1导言

可编程控制器是以微处理器为基础，集计算机、通信、网络和自动控制技术于一体的新一代工业控制设备。可编程控制器在中国已经发展和应用了30多年。现已广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业设备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。随着全球一体化经济的发展，发展可编程控制器在中国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程控制器技术，应该是广大技术人员的方向。

2可编程控制器的发展历程

可编程控制器出现于20世纪60年代，当时可编程控制器的功能非常简单，只有逻辑、定时、计数等功能。在硬件方面，可编程控制器中使用的集成电路尚未投入大规模工业生产，cpu由分立元件组成；该存储器是存储容量有限的磁芯存储器；一般只有二三十条用户指令，没有形成的编程语言；该模型是单一的，不形成一个系列。可编程控制器最多只能代替200~300个继电器组成的控制系统。与目前的可编程控制器相比，它在体积上可以说是一个巨大的东西。

20世纪70年代，随着中小型集成电路的工业化生产，可编程控制器技术得到了极大的发展。除逻辑运算外，可编程控制器的功能还增加了数字运算、计算机接口、模拟控制等；软件开发有自诊断程序，EPROM用于程序存储。可靠性进一步提高，初步形成系列。结构开始分为模块化和整体化，整机功能由特殊向通用过渡。

20世纪70年代末和80年代初，微处理器技术日益成熟，单芯片微处理器和半导体存储器进入工业生产，大规模集成电路开始广泛应用。可编程逻辑控制器开始发展为多处理器，极大地提高了可编程逻辑控制器的功能和处理速度，并提供了通信和远程i/o能力，增加了各种特殊功能，如浮点运算、三角函数、查找表、列表等。自诊断和容错技术也发展迅速。

从20世纪80年代末到90年代中期，随着计算机和网络技术的普及和应用，以及超大规模集成电路、门阵列和专用集成电路的快速发展，可编程控制器的中央处理器已经发展成为16位或32位的微处理器，处理速度也有了很大的提高。在可编程控制器中引入了高速计数、中断、pid和运动控制等功能。可编程控制器可以满足工业生产过程的所有领域。可编程控制器完全取代了以小型机为核心的传统逻辑控制装置、模拟仪表控制装置和ddc(直接数字控制)控制装置。随着网络能力的增强，它可以与上位机联网，也可以通过flex i/o或远程i/o下载，因此形成分布式控制系统(dcs)不再困难。梯形图语言和语句表语言已经完全成熟并基本标准化，sfc(顺序功能图)语言正在逐步普及，专用程序员已经被个人电脑和相应的编程软件所取代，人机接口设备也越来越完善，可以对整个工厂进行监控和管理，冗余技术已经发展起来，大大提高了可靠性。

21世纪，可编程控制器保持了强劲的发展势头，拓展了其应用领域，如为用户配置柔性制造系统(fms)和计算机集成制造系统(cims)。目前，可编程控制器主要向两个方向发展:一是集成控制系统，它突破了可编程控制器的原有概念，将工厂生产过程控制与信息管理系统紧密结合，甚至为mes和erp系统奠定了技术基础。这种发展趋势将使苦苦挣扎的erp系统有一个坚实的技术基础，这将带来一场工业控制的革命，实现真正的电子信息工厂；二是微可编程控制器如雨后春笋般涌现，其体积如手掌大小，其功能可覆盖单个设备和整个车间的控制功能，并具有联网功能。这种小型化的可编程控制器使控制系统能够将其触角延伸到工厂的每个角落。随着世界经济一体化进程的加快，发达国家更加重视可编程控制器的知识产权保护。大型国际可编程控制器制造商已经加入了国际可编程控制器标准化组织，他们通过使用许多技术标准建立了符合其经济利益的技术保护壁垒。

可编程控制器在中国的发展

可编程控制器在中国的发展与世界不同。在世界范围内，可编程控制器的发展是从研究、开发、生产到应用，而在中国，则是从成套设备的引进、可编程控制器的引进和应用、消化和移植、合资生产到广泛应用。它可以大致分为以下三个阶段:

(1)可编程逻辑控制器的初级识别阶段(70年代末至80年代初)

可编程控制器在世界范围内的发展首先引起了国内工程技术界的极大兴趣，因此我们对可编程控制器的理解始于20世纪70年代末至80年代初成套设备的引进。当时，上海宝钢一期工程的许多项目引进了十几个型号的200多台可编程控制器。这些可编程控制器用于从原料码头到高炉、轧钢、钢管的整个钢铁冶炼加工生产线，取代了传统的继电器逻辑系统，部分取代了模拟控制和小型ddc系统。宝钢一期工程后，国内许多厂家进口的设备和生产线大部分都配备了可编程控制器，其应用领域包括电站、石油化工、汽车制造、港口码头等。正是在引进成套设备的过程中，我们睁开了眼睛，了解了可编程控制器，这也促进了可编程控制器在中国的发展。

(2)可编程序控制器的引进、应用、消化和移植阶段(80年代初至90年代初)

自20世纪80年代初以来，随着中国改革开放的深入，随着成套设备的引进，国外原有的可编程控制器开始涌入国内市场。许多部门和单位先后引进了可编程控制器并设计了自己的控制系统，其应用也扩展到建材、轻工、煤炭、水处理、食品、制药、造纸、橡胶和精细化工等工业领域。

随着应用能力的提高和市场需求的扩大，一些部门和单位一方面进行二次开发和应用研究，另一方面引进可编程控制器生产线，建立生产可编程控制器的合资企业，积极开发自己的产品。

与此同时，中国开始开发可编程控制器产品。当时，上海、北京、Xi、广州和长春的20多个科研机构、大学和工厂正在开发和生产可编程控制器。然而，由于缺乏资金、后续研究力量和相对落后的生产技术，他们只能停留在实验室阶段，未能投入实际应用和形成工业化生产。

(3)可编程逻辑控制器的广泛发展阶段(从20世纪90年代初至今)

20世纪90年代，中国可编程控制器进入了广泛的发展阶段，主要表现在以下几个方面:

A.政府对此非常重视

可编程控制器的发展受到政府的高度重视。在当时机械电子工业部的领导下，1991年成立了可编程控制器行业协会。可编程控制器行业协会在政府和企业之间起着桥梁作用，沟通情况并为决策提供依据。同时，可编程控制器的标准化也受到了相关部门的重视。1993年，可编程控制器标准化技术委员会成立，为可编程控制器在中国的进一步发展奠定了基础。

B.更广泛的应用

现阶段，可编程控制器的应用已经渗透到国民经济的各个部门和工业过程的各个角落，成为企业提高设备技术水平的重要标志。宝钢二期和三期工程使用了30多家国外厂商的600多套可编程控制器，广西玉柴机械有限公司柴油机生产线使用了罗克韦尔自动化公司的近200套可编程控制器，如此大规模使用可编程控制器是很常见的。现阶段，我国的工程技术人员已经充分展示了设计应用、软件生产和成套设备的能力。

C.研究、开发和生产方面的成就

随着中国改革开放的深入，外国制造商对中国市场持乐观态度，在中国设立了办事处，甚至在中国设立了亚太总部。国内企业纷纷引进国外技术，促进了一批技术引进企业和合资企业的建立，推动了中国可编程控制器行业的技术发展。幸运的是，自20世纪90年代初以来，由于可编程控制器应用的不断深入，我国掀起了可编程控制器自主研发的高潮，其功能、质量和可靠性都有了显著提高。如NTU奥托科技(北京)有限公司自主设计开发的na系列可编程控制器(简称na-plc)，包括na200、na400和na600系列产品，与中小型和大型自动控制系统相对应，适用于各个方向的不同工业控制领域，具有商用可靠性、高稳定性、高安全性、先进性、独特性和方便性等特点。在国外产品强势的情况下，这些产品有能力与国外同类产品竞争，这充分表明国内可编程控制器的发展已经进入了一个新的阶段。

新一代可编程控制器的技术现状

为了适应日益激烈的市场竞争，新一代可编程控制器在技术创新方面取得了长足的进步，主要体现在以下几个方面:

(1)多任务功能的出现

所谓多任务执行是指在可编程控制器系统中，可以同时安装多个cpu模板，每个cpu模板执行自己的任务，并控制与其执行任务相关的i/o模板。

(2)加强网络能力

随着网络能力的增强，可编程控制器已经突破了原有的应用范围，特别是引入现场总线、工业以太网、无线网络和互联网技术后，可编程控制器的应用已经不是以前的样子了。可编程控制器的典型网络拓扑由三层组成:设备控制层、过程控制层和信息管理层。在设备控制层，引入了现场总线，使得工业生产过程中的现场检测仪表、变频器、mcc控制柜等所有现场设备都可以直接与可编程控制器连接；在过程控制层，传统意义上的人机界面功能呈现出新的面貌，使可编程控制器实现跨区域编程、监控、诊断和管理，实现对整个车间和整个工厂的控制；在信息管理层，向工业以太网的扩展集成了控制和信息管理。

(3)高速处理功能

随着网络能力的增强，可编程控制器的控制功能和控制范围不断扩大，这就要求可编程控制器实现高速运行和实时通信。高速包括高速操作速度、与外部设备的高速数据交换、编程设备的高速服务处理以及外部设备的高速响应。为了实现高速，一些可编程控制器在其内核中设计了通信功能。借助无源数据总线，消除了系统的瓶颈。这种结构允许在一个机架中无限制地使用多个处理器和网络，从而为高性能分布式实时控制系统提供了一种解决方案。

(4)大力开发集成软件

目前，可编程控制器制造商开发系统硬件的成本比重逐年下降，而开发软件和集成的成本比重逐年上升。现在，整套软件集可编程控制器编程、操作界面、运动控制、程序调试、故障诊断与处理、通信等功能于一体。人机界面和监控软件集成了所有开放的标准接口，可以直接从生产中获取大量的实时数据，对这些数据进行分析和打包，然后传输到管理层。同时，它可以快速地将过程优化数据和生产细节参数反馈到控制层和现场，从而为erp系统的集成铺平了道路。

(5)微可编程控制器如雨后春笋般涌现

传统的微可编程控制器一般为8~64路数字i/o和1~4路模拟i/o，体积小，可直接安装在机器上。然而，除了上述功能之外，目前的微可编程控制器在网络功能和人机界面功能上可以与大中型可编程控制器相比，这种微可编程控制器是目前发展最快的。

(6)信息技术渗透到可编程逻辑控制器中

信息技术渗透到可编程控制器中的目的是适应工厂控制系统与企业信息管理系统相结合的发展趋势，满足不同品牌的可编程控制器之间以及可编程控制器与分布式控制系统之间在控制层面上进行有效数据交换的要求。事实上，多任务系统的实现、网络能力的提高和软件集成的发展使得信息技术与可编程控制器系统的集成变得容易。

(7)加强安全技术

随着可编程控制器应用领域的扩大，对可编程控制器系统的可靠性要求越来越高，加强可编程控制器的安全技术已经成为一个新的发展方向。具有容错和冗余性能的容错可编程控制器已经出现，它具有双通道信号模板和在线插拔电源模板。内置冗余cpu系统的过程控制器也出现了。该过程控制器使用内部测试电路来检查和诊断i/o模板的运行状态，而不是使用冗余i/o模板。

我国可编程控制器发展中的5个问题及对策

目前，我国可编程控制器的发展主要面临三大问题。首先，在技术层面上，随着可编程控制器在世界范围内的快速发展，中国还没有具有自主知识产权的可编程控制器产品能够参与国际竞争。主要原因是我国整个基础产业，如芯片制造和模具加工还存在一定的差距，限制了我国的发展。第二，在竞争层面上，它实际上是一个经济竞争的问题。目前，国内市场95%被国外可编程控制器产品占据，几乎所有的大中型可编程控制器都被几家国外公司垄断。随着中国可编程控制器应用领域的不断扩大，市场越来越大。然而，几乎每年都会有几家外国公司向市场推出新产品。人们一旦使用新产品，就会逐渐提高产品的市场价格。没有我们自己的自主知识产权，产品只能在经济竞争中生存。第三，在市场秩序层面，随着中国改革开放的深入，特别是中国加入wto后，中国巨大的市场份额极大地吸引了外国大公司。他们开拓市场的方法是大规模建立销售渠道。每个公司会有几十个甚至几百个分销商和系统集成商，这在中国的分销商和系统集成商之间造成了激烈的竞争。这些无序的竞争为国际大公司分而治之，获取稳定的高额利润创造了条件

面对这些问题，我们采取了以下对策:

(1)面对如此巨大的市场，NTU奥托高举国内plc的旗帜，集中资金和技术力量，打造自己的民族品牌。借鉴国际主流plc的成功经验，改进其不足之处，针对tuxedo PLC的最新发展方向，开发生产了具有自主知识产权的na系列可编程控制器。事实上，随着中国整个民族工业的不断发展，特别是近年来芯片行业的快速发展，我公司的产品也在不断的改革和创新，我们将能够推出具有国际竞争力的可编程控制器。

(2)继续发挥可编程控制器应用技术在中国的优势，拓展可编程控制器的应用领域。特别是中国加入世贸组织后，中国成为“世界制造工厂”的进程正在加快。在努力将可编程控制器应用于国民经济各个领域的同时，我们必须依靠技术和劳动力优势，进入外商投资企业可编程控制器的应用领域，逐步进入可编程控制器的国际应用市场，使中国的应用技术优势形成真正的增值服务，从而带动中国相关成套设备和软件产业的发展。