「技术前瞻」PLC和CNC在未来工厂中的角色

摘要

随着制造业自动化程度的提高，工业控制器和控制系统变得更复杂、更高效，这或许将改变CNC和PLC在未来工厂中的角色。

随着工业4.0和工业物联网(IIoT)越来越流行，自动化概念正在悄然发生变化。自动化涵盖了高精度、高速度、高效率和预测性维护等概念。这是由数字化、可编程系统推动的，已经开发和完善了几十年了。

例如，计算机数字控制（CNC）通过执行预编程序列的计算机，实现了机床的自动化。CNC是20世纪50年左右也从计算机辅助制造(CAM)发展起来的。随着计算机和伺服系统的发展，它可以帮助制造商满足它们对可重复、高精度生产的日益增长的要求。CNC已成为精确度和控制的代名词，它主要由5个部件组成——排序器、插补器、伺服控制器、逻辑控制器和操作员控制接口。数控系统的概念提出20年后，一个价格更低，形式更简单的计算机辅助控制出现了，那就是可编程逻辑控制器 (PLC)。

PLC是在20世纪70年代左右开发出来的，旨在取代继电器逻辑控制系统。 这些继电器系统由于依赖硬件来执行关键功能，因此往往不经济性、缺乏灵活、不易使用。PLC具有输入和输出功能，可编程执行顺序操作、数据处理或简单的轴控制。

但是，PLC的使命并不是替代CNC。 “两种控制器服务于不同的目的和市场，各有自己的优势。因此，没有任何业内人士会说，‘我已经投资了CNC，这里已经没有PLC的用武之地了’，正是因为它们是两种完全不同的控制。”发那科工厂自动化部门的CNC应用经理Ian Baird说。

CNC和PLC将在未来的工厂中扮演不同的角色，帮助制造业提升自动化程度，并专注于最大限度地减少停机时间。图片来源: 发那科

由于它的使用，超出了简单的输入/输出(I/O)算法，因此CNC与自动化的关系比较多。现代CNC是一个灵活的，数字控制的系统，旨在无需为整个系统重新编程的情况下满足制造商的需求。大多数现代CNC，还包括配置了内置运行、维护和诊断屏幕的用户界面。“由于这个原因，CNC 很受那些想要完全控制机器的人的欢迎，因为它的功能，能让你在接受简单的培训之后就可以独挡一面。”Braid说道。

由于具有较大的灵活性，因此CNC适用于任何行业的复杂、多轴加工。 任何需要精确运动控制的应用都可以通过CNC实现，无论是手表零件和医疗设备的制造，还是反应性原子、等离子的蚀刻等。

简单与复杂控制任务

Baird认为对简单控制任务而言PLC更擅长。 如果你有一个应用，不需要较高的精度或灵活的运动控制，比如：交流电动传输带，那么PLC往往是最好的选择，而且它比CNC便宜。因此，有人认为CNC更适合应用于复杂的应用。

然而， PLC虽然简单，但也有一些缺点。Baird说，“ PLC没有CNC的灵活性高。如果你需要稍微改变程序，必须完全重新编程。 它也不具备CNC的高精度，因此最好将其作为低成本的基本任务解决方案。尽管PLC成本低，但许多制造商仍然选CNC，部分原因是其全生命周期成本较低。”

很有趣的是，许多设计师在安装PLC之后又转向了CNC，主要原因就是灵活性、可靠性和成本。 数控系统的初始成本高于PLC，但由于数控系统的可靠性和控制能力的提高，长期投资回报率可能会更高。它还使系统设计者能够灵活地决定：他们希望用户在其机器上拥有多少控制权。

数控系统的长期成本效益，得益于其先进的用户可编程特性，可以最大限度地减少停机时间，控制机器的能源利用效率或机器产出。

许多CNC都配备了人工智能轮廓控制。 这意味着机器可以被控制在一定的工作负荷内运行，或自适应地控制机器完成夜班工作。例如，通过编写程序，让其工作在80%负载处，使公司能够更经济的利用能源。CNC还配备了能源效率功能，如充电模块。

CNC也具有安全功能，为与人类协作行动提供良好的保障。 “CNC配备了一个可以执行运动控制的数字算法来,” Baird说，“这个数字系统由两部分组成，一个真实的数字数据系统和一个目标数字系统。目标系统是‘理想'的期望值，为机器提供目标工作参数。真实的系统和目标系统都由同一命令驱动，所以它们应该以完全相同的方式工作。”

如果真实系统遇到中断，比如意外负载，则会导致实际数据偏离目标数据。机器将把它转换成冲突，并以两种方式之一作出反应。如果移动缓慢，就会停止，如果快速移动，将执行一个 “向量后退” ，它将撤回任何移动机械，以避免设备损坏。对于高端机器，还可以融合3D技术，阻止五轴机械在其预先确定的工作区域外移动。

对于希望实现流程自动化的制造商而言，零停机时间也是一个重要考虑因素。 计划外停机成本很高，可以造成几天、几周甚至几个月停止生产。未检测到的故障，可能会对机器造成不可逆转的损坏，甚至可能伤害到工人。

最小化停机时间

“尽管期望工厂能够7x24小时连续运转有点不切实际，但我们还是可以尽量减少由于小故障或错误造成的停机时间，这也正是预测性维护的概念所在。” Baird说，“CNC技术推动了预测性维护的发展。 预测性维护允许我们在潜在问题出现之前发现它们，并在变得严重之前采取相应行动。我们通过将控制机器的自动化技术作为守护人，来实现预测性维护。”

这是否意味着CNC注定要成为未来工厂的唯一工具？ Baird并不这么认为，“PLC仍然扮演着至关重要的角色。最好的例子就是生产线。CNC可以控制机器人的手臂、工装、铣削和研磨， 而PLC可以控制皮带的传输，将产品或材料从生产线的一个工序输送到下一个工序。由于CNC的复杂性，使其并不能很好地完成这些任务，而且有点大材小用。作为工厂车间的一部分，简单和复杂的任务要同时完成，CNC和PLC可以完美地结合在一起工作。”

在制造工具包中CNC和PLC都占有一席之地，未来它们将会如何发展？ “工业控制系统(ICS)会持续发展，并将以适合特定行业的专业化形式出现。” Baird说。第三方还将利用开放接口的概念，将工厂与物联网结合起来。随之而来的是大规模的智能机器、数据收集和分析，这将有助于实现更大的过程改进。

虽然不清楚CNC和PLC在未来的工厂中扮演什么角色，但它们都将成为其中的一部分，即使它们并不总是在一起合作。

本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2018年7月刊《技术文章》栏目，原标题为：PLC和CNC在未来工厂中的角色

PLC编程，学会之后就业怎么样？零基础可以学会吗？

PLC可编程控制器在学习的时候是需要经过5个阶段的，每个知识的学习都是要经过一定的应用积累。PLC可编程控制器在学习的过程中要经过的5个阶段都是在经行知识的积累，下面就来为大家具体介绍一下PLC控制系统技术学习的5个阶段吧。

学习对象：

1：工厂普通工人很累，无脑上夜班，想快速步入PLC这行业！

2：现在做杂工和学徒的，想快速提升收入的！

3：现在做PLC，是二流PLC的，月薪低于6000的！

4：迷茫的人，不知方向，每天浑浑噩噩过日子的！

5：目前在自学，学习找不到方向，遇到问题没有指导！

学习时间：

全日制班周末班晚班均可学习

学习内容：

一.逻辑阶段

所谓的逻辑阶段就是可以实现继电系统中的一般逻辑性设计，既然是继电系统所以电力拖动知识就是该阶段的基础。我个人总结学习继电系统的根在于一个字“抢”，继电系统之所以能实现逻辑控制就在这个字上。继电系统中主要就有那么三个东东A常开；B常闭；C线圈。这就对应了PLC中的基本元素了，只不过是阅读的方法不一样罢了。

那么是不是就可以把原来的继电系统照搬呢？不行！二者的工作方式是不一样的。继电系统中的所有硬元素同一时态开始竞争的，而PLC中的所有软元素是通过PLC的CPU来进行扫描计算处理最后计算出该时态的结果，这便是PLC的扫描循环工作方式。

二．顺控阶段

顺序控制在工业中的应用相当广泛，例如一般性的自动机床它就是一个顺序控制过程。PLC设计当中能实现顺控的有两种方法：一PLC中的顺控指令如三菱STL；二起保停控制方式。不管哪种控制方式在设计的开始我们要完成的是流程，它是系统构成的脉络主要有三个方面：一“步”二“活动步”三“转换条件”。

三．汇编阶段

该阶段是本质上区别于继电控制系统，是继电控制系统无法实现的，也是提高PLC控制系统功能的根！我之所以称之为汇编阶段，是因为它很相象于单片机的汇编语言编程，例如单片机中的传送指令MOV，在PLC中的高级指令中也是一样的功能。这一阶段难度比较大，第一要学习计算机基础；第二要充分了解PLC的内部功能和资源；第三熟悉所有的高级指令的功能（不用死记硬背）。如果不了解计算机基础的话在学习高级指令和PLC内不资源的时候根本理解不了，在设计上的思路和继电系统有很大区别例如：I0.0和IB0第一个是“位”也就是逻辑设计的“点”，第二个是“字节”在逻辑设计中没有涉及到。

四．特殊阶段

特殊阶段就是对特殊功能的系统而言的，例如运动控制，PID温度控制，网络连接等等。不同的PLC能实现的功能不一样，有些功能PLC内是集成的而有些是需要外加扩展的，那么就要根据不同的控制对象去选用了。掌握好该阶段是可以大大提高PLC的程序，但是还需掌握PLC以外的其他自动化知识，如伺服、变频器等等。

五．网络阶段

随着自动化技术的发展由PLC做下位机的应用也十分多见。该阶段组要学习是不同PLC的通信协议和一些通讯指令，如PLC通过编程口控制变频器如西门子的USS协议与变频器进行信息的交换。还有工业以太网和现场总线等如西子的PROFIBUS；AS-i；等等。

报考条件：

无

学习效果：

1.学习电力拖动，对应于PLC梯形图中的常开，常闭，线圈。

2.可以完成简单的系统设计

3.了解系统构成需要

4．合理选择扩展单元

5．学习扩展单元使用方法

6计算机基础

7．PLC资源

8．指令功能

9．适应单片机的程序设计思维

可以完成复杂的系统设计

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