摘要：工业4.0是当前世界工业制造发展的潮流，目前我国正处于工业2.0、3.0向工业4.0跨越的关键时期，而我国也提出了提出了《中国制造2025》行动纲领，PLC技术自诞生起就是工业制造中自动控制的重要组成部分，因此对PLC应用的研究具有重大意义，对PLC在工业4.0中的应用研究为我国向工业4.0跨越积累理论基础，同时也有利于提高我国制造业自动化的程度，下面我就以西门子数字化工厂作为研究对象，浅析PLC在工业4.0中作用及改进措施；
关键词：PLC原理；西门子全集成自动化；工业4.0
一、研究背景
为了提高其工业的竞争力，2013年德国在新一轮工业革命中占领先机，推出了“工业4.0”战略。“工业4.0”也被人们称为以智能制造为主导的“第四次工业革命”，在生产系统及过程中形成“智能工厂”，在生产物流管理上实现“智能生产”，整合物流资源上实现“智能物流”。
目前我国工业自动化控制正处在蓬勃发展时期，PLC在工业自动化控制方面发挥着巨大作用，为各行各业自动化设备提供稳可靠的控制应用。随着计算机技术、通信技术、大数据技术的发展，工业控制也向着工业4.0方向发展，这为PLC技术的发展提供了机遇，同时也对PLC的应用提出了更高的要求。
西门子PLC是中国目前应用最广泛的PLC品牌，为中国的自动控制技术的发展发挥了重大推动作用，作为“德国制造”的代名词，西门子得益于德国政府的主推，在智能制造领域先试先行。这家公司已经开始将物联技术、PLC控制技术、信息技术、网络技术、云技术、大数据等技术整合成一个大系统，目前西门子已经把制造工厂设计成数字化制造工厂，正在向工业4.0方向发展，尽管西门子曾表示，其将在2030年才能真正步入“工业4.0”，但对于仍在摸索初期的中国企业，依然值得借鉴。
二、PLC概述
2.1 PLC的含义
可编程序控制器又称PLC，国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。在草案中对可编程控制器定义如下：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。
2.2 PLC的产生
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国通用汽车公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。
个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。
上世纪80年代至90年代中期是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
2.3 PLC的组成及分类
从结构上分，PLC分为紧凑式和模块式两种。紧凑式是CPU模块自带少量的I/O点，模块是PLC包括CPU模块、I/O模块、网络模块、特殊功能模块等，这些模块可以按照一定规则组合配置。
分类：
1、小型PLC
小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。
2、中型PLC
中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256~1024点之间。I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。
3、大型PLC
一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。大型PLC的软、硬件功能极强。具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。
2.4 PLC的工作原理
最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：
（1）继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。
（2）PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。
三、西门子数字化工厂对我国PLC应用的启示
3.1西门子PLC系统
西门子PLC系统主要包括S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400、S7-1500等，具体系统资源划分参看下图；
3.2 西门子数字化工厂对我国PLC系统的启示
西门子数字化工厂很重要的一个概念就是全集成自动化。全集成自动化思想就是用一种系统完成原来由多种系统搭配起来才能完成的所有功能。应用这种解决方案，可以大大简化系统的结构，减少了大量接口部件，应用全集成自动化可以克服上位机和工业控制器之间，连续控制和逻辑控制之间，集中与分散之间的界限。全集成自动化TIA（Totally Integrated Automation）即统一的组态和编程、统一的数据库管理和统一的通信，是集统一性和开放性于一身的自动化技术。
西门子数字化工厂对我国自控系统的启示就是自动化系统需要往全集成系统方向发展，从上位机监控画面到PLC控制系统再到现场设备可以形成一个全集成的系统，系统之间采用统一的接口，变量信息可在项目中共享，可以减少工作量增加系统间的融合及稳定性，具体借鉴方向如下：
统一的数据管理
全集成自动化技术采用全局统一的数据库，西门子各工业软件都是从一个全局共享的统一的数据库中获取数据。这种统一的数据库，统一数据管理机制，所有的系统信息都存储于一个数据库中而且只需输入一次，不仅可以减少数据的重复输入，节约人力、财力，更重要的是，它还可以降低出错率，提高系统诊断效率，大大增强了系统的整体性和信息的准确性，从而对工厂的安全稳定运行提供技术保障。
统一的编程、组态
在全集成自动化中，所有的西门子工业软件都可以互相配合，实现了高度统一，高度集成，组态和编程工具也是统一的，只需从全部列表中选择相应的项；对控制器进行编程、组态HMI，定义通讯连接或是实现动作控制等操作。
统一的通讯
TIA实现了从现场级、控制级到管理级协调一致的通讯
开放性
自动化发展到今天，已从单机自动化、系统自动化向全厂自动化、集团自动化的方向转变，业界广泛倡导的是标准化、开放式结构，西门子的TIA技术也不例外，西门子将工业以太网技术引入TIA，在产品上集成以太网接口，使以太网进入现场级，从而实现元件自动化。而工业以太网是业界广泛接受的通讯标准，所以西门子的TIA是开放式的TIA，TIA的开放性还体现在以下几个方面：
（1）对所有类型的现场设备开放
（2）对办公系统开放并支持INTERNET
（3）对新型自动化结构开放
四、工业4.0对PLC系统的要求
4.1 工业4.0的概念
所谓工业4.0，即依托机器对机器技术（M2M）、物联网技术（IoT）与信息技术的大力发展，通过网络与信息物理系统（CPS）的融合，以个性化、多样化、复杂化的顾客需求为主要目的，充分利用智能制造、动态定价、价值分享协议等方式，将资源、信息、物品与人进行不断连接，尽可能有效提供制造端直通用户端的“端到端解决方案”的一种全新的生产组织模式，进而大力促进制造业向智能化转型。
“工业4.0”项目主要分为三大主题：一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。该计划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者；三是“智能物流”，主要通过互联网、物联网、物流网，整合物流资源，充分发挥现有物流资源供应方的效率，而需求方，则能够快速获得服务匹配，得到物流支持。
4.2从工业1.0到工业4.0发展阶段
1、工业1.0：第一次工业革命，以机械化生产为主要特征；
2、工业2.0：电气化生产，以电气化替代机械化为主要特征；
3、工业3.0：自动化生产，以模拟化向数字化转变为主要特征；
4、工业4.0：第四次工业革命，以自动化向智能化生产为主要特征；
4.3 工业4.0生产的特点
4.31从产品生产上看具有以下特点
大规模定制生产
大规模定制生产工业4.0生产的一个重要生产模式。它是将大批量生产的高效率和低成本与定制能满足客户的个性化需求两种优势结合起来的新型生产模式。大规模定制生产要求生产线具备柔性生产制造能力，所以对PLC系统也提出了更高的要求，要求PLC系统也具备柔性生产的控制逻辑；
4.32从生产制造上看具有以下特点
自律化操作
分散控制
无线通信
实时追踪信息定位
单元化工艺
4.4 工业4.0包含的PLC技术
（1）PLC控制技术
（2）网络及无线技术
（3）机器人技术
（4）RFID技术
（5）传感器技术
（6）执行机构技术
4.5 工业4.0对PLC系统应用提出的要求
工业4.0对PLC系统提出了更高的要求，为了满足工业4.0大规模定制生产的生产要求，PLC系统必须具备以下特点
1、一体化工程
工业4.0要求各系统相互融合成一体化系统，所以要求在PLC设计时需要统一设计，从上位机监控界面、PLC控制程序、网络通信、驱动技术、传感器等具备统一的接口，增加系统的融合性。
2、一体化网络
一体化网络要求PLC系统在设计时必须将现场层、控制层、操作层、运行层、企业层之间的网络通讯进行统一设计，使整个大系统可以互联，除此之外还需基本无线通讯功能和移动终端通讯功能；
3、实时追踪信息定位
工业4.0一个重要特点就是信息物物理系统，这要求PLC系统在生产控制的每一个环节进行信息记录，包括设备信息及生产信息，工业4.0要求为每个原材料、元器件分配一个ID，通过RFID进行记录这些元器件的加工情况，及时记录故障及不良品可以减少产品的故障率。
4、标准化、规范化
工业4.0要求PLC系统具备标准化、规范化的特点，例如名称定义、操作流程、程序流程等规范，PLC系统标准化、规范化一个典型的应用行业就是汽车行业，众多杰出的汽车制造公司都指定了自己的PLC系统标准，例如大众公司的VASS标准；
5、具备柔性生产要求
工业4.0大规模定制化生产要PLC系统具备柔性生产要求，柔性生产表现包括功能选择的多样型、执行机构的多样性等
6、智能生产
智能生产是工业4.0很重要的组成部分，智能生产要求PLC具备智能分析判断功能、自诊断功能；
7、分布式控制
由于工业4.0需要单元化生产，所以要求PLC具备分布式IO控制站，具备独立处理独立站的系统；
结论
随着科技水平的不断发展，我国的PLC控制技术的发展速度也将随之加快。在实现工业4.0自动化的领域中，采用PLC控制技术是适应社会的必然需求，同时也是保障自动化水平的基本前提。面对现如今的发展形势，相关的研究人员还应不断加大其研究力度，不断完善PLC控制技术水平，从而使得其更好地应用于工业4.0自动化的领域中。
参考文献：
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[2]秦雪峰.PLC未来发展趋势——开放的多功能一体化PLC[J].可编程控制器与工厂自动化，2008（4）：31-32.
论文作者:陈达明
论文发表刊物:《电力设备》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/19
标签：工业论文; 系统论文; 技术论文; 功能论文; 智能论文; 触点论文; 继电器论文; 《电力设备》2017年第8期论文;