1 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(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)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(qiáng)、使用極為方便等特點(diǎn)，與機(jī)器人技術(shù)、CAD/CAM并列稱為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的三大支柱。它是上世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的被國(guó)外稱為“先進(jìn)國(guó)家三大支柱”之首的工業(yè)自動(dòng)化理想控制裝置，是近年來(lái)發(fā)展極為迅速，運(yùn)用面極廣的工業(yè)控制裝置，現(xiàn)已廣泛運(yùn)用于自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域。

2 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(lái)的一項(xiàng)技術(shù)，用于代替繼電器完成機(jī)器和設(shè)備的自動(dòng)控制，它的最大的特點(diǎn)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(jí)計(jì)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(guò)程控制等，并具有了與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的集成和連網(wǎng)的能力，PLC自發(fā)明以來(lái)在工業(yè)自動(dòng)化、交通控制、電力運(yùn)輸、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

3 PLC發(fā)展歷史
自1969年世界上第一臺(tái)可編程控制器在美國(guó)DEC公司誕生以來(lái)，PLC走過(guò)了30余年的發(fā)展歷程?；仡櫰浒l(fā)展歷程，可將PLC技術(shù)分為3個(gè)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(diǎn)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(diǎn)的狀態(tài)→然后再讀取輸入接點(diǎn)的狀態(tài)→讀取輸入接點(diǎn)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(hào)狀態(tài)發(fā)生變化到輸出端的信號(hào)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(shí)間，而且這個(gè)時(shí)間是不可預(yù)測(cè)的，在某些應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)作，必須采取一系列硬件和軟件的措施去克服這一問(wèn)題，同時(shí)由于PLC使用的是梯形圖語(yǔ)言，系統(tǒng)本身必須帶有功能強(qiáng)大的編譯器，這樣就使得PLC構(gòu)成的系統(tǒng)具有較高的價(jià)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(wèn)題。
(2) 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(tái)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(gè)新的概念，即開放性、標(biāo)準(zhǔn)化，它的運(yùn)行原理方面與傳統(tǒng)PLC相比具有實(shí)時(shí)多任務(wù)運(yùn)行機(jī)制，但仍然是基于程序執(zhí)行這樣的基礎(chǔ)。因此它并沒(méi)有從根本上解決傳統(tǒng)PLC存在的問(wèn)題，在其實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)中依然存在。
(3) 現(xiàn)場(chǎng)集成階段。也就是HARD PLC階段，它是一個(gè)全新的代名詞，也是一個(gè)PLC的最新發(fā)展動(dòng)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(tái)，采用EDA(Electronics Design Automation)開發(fā)工具配與硬件描述語(yǔ)言HDL(Hardware Description Language)做為開發(fā)軟件平臺(tái)，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(lái)實(shí)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(yùn)行軟件程序，因此自然沒(méi)有程序跑飛、開機(jī)復(fù)位及自帶語(yǔ)言編譯器等問(wèn)題，其完成的功能與傳統(tǒng)PLC相同，而系統(tǒng)的造價(jià)僅是傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)的十分之一，甚至更少。在硬件線路運(yùn)行時(shí)所有的信號(hào)是并行運(yùn)行的，而且信號(hào)的路徑是可知的，信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間是可預(yù)測(cè)的，所以可用于精確控制的需要，如位置控制、速度控制、信號(hào)處理、圖像處理、高速機(jī)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。

4 PLC的發(fā)展趨勢(shì)
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(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shì)主要有以下幾個(gè)方面:
(1) 用高性能器件，盡量縮小與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)之間的差距。例如，德國(guó)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(jī)兼容且具有PLC的功能。
(2) 豐富I/O模塊，使PLC在實(shí)時(shí)性、精度、分辨率、人機(jī)對(duì)話等性能方面進(jìn)一步得到改善和提高。
(3) 進(jìn)一步強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)功能，以實(shí)現(xiàn)信息管理自動(dòng)化。例如IPC型控制器具備多種現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備之間建立通訊聯(lián)網(wǎng)。
(4) 多種編程語(yǔ)言并存，互補(bǔ)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(yǔ)言以及C、Basic等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)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 Integrated Circuits)和表面安裝技術(shù)(SMT，Surface-Mout Technology)在PLC硬件設(shè)計(jì)上的運(yùn)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(shí)，為了進(jìn)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(cuò)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(gè)系統(tǒng)的冗余配置，使得整個(gè)PLC系統(tǒng)的可靠性得以進(jìn)一步加強(qiáng)。

5 可編程控制器現(xiàn)場(chǎng)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(jì)生產(chǎn)的，用戶選用他們提供的專用控制器時(shí)，可能只用到它的部分功能，會(huì)造成一定的資源浪費(fèi)，而且專用控制器價(jià)格高，不經(jīng)濟(jì)。而使用現(xiàn)代可編程邏輯器件來(lái)實(shí)現(xiàn)具有如下優(yōu)點(diǎn):
(1) 用戶可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)控制器的功能，不會(huì)造成太大的資源浪費(fèi);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(jià)格。
(2) 用戶邏輯和接口部分可以做在同一個(gè)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(diǎn)，無(wú)需采用過(guò)多措施就能使系統(tǒng)具有很高的可靠性。
(3) FPGA作為控制器的核心，其靈活的現(xiàn)場(chǎng)可更改性、可再配置能力，對(duì)系統(tǒng)的各種改進(jìn)非常方便，在不更改硬件電路的基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能，也就是完成硬件的在系統(tǒng)升級(jí);在線編程是FPGA/CPLD突出的特點(diǎn)，它無(wú)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(jì)的目標(biāo)系統(tǒng)中或線路板上對(duì)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(jì)后裝配的慣例，而可以先裝配后編程，用在實(shí)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(jì)技術(shù)的新一頁(yè)。此外，還可以通過(guò)紅外線編程、超聲波編程或通過(guò)電話線、Internet進(jìn)行在線編程。這些功能在遠(yuǎn)控或軍事領(lǐng)域上有特殊的用途。
(4) FPGA的性能價(jià)格比很高，用它實(shí)現(xiàn)的控制器的價(jià)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(jià)格的十分之一;而且其邏輯實(shí)現(xiàn)是并行工作的，其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PLC，這在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中是非常有優(yōu)勢(shì)的。
(5) 它拋棄了傳統(tǒng)PLC“程序”的概念，以“硬件線路”來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能，在硬件線路運(yùn)行時(shí)所有的信號(hào)是并行運(yùn)行的，而且信號(hào)的路徑是可知的，信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間是可預(yù)測(cè)的，所以可用于精確控制的需要，如位置控制、速度控制、信號(hào)處理、圖象處理、高速機(jī)械等。
從以上優(yōu)點(diǎn)我們可以看出，基于FPGA/CPLD的HARD PLC能更經(jīng)濟(jì)、更穩(wěn)定、更方便地適應(yīng)用戶的需求，而且其實(shí)時(shí)性、靈活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǎng)集成技術(shù)應(yīng)用非常廣闊，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。