引言
可編程控制器是以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動化技術(shù)和通訊技術(shù)的一種新型工業(yè)控制裝置。其可靠性極高、耐惡劣環(huán)境能力強、使用極為方便等特點，與機器人技術(shù)、cad/cam并列稱為工業(yè)生產(chǎn)自動化的三大支柱。它是上世紀60年代發(fā)展起來的被國外稱為“先進國家三大支柱”之首的工業(yè)自動化理想控制裝置，是近年來發(fā)展極為迅速，運用面極廣的工業(yè)控制裝置，現(xiàn)已廣泛運用于自動化的各個領(lǐng)域。
1 可編程序邏輯控制器（plc）
plc 英文名programming logic controller即可編程序邏輯控制器，是最早于汽車制造行業(yè)應(yīng)用并發(fā)展起來的一項技術(shù)，用于代替繼電器完成機器和設(shè)備的自動控制，它的最大的特點是可編程，即根據(jù)控制邏輯和控制要求的變化可重新編制程序，而不用象繼電器線路一樣需要重新更換原器件和重新接線。今天plc已集成了許多高級計算功能、通信功能、完成特殊控制功能的功能模塊如位置控制、速度控制、過程控制等，并具有了與計算機系統(tǒng)的集成和連網(wǎng)的能力，plc自發(fā)明以來在工業(yè)自動化、交通控制、電力運輸、樓宇自動化等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
2 plc發(fā)展歷史
自1969年世界上第一臺可編程控制器在美國dec公司誕生以來，plc走過了30余年的發(fā)展歷程。回顧其發(fā)展歷程，可將plc技術(shù)分為3個階段：
（1） 傳統(tǒng)plc階段。它是plc的最初階段，也是現(xiàn)代plc的基礎(chǔ)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，工作原理 如圖2所示。
如圖2所表示的一樣，plc的工作原理是：首先讀取輸入接點的狀態(tài)→然后執(zhí)行程序→然后根據(jù)程序的執(zhí)行結(jié)果刷新輸出接點的狀態(tài)→然后再讀取輸入接點的狀態(tài)→讀取輸入接點的狀態(tài)，如此循環(huán)執(zhí)行。
由plc的工作原理可以看出：從輸入端的信號狀態(tài)發(fā)生變化到輸出端的信號變化，中間需要執(zhí)行程序（用戶程序、系統(tǒng)程序），程序的執(zhí)行需要時間，而且這個時間是不可預(yù)測的，在某些應(yīng)用場合這是不允許的，如位置控制、速度控制、需要高速響應(yīng)的控制，這就使得plc在這些場合不能使用或需配置昂貴的專用模塊。從圖1可知，plc系統(tǒng)的核心是微處理器（cpu），為防止系統(tǒng)程序跑飛，產(chǎn)生誤動作，必須采取一系列硬件和軟件的措施去克服這一問題，同時由于plc使用的是梯形圖語言，系統(tǒng)本身必須帶有功能強大的編譯器，這樣就使得plc構(gòu)成的系統(tǒng)具有較高的價格。而且程序跑飛、編制的程序出現(xiàn)死循環(huán)等依然是存在的隱患問題。
?。?） open plc階段。open plc又稱pc base plc、soft plc，是最近幾年提出的一種概念，它是基于開放式pc平臺和開放式開發(fā)軟件的plc，它能方便的與其他軟件集成及網(wǎng)絡(luò)集成。其組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。
open plc只是在它的開發(fā)環(huán)境方面提出了一個新的概念，即開放性、標(biāo)準(zhǔn)化，它的運行原理方面與傳統(tǒng)plc相比具有實時多任務(wù)運行機制，但仍然是基于程序執(zhí)行這樣的基礎(chǔ)。因此它并沒有從根本上解決傳統(tǒng)plc存在的問題，在其實現(xiàn)的系統(tǒng)中依然存在。
?。?） 現(xiàn)場集成階段。也就是hard plc階段，它是一個全新的代名詞，也是一個plc的最新發(fā)展動向。它采用現(xiàn)代可編程邏輯器件cpld/fpga（complex programmable logic devices & field programming gate array）作為硬件平臺，采用eda（electronics design automation）開發(fā)工具配與硬件描述語言hdl（hardware description language）做為開發(fā)軟件平臺，象傳統(tǒng)plc一樣它同樣是可編程的。其組成結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
hard plc則拋棄了傳統(tǒng)plc“程序”的概念，以“硬件線路”來實現(xiàn)控制功能，而編程改變的也只是其芯片內(nèi)部的硬件連接，而不需運行軟件程序，因此自然沒有程序跑飛、開機復(fù)位及自帶語言編譯器等問題，其完成的功能與傳統(tǒng)plc相同，而系統(tǒng)的造價僅是傳統(tǒng)plc系統(tǒng)的十分之一，甚至更少。在硬件線路運行時所有的信號是并行運行的，而且信號的路徑是可知的，信號傳輸?shù)臅r間是可預(yù)測的，所以可用于精確控制的需要，如位置控制、速度控制、信號處理、圖像處理、高速機械等。它從根本上解決了傳統(tǒng)plc存在的不足，代表了傳統(tǒng)plc的最終發(fā)展方向。
3 plc的發(fā)展趨勢
隨著微處理器技術(shù)、超大規(guī)模集成電路技術(shù)和數(shù)字通訊技術(shù)的進步和發(fā)展，可編程序控制器也得到了迅速發(fā)展，其功能已遠遠超出了其定義所指的范圍，其概念也日趨模糊，現(xiàn)代可編程控制器的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面：
?。?） 用高性能器件，盡量縮小與工業(yè)控制計算機之間的差距。例如，德國festo公司的ipc（industrial pc）由一系列符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的模塊組成，它與微機兼容且具有plc的功能。
?。?） 豐富i/o模塊，使plc在實時性、精度、分辨率、人機對話等性能方面進一步得到改善和提高。
?。?）進一步強化網(wǎng)絡(luò)功能，以實現(xiàn)信息管理自動化。例如ipc型控制器具備多種現(xiàn)場總線接口。如festo總線、profibus、as-i、can等，以及各種網(wǎng)絡(luò)連接模塊，如novell等，從而使plc與plc、plc與pc、plc與現(xiàn)場設(shè)備之間建立通訊聯(lián)網(wǎng)。
?。?）多種編程語言并存，互補不足。ipc型控制器除了采用梯形圖、指令表編程以外，還可以用iec1131規(guī)定的用于順序控制的標(biāo)準(zhǔn)化語言以及c、basic等計算機語言進行編程。
（5） 硬件結(jié)構(gòu)集成化、冗余化。隨著專用集成電路（asic，application specific integratedcircuits）和表面安裝技術(shù)（smt，surface-mout technology）在plc硬件設(shè)計上的運用，使得plc產(chǎn)品硬件元件數(shù)量更少，集成度更高，體積更小，其可靠性更高。同時，為了進一步提高系統(tǒng)的可靠性，plc產(chǎn)品還采用了硬件冗余和容錯技術(shù)。用戶可以選擇cpu單元、通信單元、電源單元或i/o單元甚至整個系統(tǒng)的冗余配置，使得整個plc系統(tǒng)的可靠性得以進一步加強。
5 可編程控制器現(xiàn)場集成技術(shù)研究的意義
現(xiàn)行的可編程控制器均是由專門的生產(chǎn)廠商設(shè)計生產(chǎn)的，用戶選用他們提供的專用控制器時，可能只用到它的部分功能，會造成一定的資源浪費，而且專用控制器價格高，不經(jīng)濟。而使用現(xiàn)代可編程邏輯器件來實現(xiàn)具有如下優(yōu)點：
?。?） 用戶可以根據(jù)需要設(shè)計控制器的功能，不會造成太大的資源浪費;而且不用帶自身專用的編譯器，從而大大降低了系統(tǒng)的價格。
?。?）用戶邏輯和接口部分可以做在同一個器件內(nèi)，因而讓接口和用戶邏輯更緊密地結(jié)合;用fpga/cpld芯片組成的系統(tǒng)，很自然地避開cpu的程序跑飛、死循環(huán)、復(fù)位不可靠等缺點，無需采用過多措施就能使系統(tǒng)具有很高的可靠性。
?。?）fpga作為控制器的核心，其靈活的現(xiàn)場可更改性、可再配置能力，對系統(tǒng)的各種改進非常方便，在不更改硬件電路的基礎(chǔ)上可以進一步提高系統(tǒng)的性能，也就是完成硬件的在系統(tǒng)升級;在線編程是fpga/cpld突出的特點，它無需改變芯片外部i/o口的連接線，可直接在用戶自己設(shè)計的目標(biāo)系統(tǒng)中或線路板上對fpga/cpld器件編程，這就打破了使用一般數(shù)字器件和plc先設(shè)計后裝配的慣例，而可以先裝配后編程，用在實際系統(tǒng)后還可以反復(fù)編程，從而開創(chuàng)了數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的新一頁。此外，還可以通過紅外線編程、超聲波編程或通過電話線、internet進行在線編程。這些功能在遠控或軍事領(lǐng)域上有特殊的用途。
?。?）fpga的性能價格比很高，用它實現(xiàn)的控制器的價格，幾乎只是和它具有相同輸入/輸出端子市售可編程控制器價格的十分之一;而且其邏輯實現(xiàn)是并行工作的，其速度遠遠大于plc，這在實時系統(tǒng)中是非常有優(yōu)勢的。
?。?）它拋棄了傳統(tǒng)plc“程序”的概念，以“硬件線路”來實現(xiàn)控制功能，在硬件線路運行時所有的信號是并行運行的，而且信號的路徑是可知的，信號傳輸?shù)臅r間是可預(yù)測的，所以可用于精確控制的需要，如位置控制、速度控制、信號處理、圖象處理、高速機械等。
從以上優(yōu)點我們可以看出，基于fpga/cpld的hard plc能更經(jīng)濟、更穩(wěn)定、更方便地適應(yīng)用戶的需求，而且其實時性、靈活性遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的可編程控制器（plc）。因此，可編程控制器的現(xiàn)場集成技術(shù)應(yīng)用非常廣闊，具有很強的工程實用價值。
（轉(zhuǎn)載）
