PLC江湖无浪，自动化风云录
林雪萍： 南山工业书院发起人，北京联讯动力咨询公司总经理
皮实、简单、可靠，这就是自动化控制系统的全部要义。智能制造的根基，也未能离开这一点，而可编程控制器PLC，则是一个传奇的产品常青树。
崛起之后就是洗牌
借助通用汽车产线的驱动力，美国莫迪康Modicon公司率先在1969年制造出第一台可编程控制器PLC。这是一个划时代的产品，如果按照德国工业4.0的说法，这是工业3.0开始启动的标志。如果把MO-DI-CON拆开了看，还是大有讲究的，它代表“模块化MOdular-数字化DIgital-控制CONtrol”三个字意思。这实在是一种经典传世的设想，五十年后今天的自动化领域，似乎都未曾离开过这个圈圈。
这种简单部署、成本相对较低的控制器，随后在机器产线上风靡。全球自动化界为之卷动。从70年代开始特别是80年代，到处都是PLC品牌的大发展。在日本，正是机械大发展的时代，机械与电子融合迅速成为日本自动化崛起的契机。日本富士、欧姆龙、日立、安川、东芝都有PLC，像安川就是购买Modicon许可证。在美国，除了Modicon，还有SquareD，瑞恩Reliance、AB等。法国的Telemachanique的PLC也不错，至今在港机大吊车上依然能够看到。新开的边疆，到处都是热土，到处都是新兴者的乐园。西门子也在这个时候，走向了PLC控制系统的舞台。
1980-1990年，是一个PLC亮出底牌的十年，技术诀窍变得不再神秘，企业家的管理开始发威。春秋无义战，收编时期开始。经营不善的Modicon也开始成为德国一家公司的猎物，并在辗转之后，卖给了施耐德 。法国TE也被施耐德收购。而反应灵敏的罗克韦尔，则在1985年并购了百年老店AB，并在1995年收购瑞恩电气，从此在自动化控制领域彻底站稳脚跟。至此，美国四家最早的PLC公司，全部被收购。
在日本这个内卷也很厉害的自动化市场，三菱电机脱颖而出。在1985前后，根据市场调研公司F&S的报告，在日本市场上三菱电机跟欧姆龙差不多，都是20%多。然而仅仅到了80年代末，日本市场已经是三菱独占50%。它只给欧姆龙、富士以及在传感器战无不胜的基恩士等同行，留下越来越小的市场。
到了1995年代，反复洗牌的PLC市场，基本呈现了明朗的态势。开创者Modicon在1996年被施耐迪电气收购之后，PLC发展的历史基本进入平静期。自动化控制系统的角色，像一处迟迟不能散场的演出，舞台的角色比观众的寿命还要长。
长盛不衰的角色
在这样的一个舞台上，西门子、罗克韦尔、三菱电机等，基本是长期盘踞国际市场PLC的头部位置。这有着技术实力、质量保证体系，以及培育用户策略的综合性支撑。
图 全球PLC市场 （Source：美国ARC咨询公司）
时间回到1983年。德国埃尔朗根西门子的PLC制造厂，当时只做中大型的PLC S5系列，而且很少对外销售，大部分是自己的工程配套用的。令人印象最深的是PLC的设计开发人员只有十几个人，而管制造工艺和质量控制的部门有三十多人，而且大部分是博士，实力之雄厚是前者的两倍。仅就这一点，没有哪一个国内自动化制造企业可以比。国内企业里技术最强的一定是开发设计部门，工艺和质量部门一定尾随其后。
而在90年代，如果去日本三菱电机参观访问，不能错过专门做小型PLC FX系列的姬路制作所。一个面积不算大的车间承担了全部FX系列的各种模块的生产。生产安排以半小时为一批，生产的品种和数量在看板上列出，记忆中每批就五六个品种、几百台的数量。令人惊讶的是元器件做到了零库存。每一批生产产品需要的元器件在半小时前由物流车送达，装在黄色的塑料盒内。除了元器件上料和整机下线后的老化有人辅助而外，生产线是全自动的，印版的焊接以至整机的装配都没有人干预。这种生产方式国内至今也难以做到。国内深圳有家生产PLC的公司，为了怕关键元器件断档，需要半年的库存量。对于PLC这种成本锱铢必较型的产品，库存，不仅仅是罪恶的，而且是致命的。
商场决战，大学早已定音
PLC的用户使用习惯，对于一个品牌而言，是一个巨大的护城河。很多在校学生习惯了某种品牌的PLC之后，走到社会上往往也会下意识推荐工厂使用。
西门子培育PLC用户的方式，可见一斑。它往往以极低成本给许多工科大学广泛提供PLC实验室，使得好多的大学开PLC的课就按机型教学。可以说，这些PLC充满了工科大学和高职高专的实验室。而在大学课堂里，很少会认真传授PLC控制标准的底层通识性内容（如IEC 61131-3标准规范等），而只传授品牌PLC的使用方式。这让大学生的教育，陷入了一个只知道表象，而无法探究底层基础原理的怪圈。这是当前非常普遍的现象。
在工业软件领域也是如此。学校热衷于传授国外软件的使用，学生则在工具的支撑下做着绚丽的图表。MatLab软件，几乎是高校理科生的必备软件，轻松进行各种仿真画图。然而，这种软件，也会遮掩掉最底层的原理推断，切断了大学生对物理本原的思考，也阻断了创新回路。有些有识之士，干脆不允许学生在研究生论文使用Matlab，就是从傅里叶变换这种最基础的数学公司开始。开人脑路，才是大学理工科教育最重要的方式。
西门子也会花费大气力，扶植出版机构，出版大量的西门子PLC的使用教科书。甚至培养和支持了很多著名的教授团队，写了许许多多西门子PLC、人界面HMI等的畅销教科书。据说有的书已经销售二三十万本。这使得这些PLC有了庞大的初学者基数。与此同时，“西门子杯”中国智能制造挑战赛，受到了上千院校的参加，已经都进入了十五届，也都是教育部官方认可。
教育部自动化教学指导委员会召开的会议上，也有很多人对PLC的通识教育很感兴趣。但似乎没有人能够改变这个局面，也很少有大学能够落实。
这样做其实并非西门子的孤例。三菱、罗克韦尔在大学院所实验室和培训教材的布局，也是同样的套路。有哪个大学，会拒绝企业主动提供的硬件、软件和配套教学书呢？而它带来最直接的结果就是，各科大学，各个技校的毕业生，就会成为这些PLC品牌的超级粉丝和拥趸。如果说工厂里PLC使用者，决定采购何种品牌，那么大学里的实验室就是品牌教育，而培训教材则是第一采购指南。
当然，这种方法，似乎也无可厚非。这应该算是教育和企业试图联合推动学生技能培养的一部分。对于工厂而言，也欢迎这样提前有一技之长的毕业生。这是一种市场存在的需要。只是，高校职高的认知与技能培育，会形成一种逐渐发酵的机制。大学教育者只是从前端只看到了一块面团，而真正面包的生意，是教授者没有见到的市场。
失败的追赶者
GE的PLC，就是美国PLC行业中追赶的苦行僧，修炼很苦，道行很差。在国内的市场份额也不大。在GE的自动化历史上，曾经有三次大型行动，意图扭转在控制系统的落后局面。
早在1993年前后韦尔奇刚刚上任的时候，新官三把火，第一把火就指向统一控制系统的工厂。那个时候，它拥有跟日本数控系统老大FANUC的合资公司，在机床控制有着很好的优势。这个以“未来工厂”命名、用单一控制系统，来整合所有机器的控制系统。当时数控系统，还是处于萌芽期，机器接口更是五花八门。这一大张旗鼓的行动，以耗费10亿美元而落败。在追求自动化大统一的战场上，GE栽了一个大跟头。这次技术上的失败，不过是一个小小的战术瑕疵，淹没在韦尔奇传奇的管理故事之中。GE的PLC继续保持颓势。没有人愿意提及这一点，GE控制系统在前进的道路上，还有更大的坑，等着抹掉记忆的人掉进去。
2001年美国自动化咨询公司ARC提出来PAC（可编程自动化控制系统），这是一个基于PLC控制和基于PC控制的混合体。意在通过开放的自动化控制标准，既有PLC编程简单成本低廉的特点，又有PC-Based强大的计算能力。PAC的概念，得到了GE Fanuc公司的积极响应，2003年发布了相应的产品。然而，似乎缺乏控制基因的GE，仍然无法通过PAC来改变面貌。实际上，机器控制要求高度可靠，无法直接采用PC技术来实现。英特尔芯片在工业环境，表现弱爆，散热问题需要专门解决。要把芯片改造成果适应PLC结构的模块，有很多工作要做。这非GE特长。而PAC在软件方面，没有做到面向对象、可建模的程度，于是这更像是一个噱头。随着旗手GE的弱势，PAC概念也就像一阵风的刮过去，市场上仍然是PLC的天下，只是基于PC控制的PLC结构已经开始呈现倔强的生命力。
2016年，GE与FANUC平静地分手。这场三十年的婚姻，双方各自分得家产，Fanuc保留数控领域的全球业务，而通用电气公司则继续保留软件，嵌入式系统和控制系统的全球业务，再加上前一年收购阿尔斯通也继承了一部分自动化业务，现在统称为智能平台GE-IP。这场合资的结果，被看成是日本制造蹭美国大腿的一个经典案例。美日合资没有不失败的，基本都以日本胜出而告终，无论是在机床，还是半导体，甚至还有汽车。在这三十年，日本FANUC已经从名不经传的数控系统，成为全球数控系统的王者地位，只有西门子才能与之匹敌。GE成功地将自己的渠道，做成了输液管，FANUC趁机扩散到整个北美市场。GE则仍然一脸茫然地面对多年来无法搞定的PLC市场。
此时，GE应该并没有意识到这是另外一次的失败，因为它有着更大的宏图正在展开：那就是工业互联网。GE已经坚决走向了数字化的路线。这次是Predix工业互联网平台。英雄造势，振臂高呼，天下机器，在此一联。这次打前锋的则是工业软件，思维方式又是大一统的控制平台。然而，应该说这次控制系统的振兴，选择一个糟糕的机会，首先是全球能源环境发生巨大变化，GE在这方面的投资出现巨大亏损；其次还有很多金融信托问题都一一暴雷。重要的是，工业互联网迅速开始褪色，证明自己光靠烧钱是不可靠的。对于需要强力支撑的工业而言，它还只是一条婴儿的小腿。
2018年，由于整个产品线受到了大环境的影响，GE数字化战略也因此受到了严重的干扰。GE不得不以22亿美元低价格，将整个GE-IP智能平台，卖给了流程行业的自动化巨头艾默生，后者一直试图在混合流程行业有所作为。
三次意欲一统机器江湖的失败，让GE应该彻底凉心。但GE自动化平台GE-IP应该感谢艾默生的野心，否则只有2亿美元的自动化业务，很难在当时卖出10倍的价格。然而，包袱终究是包袱，接手了GE多年郁闷不得志的PLC，艾默生最近三年也没有什么太多进展。
如果说有破局者
根据MIR睿工业咨询的估计，中国PLC市场大概有130亿元人民币的规模。而PLC的主阵地，在于机械设备制造市场，大约占比70%左右。其余则分布在各种工程项目中。西门子以覆盖小到大的产品广谱占据了国产市场40%左右的份额，而欧姆龙、三菱电机、罗克韦尔和施耐德则尾随其后。各自定位不同，罗克韦尔，则基本放弃小型PLC，专注在中型PLC之上。而日系在小型PLC市场有很大的发言权。
在传统PLC厂商的夹缝中，如果说表现卓越者，则有很小众的德国倍福和奥地利贝加莱（已经被ABB收购）的基于PC控制，抢出了一片生存空间。他们基本都是从高端市场切入，走高端市场低成本化的路线。
这是一种不同PLC简单图形编程的道路。倍福采用了控制和软件同步发展的策略，并且结合有力的通讯协议，软件/系统工程方法，实现了局部领域的突破。在中高端应用上，价格比西门子公司便宜，而且非常灵活。它充分展示PC机在软件工程方面的灵活性和开发性。倍福还通过提供软件开发套件的方式，支撑第三方厂家的深度定制需求。在这方面，那些领先的PLC厂商基本上是不会对外开放。
考虑到PLC在低廉成本、用户习惯成为天然壁垒的局面，经营利润太低的PLC并不是一个好的选择。对于大部分工业厂家而言，卖掉PLC反而是明智。这跟大企业很难进行大型自研工业软件的开发，是一样的道理，经济性往往很差。
而倍福和贝加莱，都早早地意识到了成本的问题，因此二者不约而同，采用了相同的策略，那就是高度重视细分行业的特殊功能模块的开发。
施耐德电气，则在最近几年呈现了更加积极的进取心。在美国倡导发起的开放自动化体系中，施耐德电气表现得异常活跃。作为一种开放环境的编程语言61499，成为自动化界一股新锐热潮，它基于模型的编程思路使得软件硬件解耦成为可能——这将打破生产线改动时所形成的漫长的调试切换。而施耐德似乎全力拥抱这种新的自动化规范，在整合了老牌Modicon和TE的PLC产品后，已经将Unity Pro软件作为未来中高端PLC的统一平台。
国产的路径
中国制造一向以低成本而著称。这听上去像是说，凡是低成本制造，中国所向披靡。然而，还真不是这样。在自动化领域，可编程控制器PLC以其编程简单、成本低廉一直是稳稳的常青树产品。但这个领域，中国PLC制造商，还没有形成决定性的力量。
可喜的是，这期间有很多挑战者。和利时、浙大中控凭借早先在过程自动化控制市场的积累，加上南大傲拓，在大型PLC领域也都有一些突破。但在离散制造业的PLC，尚未形成真正的挑战。目前看上去深圳汇川和无锡信捷，已经有不错的表现。但根据智研咨询的报告，在2019年，这两者加起来的市场份额，在整个国产品牌中也只有5%。
被称为小华为的汇川正在积极突围PLC领域。2020年汇川收入不到120亿，但目前市值已经接近2000亿。真是惊人的溢价。那么汇川能在PLC领域，杀开一条血路吗？
从既有的路径来看，德国倍福，奥地利贝加莱的思路，是往高端做的突破口。剩下的两条路，无论是做工艺配套，还是硬件成本血拼，都是比较狭窄的道路。
就中低端控制系统，各家自动化厂商，都会有自己的硬件。如和利时，中控等企业，工程项目依然很重。要养活庞大的的工程实施团队，继续血拼控制系统是必须的。
汇川更是有这方面的动力的，它要为自己的伺服和变频器而战。目前看上去，汇川的产品还是过于零散，小诸侯太多，但还缺乏强有力的粘合剂，能够将不同的驱动、伺服产品、控制系统整合在一起。最好的方法，当然还是软件平台。正如西门子的策略，采用TIA博途，将各个产品连接在一起。施耐德电气也很好地利用了Eco Sturxture的平台力量，将所有变频器、PLC、人机界面甚至低压电气，都统合在一起。
实际上， PLC硬件背后，还有一个沉默的尖刀：那就是软件编程平台。
这是一个狭小的市场。能够符合开放式PLC的61131-3编程平台，绝大部分都留给了3S公司的Codesys，和另外一个相对不知名的一方梯队Infoteam。作为第三方的PLC编程软件，Codesys是控制系统的隐者。像倍福、施耐德电气都有Codesys的影子。以电气连接见长的菲尼克斯则收购了另外一家KW编程平台，该平台正是三菱PLC进行二次开发的基础。而罗克韦尔则花费大气力开发了自有的编程平台。可以说，在自动化圈子里，看上去体量有些单薄的罗克韦尔（2020年营收为63亿美元），是最注重自我平衡的一家公司。为了避免各种眼红的自动化巨头的并购，罗克韦尔极尽腾挪之术，在外部构成了各种联盟。而在内部，则非常注意加强软件部门的投入。
实际上，让汇川最难受的应该就是它也坐在了Codesys的椅子上。太师椅，还是老虎椅，只有汇川自己知道，但看上去它也要向这种如坐针毡的局面告别了。然而，要彻底摆脱Codesys编程环境，还是路途遥远，不见星光。
小记：OT不点头，IT莫进来
借助于工业现场的复杂性，和恶劣的环境——现场的油气似乎让白领IT人员望而却步，自动化厂商，已经证明了它可以继续在数字化制造中大浪中闪闪发光。而PLC这个半百老翁，更是精神抖擞地挺直了腰杆。物联网，工业软件都让它变得更加强壮，进一步确立了它在自动化领域的中心位置。如果不能进入控制领域，工业互联网就没有进入主战场。PLC就是这样一个标杆。而四面八方的制造信徒，则有足够多理由继续向它的地盘发起进攻。
鸣谢和利时的丁研、奥特思的张海伟、致迪的周舟给予的大力支持。
如何妙用PLC的掉电保持寄存器
电气工程师在PLC维修工作中发现，小型的PLC控制系统在设计的时候，为适应生产过程的需要，常常需要在PLC外部改变PLC内部的数据，譬如Counter,Timer或者Data的值。同时还要求这些数据在系统关机以后，还能继续保存在PLC内部，这样的话这些数据在下次开机后，还可以被调出来继续使用。
在PLC维修工作中，我们有一种方法可以解决这种问题，希望能给大家提供一些有价值的参考。
现在许多小型的PLC都不同程度地提供了掉电保持寄存器，以便在PLC断电的时候，保存用户想要保存的数据。但大多数时候，PLC制造厂商为了节约成本，没有提供足够数量的掉电保持寄存器供系统设计人员使用，所以当被调整的数据项目超过PLC内部的掉电保持寄存器的数目的时候，我们只能减少被调整的数据项目（固定或不用）或者购买具有更多掉电保持寄存器数目的PLC。这样，就降低产品档次或增加成本，使得生产机械缺乏灵活性和适应性线路板维修。
实例：
松下FP0－C16TPLC，被调整数据是16个，PLC内部掉电保持寄存器数目是10个，包括8个数据寄存器（8个DT1652－DT1659，16Bit）和2个字的内部继电器（WR61、WR62，16Bit）。如果按常规的一个被调整数据占用一个数据寄存器的方法，这显然不能调整16个被调整数据，而只能调整10个被调整数据。于是，我们分析了16个被调整数据的数据调整范围，发现这些数据的调整范围多半只需要从0～255，即0～28-1；而掉电保持数据寄存器DT1652等内部的数据大小为216-1，即256×256-1；所以我们可以将一个被调整的数据只用到数据寄存器的低8位，DR维修那么该数据寄存器的高8位就可以来存储另一个被调整数据。
列出该部分的PLC维修程序：
1、开机之后，将另外两个数据寄存器的数据合并至掉电保持寄存器的高8位和低8位：
R9014是松下FP0系列PLC内部所规定的、在PLC从program状态到run状态时、第二个PLC扫描周期开始动作的脉冲继电器。
指令F66是一个字或指令，将一般数据寄存器DT20内的数据与一般数据寄存器DT0内的数据进行字或，结果送掉电保持寄存器DT1655。指令F121是一个不带进位左移指令，K8即左移8位。
2、开机时，分开掉电保持寄存器中高8位和低8位至另外两个数据寄存器：
其中，R9013是松下FP0系列PLC内部所规定的、在PLC从program状态到run状态时只动作一个PLC扫描周期的脉冲继电器。
指令F65是一个字与指令，它的作用就是将掉电保持数据寄存器DT1655内的数据与十六进制数FF进行字与，然后将结果送到一般数据寄存器DT0，这样就可以分离出掉电保持数据寄存器DT1655内数据的低8位；同样第二行的字与指令可以分离出掉电保持数据寄存器DT1655内数据的高8位。
指令F120是一个不带进位右移指令，即：对数据字进行右移时，对高位进行补零。K8表示右移8位。
指令F0是一个字传送指令，就是将一般数据寄存器DT10内的数据传送到一般数据寄存器DT1。
上述程序段的目的就是在开机时将掉电保持数据寄存器DT1655内的数据分成两个被调整数据。上海三广数码科技有限公司在维修行业优势明显，除了强大的技术力量，还和香港恒发科技有限公司合作，彻底解决了集成电路、偏冷门芯片、电流传感器、电压传感器、电流变送器、电压变送器、开关电源以及各种常用电子元件的供应问题。
由上的PLC维修步骤可以看出，在PLC运行的时候，可以任意改变一般数据寄存器DT0和DT1中的数据，而这些改变也同时送到了掉电保持寄存器DT1655，这样，当PLC掉电时，所被调整的数据也就被保存了。
在平时的PLC维修工作中，通过同样的方法，我们可以视被调整数据的大小，灵活的使用掉电保持寄存器的每一个Bit位，这样我们在PLC维修时就可以在不增加成本的情况下，提高小型PLC控制系统的性能。
在自动控制中，常常要用到时钟和时间的控制。比如学校上下课的自动打铃和自动控制设备按H期和时间的控制。有的PLC有实时时钟功能，本文拟以各类PLC如何设置与显示时间，如何实现时间控制，谈点浅显的见解
1、时钟的校时与时间数据的调用
1.1无时钟功能的PLC
PLC的时钟建立无机内时钟的机器获得时钟控制功能，1I要自己编一段时钟程序，如希望编程前先选好存锗年．月、日、时、分、秒的存储单元，然后利用机内时基作为标准计时脉冲，例如用秒脉冲将秒工作单元加1，加到60s时回零，并向分工作单元进1苒撞l小时6O分，1天24小时，太月3l天，小月粥天，毒舞羹最，闰年2月加1天，1年l2个月的规律设计时钟程序。这种自制时钟的校时及时间数据取用和机内自带时钟类似，不再赘述东芝CT维修。开接来保让红、绿灯发H{闪光．
1.2具有时钟功能与时钟指令的PLC
有不少PLC具有时钟功能及相关指令，如西门子公司的LOGO!三菱公司的a控制器等微型机种,这类机器在上电后机内时钟就自动进入运行状态，且可在本机自带的显示屏上显示和设定时间值。图1是LoGO!使用阉形编程语言完成的一段程序。图中标的方框在LOGO!指令中称为时间开关，可以同时有多组时间设定
该程序中时间开关的设定值为周一到周五09：00变为ON，18：30变为OFF；周六14：30变为ON，22：30变为OFF；周日7：30变为ON，2：30变为
OFF，即是一个开关用于3种不同时间段控制的例子。此外，LOOO!还有年时钟指令，可用于月、目类时间的控制。在这类PLC中，时间段的设定及机内时钟的校正可畎使用本机配带的编程按钮，就象调节电子手表一样方便。
西门子公司生产的$7-200、s7—300系列PLC也有时钟功能。与LOGO!不同的是在使用时钟功能时要先将实时时间值传送到一定的数据单元，并使用设置时钟指令将这些存储单元指定为时钟的年、月、日、时、分、秒、星期的专用单元。经这样设定后这些单元的数值就按时间的变化规律变化。在需要使用时间信息时，还需要使用读时间指令将时间值读到一定的存储单元里去才能使用。X光机维修图2是一段PLC的时钟建立及读出的实例程序
程序中的VB210~VB217这8个存储单元事先已送入了一定的时间数据。这种时钟的校时可通过向这些存储单元送入新的时间数据来实现。在只涉及小时及分、秒的时间控制中，可采用定耐棱时的方法在机器的输入口上接一个校时按钮，在软件中编写一段传送校时时间数据的程序，并用这个按钮作为程序的执行条件。规定上午8时为校对时间，在标准时间为8点时，按一下校时按钮就可完成校时功能。要实现随机校时功能需要增设专用的数据输入设备，如编程器矩阵开关、数据单元或图形单元等变频器维修。
1.3事故音响信号
当QF由继电保护动作跳闸时．为了引起值班人员的注意，特装设了蜂吗器。为了避免在手动跳、合闸及自动重合闸时起动事故音响装置．在实际中利用控制开关内两对接点相串联的方法．即1—3与19—17只在合闸后才接通电源维修，其宗状态均同时接通的原理来实现的。
2、闪光信号
目前现场闪光信号是由闪光继电器提供，而改用PLC后，闪光信号只需用其内部的2个定时器构成振荡电路即可实现，从而省去了外部接线的麻烦
3、预告信号
预告信是为了帮助值班人员判断故障设备及其性质，以便及时采取措施加以处理，防止事故进一步扩大为了节约PLC的接点，用预告信号出口继电器的接点驱动PLC输八端X(x)，输出端Y(Y．)、Y．驱动或间接驱动光字牌和警铃
结论
由于PLC性能非常优越．从而使中央信号动作的准确性和可靠性得保i止。虽然PLC的价格比目前现场使用的ZC-23型冲击继电器高，但其使用方便，维护工作量少，且二次回路简单
本次实验虽未能输A、输出更多的事故及预告信号但就所输入的信进行验证，其输出结果完全符合现场要求。若投入应用，只需将PLC的触点通过扩展单元和扩展模块进行扩展，或者直接选用多I／0的PLC即可。
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