的成本，也成为控制系统升级换代的"瓶颈"。

市场全球化的后果是竞争空前剧烈，从而要求制造商具有较强的市场适应能力，因而市场对适合中小批量加工，具有良好柔性和多功能性的制造系统的需求已逐步超过对大型单一功能的制造系统的需求。这一趋势促成了一个新概念的产生，即模块化、可重构、可扩充的软硬件系统，这就是开放式控制系统。这一系统不仅能够快速、经济地适应新的加工需求，而且为制造厂提供了将其技术与任何第三方的技术或产品进行集成的可能性。

开放式控制系统的概念在80年代就已出现。早在1981年，美国国防部为了减少军备制造对日本控制系统的依赖性，开始了名为“下一代控制器(NGC)”的计划，并成立了“美国国家制造科学中心(NCMS)”，其主要目的是拟订并推进关于新一代开放式控制系统的详细分析与规范。作为NGC的后续工作，美国国防部启动了OASYS项目，其目的是建立并安装8套控制器，并在6种不同场所对其进行测试。其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动，其中影响较大的有美国的OMAC、欧洲的OSACA和日本的OSEC等计划。但因为这些计划的发起者是用户而不是制造商，因此，进程比较缓慢。

2.国际大型PLC制造商的开放路线

2003年，全球自动化行业的控制系统市场大约为每年100亿美元左右，其中99%被传统的不开放系统所占据。据国际权威机构美国自动化市场研究公司ARC(AUTOMATIONRESEARCHCORP)调查预计，在亚洲，基于PC的控制系统、以太网的I/O模块等开放式系统的销售额预计近两年的增幅达到145%，可见在控制系统市场中，开放系统的增长率远远高于传统的控制系统。

资金永远是向高利润的方向流动的，那么，国际的大型PLC制造商当然不会对这么大的市场坐视不理。但是，分析这些PLC的制造商面对开放性的大趋势所采取的策略，却是微妙而饶有趣味的。

首先，国际大型控制系统虽然绝对有能力推出自己的开放式控制系统，但是却都迟迟按兵不动。什么原因呢?

几乎所有的制造商都已认识到了开放系统必将是自动化系统的未来。无论是SIEMENS，GE，还是ROCKWELL，还是SCHNEIDR，在他们的新产品样本中，都可以看到“开放性”的字样。但是，他们的开放性通常都是在原有的系统上层加上一些接口实现局部的互连和通信，并非真正意义上的开放。不要说控制器的底层，就是在操作站这一层，他们在实现与外界通信方面还存在着重重困难。这种状况的产生并不是由于他们无法开发出全开放的系统，而是出于其产品战略考虑，不愿也不能这样做。以西门子为例，目前，主推的是西门子用了15年时间才开发出来的S7系统，2002年的工业控制产品的销售额约为140亿马克，如果西门子要推广新的开放式系统，必然要争夺现有的S7系统的市场，而新的系统能否为现有的西门子的用户所接受，还是一个未知数，况且目前其它开放式系统的市场总额才几亿美元，尽管这个市场的增长率较高，但西门子绝对不可能为了总共几千万美元且风险极大、竞争能力不强的少量市场而放弃已经现成的数十倍的市场。西门子是这样，GE、AB都是这样。

那么，这些公司对于开放式系统市场是否只能坐视不理、无能为力呢?也不是。目前，各个公司均在考虑用现有的产品组合出形式上的“开放式”系统。如西门子的PCS7和TIA概念，实际上就是用工控机下挂S7的PLC而组成的概念性的系统，宣传口号是“不仅仅是基于PC的PC控制”，典型地表示了其一方面不想在开放式系统领域落后于他人，同时又不想失去老用户的复杂情结。GE-FANUC在2000年底推出了HCS，实际上就是用原来的产品FANUC90-30和90-70加上工控机和软件而组成的概念性的产品，才用了“为用户量身定做(TAILORED)”的概念，口号是“把DCS和PLC的优点结合起来”;也具有同样的心理。类似的还有ROCKWELL-AB的CONTROL-LOGIX，都是将原有的专用系统加上“开放”的标签，半推半就地走上开放式系统市场竞争的舞台。这些控制系统巨头的目的都是相同的，那就是既不错过开放式系统这班航船，又可以将原有的系统尽量多地销售出去。

以上分析可以得出结论，在开放式系统的市场竞争的初级阶段，国外各大控制系统制造商会迎合发展趋势推出自己的开放式系统，但是均会以其目前的产品为基础，在软件平台、通讯方面做些装饰性的工作，而不会真正推出全方位的真正的开放式系统。因为这样做，对他们现有系统的市场所带来的损失是他们不愿承受的。

3.目前开放式系统开发存在的问题

目前国际上已有的开放性控制系统从严格的角度来看，它们还不具备开放性控制系统的本质特征，仍有许多需要改进之处。

首先，开放式控制系统的概念不清晰，没有解决开放控制系统的平台问题。各系统所采用的体系结构和通信协议并不一致，仍是自成体系，相互之间缺乏兼容性和互换性，而且对体系结构的阐述都只限于具体实现层，没有提高到理论的、抽象的层次上来，因而各系统软硬件不具备可移植性和互操作性。

其次，没有充分利用像Windows、UNIX、OS/2等新型操作系统。软件开发思想与技术落后，始终处于甚至低于结构化程序设计的水平。没有充分利用面向对象、软件重用等软件工程中的新理论、新技术，而这些正是实现开放性控制系统的关键所在。

此外，产品的升级、更新、修改和维修仍然依赖于生产厂家，没有提供相应的开发工具和环境，用户无法把自己的或任何第三方的思想或产品融入到系统中去。

问题是，目前各大控制系统制造商并非不了解这些问题现状，而是不愿意进行实质的改进来真正满足用户的要求，用户要求开放式系统的目的是为了实现企业内部的信息流动的无缝化和软件、硬件的标准化和通用化，目前各厂家所采取的措施充其量是帮助用户向前迈了一小步，而且用户必须为此付出高昂的费用，如西门子的S7400仅通信模件所花的费用就占整个系统的1/3以上，开放式系统应有的性能价格比的提高用户无法享受到。这种表面的开放性并不能代表真正的开放性，不少专家已毫不客气地指出了这一点，许多明眼的用户也认识到了这个问题。

目前，全力致力于真正开放式系统开发的反而是一些新兴的相对较小的公司，如美国的OPTO22，SOFTPLC，CONTROLSOFT以及英国的TRANSMITTON等等。这些公司没有过去的包袱，所开发的产品的市场目标也不存在抢自己饭碗的问题，所以他们可以没有后顾之忧地宣传。由于他们的产品是充分考虑了开放性的，今后将成为开放性控制系统的新的生力军。但目前，这些公司普遍没有信心对目前的市场领导者所占据的传统控制系统市场进行全面进攻，一般还是在钻一些大公司不愿或忽视做的空白市场，在国际上没有对现有的市场领导者构成威胁，因此，大公司对这些公司也没有采取什么对策。

值得认真分析的是，经过两年到三年的时间，开放式系统在目前被市场领导者垄断的市场中打开了一个缺口后，如占到了10%或20%左右的份额时，那些目前的市场领导者一定会加以重视，因为即使他们自己不去取代老产品，可能别的新兴公司也要取而代之了。这时，他们一定会全力反扑，纷纷推出自己的新一代开放式产品。这些大公司的转向，可以加速用户对开放性系统的接受进程，更快地推进开放式系统的市场步伐。这时，大公司和小公司在开放性控制系统方面将站在同一个起跑线上，相对公平地从价格、服务、系统集成经验等各方面来进行竞争，控制系统长期被数家巨头所垄断的局面可望在开放式系统普及后被打破。

二、PLC如何能够更加开放

1.PLC在竞争中的兴起

从控制系统的角度看，各类控制系统的相互融合的情况已经出现了。但认真分析就会发现，PLC在这些控制系统中是比较独特的一类。在现代各类控制系统中，PLC是诞生最早的工业控制器，每个新的控制器出来都扬言要取代PLC，从DCS，到工控机，到现场总线，到嵌入式控制系统。这种情况的产生，一方面是由于早期的PLC的不开放造成的，但另一方面，也是由于PLC在工业控制领域所占的比重份额太大引起的。但技术和应用发展的结果是，随着新的技术越来越多，PLC不仅没有逐渐被任何一种新的系统取代，反而在逐渐蚕食其它控制系统的市场。

比如，在流程工业，过去DCS占了绝对的统治地位，但现在，在中小型的工业装置方面，已经有相当大的控制系统被PLC系统所取代。即便在大型系统中，现在各类DCS也面临着高端PLC的威胁。这种现象的原因，一方面是由于PLC的技术不断发展，DCS过去所独有的一些复杂控制功能现在PLC基本上全部具备;第二是由于PLC的操作的简单性所决定的;第三，也是最重要的一点，就是，PLC的价格和成本是DCS系统所无法比拟的。

在低端设备，比如许多工业设备的控制器，过去是由单片机开发系统所控制的，现在也越来越多地被PLC所取代。从材料成本上来说，PLC的成本比单片机要高，但是，由于PLC所具有的编程的灵活性，使得用户在开发新机型的时候，不必为新机型开发一个新的单片机控制器，而只要简单地在一个PLC的软件上进行程序更改即可，这大大降低了用户的开发成本。因此，越来越多的机械逐步放弃了原来的专用控制器的方式，而改用PLC作为机械设备的主要控制器。

在原来大量采用工控机系统的场合，工控机也越来越多被PLC取代，而工控机则逐渐从实时控制退到只负责操作站的层面。而且，大家渐渐发现，这种工控机加PLC的结构，提供了最优良的控制性能、最方便的操作、最低的成本。因此，逐渐开始在越来越多的地方采用。可以说，工控机的诞生不仅没有削减PLC的份额，却因为工控机的运算功能、图形处理能力和数据存储能力弥补了PLC的不足，而PLC的可靠性则大大弥补了工控机的弱点，因此，工控机的诞生反而大大促进了PLC在更多场合的应用。

同样，在离散制造业，PLC作为一种设备控制和数据采集的方便器件，在企业实施ERP和CIMS系统时，为实时数据的采集、处理和传输提供了无与伦比的方便性。目前，无论是数控、机械还是传动、物流等行业，都把PLC作为控制系统和数据采集系统的首选。

因此，至少从现在来看，PLC在各类控制系统的竞争中逐渐占了上风。但是，随着竞争的白热化，PLC也面临着一个发展瓶颈，那就是各类系统的不开放，或者说假开放。

2.工业以太网——真正开放的现场控制网络

从根本上来说，开放式控制系统要具备：采用从操作系统到通讯协议都是通用的系统。目前，操作系统其实只有WINDOWS、UNIX等少数几种，而通讯总线问题，则没有什么疑义。在工控界争论不休的问题，在计算机界早就停息了。事实上，用户们早已作出了选择，那就是：以太网总线，它占了全球所有计算机通讯总线的96%!而其余所有的总线只占了不到4%。因此，工业界所有的总线向以太网的方向靠拢，是不以人们的意志为转移的。

众所周知，以太网最初是为办公自动化设计的，因此没有考虑到工业自动化应用的一些要求。特别是，它采用的CSMA/CD介质访问控制机制，具有通讯延时不确定的缺点，不能满足工业自动化控制的实时通信需求。因此，在20世纪90年代以前，很少有人将以太网应用于工业自动化领域。

近几年来，随着互联网技术的普及与推广，以太网也得到了飞速发展，特别是以太网通讯速率的提高、以太网交换技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机：首先，以太网的通信速率一再提高，从10Mbps，到100Mbps甚至到10Gbps，在相同通信量的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和碰撞的减少，也就意味着提高确定性;其次，以太网交换机为连接在其端口上的每个网络节点提供了独立的带宽，连接在同一个交换机上的不同的设备不存在资源的争夺，这就相当于每个设备独占一个网段;第三，全双工技术又为每个设备与交换机端口之间提供了发送与接收的专用通道，因此使不同的以太网设备之间的冲突大大降低(半双工交换式)或完全避免(全双工交换式)。因此，以太网成了确定的网络，从而为它应用于工业自动化控制消除了主要的障碍。

与其它现场总线或工业通信网络相比，以太网具有应用广泛、成本低廉、通信速率高、软硬件资源丰富、易于与INTERNET连接、可持续发展潜力大等优点，因此，不仅垄断了工厂综合自动化的信息管理层网络，而且在过程监控层网络也得到了广泛应用，并有直接向下延伸，应用于工业现场设备层网络的趋势。

从通讯网络的角度来看，采用扁平式和树型的网络结构是以太网的主要结构。在这种结构下，如果能够实现数据通信，其实，要求上下所有的硬件采用同样的操作系统是不经济的。比如，在上位机，用于显示和数据存储的功能是主要的功能。这时，采用WINDOWS的操作系统是没有什么问题。而在底层控制端，则只要采用类似RTOS或VXWORKS这样的操作系统会更好，不仅是价格便宜，而且还能够更可靠地执行实时控制任务。

目前，PLC之所以能够在越来越多的场合取得应用，同前面所提到的PLC的特点是分不开的。这些特点就是：可靠性，易操作性，和灵活性。这些特点是PLC必须要保留的。这些特点的形成，是由PLC的结构、内部软件和硬件的构成特点决定的，同时也是PLC之所以是PLC是不是其它控制系统的标志。而PLC的缺点，则是在处理大量数据包括图形等方面的运算能力不足的方面。实际上，在工业应用中，需要实时控制而同时又需要处理大量信息的场合虽然存在，但并不多见。因此，只要能解决PLC的通讯问题，可以让PLC来担负现场的实时控制任务，而将数据的处理、存储、显示等任务通过通讯网络，传到其它系统中，由计算机系统来完成，这是解决开放式控制系统的根本方式。也是开放式PLC的设计的思想基础。

开放式PLC将最常见也是今后控制系统最常用的通讯接口------以太网和串口内置进了PLC的CPU单元，使PLC在保持传统各种可靠功能的同时，可以低成本地具备通讯的功能。而且，专门开发了灵活而方便的通讯模块，用这些通讯模块，只要简单地输入各类协议，就可以将这些模块作为一种专用协议的控制模块来使用，而价格十分低廉。同时，更令人惊异的是，在OpenPLC内部，还具有JAVA功能，和WebServer功能，也就是说，即使不用上位机，OpenPLC可以将PLC的状态，包括故障报警信息和事件处理信息通过通讯模块自动传送到互联网上，用户可以通过电子邮件的方式来接收这些信息，也可以通过移动通信系统，利用手机的短信方式来接收这些信息，甚至可以通过GPRS、CDMA等先进的通讯方式来进行控制信息的跨越时空的通信。这些通讯，使用户可以最及时地了解到设备的运行状况，可以进行远程诊断和远程监控，对于生产过程控制、制造过程的信息化、生产过程和管理的优化等都有极大的帮助。

同时，在传统的控制功能方面，开放式PLC尽量保留了传统PLC的优点，如模块式结构，多种编程语言，严格的可靠性设计，甚至是与PLC完全相同的生产工业，这样，使得原来的PLC用户在使用开放式PLC的时候并不会产生任何不适应的感觉，除了上面所提到的一些新的功能外，其它的方面，如选型、编程、组态等，完全与传统的PLC一样。

可以预见的是，OpenPLC的出现，必将改变控制系统的格局，尤其是对于现有PLC的制造商来说，将在市场和应用方面产生巨大的冲击。

以上便是此次小编带来的“可编程控制器”相关内容，通过本文，希望大家对开放式可编程控制器的概念以及如何使可编程控制器更为开放的方法具备一定的了解。如果你喜欢本文，不妨持续关注我们网站哦，小编将于后期带来更多精彩内容。最后，十分感谢大家的阅读，have a nice day!