PLC在工业控制和测试与测量中的作用

2026-06-01 05:21:56

　　就物理形式而言，今天的PLC可以是任何东西，从具有集成芯片（IC）形态的非常简单的计算机到容纳在多个机箱中的控制器子组件的大型机架安装集合。简单的基于微控制器的PLC或采用片上系统（SoC）PLC形式的PLC都可以非常可靠，并且可以在非常适度的电源输入下运行。相反，最复杂的PLC模糊了PLC和通用计算机之间用于实时工业控制的界限……尽管前者仍然强调可靠性和实时性能。

　　实际上，随着时间的流逝，PLC所期望的功能已经激增了，因此，今天，许多PLC都非常复杂，并且能够执行复杂且自适应的例程。半导体芯片功率的不断提高和尺寸的缩小（由于摩尔定律的原因）已使小型控制器实现了前所未有的智能化。这种趋势在运动控制，视觉系统和通信协议的集成支持下仍在继续。在PLC尺寸范围的另一端，某些可编程自动化控制器（PAC）将PLC与PC集成在一起，以替换某些应用程序的PLC和专有控制系统（运行专有编程语言）。如今，越来越多的PLC也被集成到人机界面（HMI）中。

　　人机界面（HMI）是机器控制面板（或无线连接到移动设备的模块），可让操作员查看数据并发出命令。与HMI功能密切相关的是监督控制和数据采集（SCADA）系统，该系统可以实时控制和监视自动化机器与其HMI和历史学家之间的交互。使用SCADA，HMI可以控制多台机器……并显示与多台设备有关的数据。

　　企业资源计划（ERP）系统集成了与制造相关的MRP，MES，产品生命周期管理（PLM）和CRM信息系统。ERP系统可以是处理所有这些功能的整体软件套件，也可以是与多个供应商的专用应用程序接口的核心ERP系统。通常，只有高层管理人员才能与ERP进行交互，而给定组织中的大多数人员都将与馈入其中的组件系统之一进行交互。

　　PLC通常在低于这些信息系统的级别上运行。它们与机器，电动机和传感器之间收发信息。它们还可以与以上信息级别进行交互，将数据发送到历史记录器或SCADA，或者从SCADA或HMI接收控制输入。在越来越多的情况下，更复杂的PLC还可以执行SCADA和历史记录器功能，甚至还可以执行HMI功能。

　　仅考虑具有集成PLC功能的I/O组件。它们与运行Windows或Linux操作系统并具有以太网连接的可配置HMI兼容，但是缺少用于产生低压模拟信号的现场设备的简单重新校准选项或模拟I/O。此类I/O组件还可以与设置为从远程I/O设备……并通过其自身的板载I/O直接从传感器收集数据的PLC一起使用。

　　图2：T7多功能数据采集设备（DAQ）包括以太网，USB，wifi和Modbus连接，可与各种现场设备以及工业HMI和PLC配合使用。尤其是Modbus / TCP连接性，通过各种第三方软件和硬件选件提供了可控制性，以实现开放性和灵活性-从而为工业系统架构师以及研发（R＆D）工程师提供了供应商中立的数据收集选择和自动化应用程序。（图片来源：LabJack）

　　当然，PLC并不是机器自动化或测试与测量的唯一选择。随着所有工业控制变得越来越复杂，一些供应商开始将某些硬件与可编程自动化控制器（PAC）区别开来，以表示增强的功能，在许多情况下，单个硬件上具有多个处理器。实际上，PLC的复杂性也越来越高-因此，何时执行PLC功能的某些硬件构成PAC并没有一成不变的规则。大多数PAC集成了PLC和PC方面，可作为复杂的自动化系统，具有多个基于PC的应用程序以及HMI和Historian。一个明显的区别是，PAC比传统控件具有更开放的体系结构，因此开发人员更容易使用PAC。

　　PLC可以与所有模块集成在一个机柜中，也可以模块化。集成式PLC更紧凑，而模块化PLC则更通用，通常允许将多个模块轻松地连接在一起，方法是直接插入彼此或使用公共机架作为总线。根据模块在总线上的位置对模块进行寻址。尽管机架的物理支撑方面可能符合诸如DIN之类的标准，但数据总线通常是PLC制造商专有的。

　　随着人们对工业4.0（也称为IIoT）的兴趣不断增长，工业用户越来越希望能够选择使用Internet协议将其工业控制器连接到公司网络。这意味着使用传输控制协议（TCP）和Internet协议（IP）或仅使用TCP / IP进行通信。但是，IIoT的趋势不仅涉及使用互联网协议，还涉及机器学习和大数据。随着PLC的功能越来越强大（更高级的控件使PLC功能成为一种功能），越来越多的主机功能（例如视觉系统）也将出现。Internet连接还允许工程师（通过系统PLC）利用基于云的算法来处理用于机器学习的超大型数据集（也称为大数据）。

　　在实际应用中，用于控制自动化技术的以太网（EtherCAT）在IIoT PLC功能方面表现出色。这是一种基于以太网的通信协议，适用于周期时间少于0.1毫秒的实时控制应用，这是最快的工业以太网技术，具有纳秒级精度的同步能力。另一个重要的优势是在不使用网络集线器和交换机的情况下工作的EtherCAT网络拓扑的灵活性。设备可以简单地以环形，直线形，星形或树形结构链接在一起。PROFINET是提供类似功能的竞争标准。

　　目前的趋势是越来越复杂的数据收集和工业控制将继续下去。这意味着用于工业自动化、测试和测量的可编程逻辑控制器将越来越像PACs，并与SCADA和计算机集成。互联网协议和开放标准（如EtherCAT）也在PLC通信中得到稳步采用。这种连接性反过来将刺激更多地使用工业4.0技术，如大数据分析和机器学习，这部分得益于将所需的处理能力和内存分配给：

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