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初步認識 PLC 和 MCU----林雲生VR2CQ(中無通訊 第94期)

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發表於 8-1-2021 16:59:03 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
本帖最後由 VR2ZWP 於 9-1-2021 10:00 編輯

                    本文原刊於 中無通訊 第94期 2021年1月版。

PLC:Programmable Logic Controller 可編程邏輯控制器
MCU:Microcontroller Unit 微控制單元,即單片機 Single Chip Microcomputer

       上世紀六十年代,電子業仍然未有像今天的進步,當時的PLC在功能上,體積上都只是雛形,所以在發揮上仍有局限,加上當時的電子、電腦知識、技術仍未普及,在學習上有一大段空白期。隨著各方面的進步,工業的自動化驅使,PLC又有一個普及使用的路向。近年電子技術的進步,許多元件都有突破性的發明,伴隨著PLC就有變頻器和觸摸屏的出現,所以在學習路上又多了幾個岔口。

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       國內由於經濟開放後,在各方面的技術需求亦隨之要求更多、層面更廣濶,尤其是工業自動化,更使學習PLC的人數幾何級地遞增,因為懂得PLC的電工,在收入上是比較佔優,若然懂得變頻器和觸摸屏的更可進身為工程師。
既然需求大了,去學習這門技術總不會吃虧的,那又如何開始入手呢?

       首先,學習前需要有個心理準備,PLC是一種易學難精的東西。當入門後,簡單的控制是很容易學到的,跟著而來的就是比較複雜的控制,那就要有一定程度的週邊知識,例如:電腦結構的知識,基本電子常識,數制的轉換,電腦的運用等。當遇到難點時,請教一下熟習的人仕,不要因此而放棄。另一個重點就是要有一個PLC作為實習之用,因為電腦模擬是有機會出現假象而給你錯誤的結果。
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       文章寫到這裡,忘記了告訴大家,近期安裝了個電話軟件"抖音",發覺有很多高手將PLC的教授短片放上這個平台,可見國內對PLC的需求有多大。
以下簡述有關這兩個項目的特點:

1. PLC是應用單片機構成的,比較成熟的控制系統,是已經調試成熟、穩定的單片機應用系統的產品,有較強的通用性。
2. 而單片機可以構成各種各樣的應用系統,使用範圍更廣。單就「單片機」而言,它不只是一種集成電路,還必須與其它元器件及軟件構成系統才能應用。
3. 從工程的使用來看,對單項工程或重複極少的項目,採用PLC快捷方便,成功率高,可靠性好,但成本較高。
4. 對於量大的配套項目,採用單片機系統具有成本低、效益高的優點,但這要有相當的研發力量和行業經驗才能使系統穩定。

       從本質上說,PLC其實就是一套已經做好的單片機系統。開發工程師為PLC設計了一套簡單的編程系統,再開發了配套的編程軟件,使用簡單的編程語言替代了計算機的基礎語言,使得應用編程大為的簡化。PLC廣泛使用梯形圖、語句表、函數塊等編程語言代替計算機語言,對編程有一定的優勢。你可以把梯形圖理解成是與匯編等計算器語言一樣,是一種編程語言,只是使用範圍不同,而且通常做法是由PLC軟件把你的梯形圖轉換成C或匯編語言,然後利用匯編或C編譯系統譯成機器碼,PLC運行的只是機器碼而已。梯形圖讓使用更加容易,降低了使用者的要求,縮短了開發周期。
當然也可以用單片機直接開發控制系統,但是對開發者要求相當高 ( 不是一般水平可以勝任的 ),首先需要一定的語言基礎,C語言或者匯編語言,其次還要熟悉電子電路及電子硬件,還要有很長一段時間的編程經驗積累。即使一個有經驗的工程師,也要從設計電路,編寫程序,實驗運行,再開始量產,後期還要針對工業現場反饋的問題,進行修改維護才能慢慢的穩定,開發周期長,成本高。

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        由此可見,想要學會PLC編程,並不需要太多的基礎,只需要系統的學習一下PLC編程指令及中斷、高速計數、高速脈衝、通信、模擬量等高級功能的應用,再有一定現場經驗,很快就能獨立完成小型項目的設計,對於希望從事工業自動化編程人員,學習PLC是不二之選。

       現在你知道這兩者的區別了吧?單片機可以替代PLC 嗎? 這個問題如同麵粉能代替麵條一樣,答案是否定的。第一次聽到這個答案可能很多人都有疑問,單片機明明功能那麼強大,為什麼不能取代PLC呢?那麼今天我們就來了解一下單片機和PLC分別是什麼,它們之間有什麼區別。何為單片機,何為PLC?

 樓主| 發表於 8-1-2021 17:03:23 | 顯示全部樓層
本帖最後由 VR2ZWP 於 9-1-2021 10:00 編輯

單片機 Single Chip Microcomputer

       亦稱微控制單元 (Microcontroller Unit),簡稱MCU,是一種集成電路晶片,採用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器 (Central Process Unit;CPU)、隨機存儲器(Random Access Memory;RAM)、只讀存儲器(Read-Only Memory;ROM)、多種I/O接口和中斷系統、定時器/計數器等功能 (可能還包括顯示驅動電路、脈寬調製電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路) 集成到一塊矽片上構成的一個小而完善的微型計算機系統,在各個領域廣泛應用。諸如手機、PC外圍、遙控器,至汽車電子、工業上的步進馬達、機械手臂的控制等,都可見到MCU的身影。

       單片機出現的歷史並不長,但發展十分迅猛,它和微處理器的產生與發展大體同步,自1971年美國Intel公司首先推出4位微處理器以來,它的發展到目前為止,大致可分為5個階段。
   (1) 單片機發展的初級階段(1971年至1976年):1971年11月Intel公司首先設計出集成度為2000隻晶體管/片的4位微處理器Intel 4004, 並配有RAM、 ROM和移位寄存器, 構成了第一台MCS—4微處理器, 而後又推出了8位微處理器Intel 8008, 以及其它各公司相繼推出的8位微處理器。

   (2) 性能單片機階段(1976年至1980年): 以1976年Intel公司推出的MCS-48系列為代表, 採用將8位CPU、 8位並行I/O接口、8位定時/計數器、RAM和ROM等集成於一塊半導體晶片上的單片結構,雖然其尋址範圍有限(不大於4 KB), 也沒有串行I/O, RAM、 ROM容量小,中斷系統也較簡單, 但功能可滿足一般工業控制和智能化儀器、儀表等的需要。

   (3)        高性能單片機階段(1980年至1990年):這一階段推出的高性能8位單片機普遍帶有串行口, 有多級中斷處理系統,多個16位定時器/計數器。片內RAM、ROM的容量加大,且尋址範圍可達64 KB,個別片內還帶有A/D轉換接口。

   (4)        16位單片機階段(1983年至1989年):1983年Intel公司又推出了高性能的16位單片機MCS-96系列, 由於其採用了最新的製造工藝, 使晶片集成度高達12萬隻晶體管/片。

   (5)        全方位高水平發展階段(1990年至今):到目前為止,單片機也有從傳統的8位處理器平台向32位高級RISC處理器平台轉變的趨勢,但8位機依然難以被取代。8位單片機成本低,價格廉,便於開發,其性能可以滿足大部分的需要,只有在航天、汽車、機械人等高技術領域,需要高速處理大量數據時,才需要選用16/32位,而在一般工業領域,8位通用型單片機,仍然是目前應用最廣的單片機。單片機在集成度、功能、速度、可靠性、應用領域等全方位向更高水平發展。單片機的特點是編程、維護相對複雜,編程方式常用C語言或者匯編語言,成本較低,I/O接口相對有限。
 樓主| 發表於 8-1-2021 17:09:31 | 顯示全部樓層
本帖最後由 VR2ZWP 於 9-1-2021 10:01 編輯

PLC:Programmable Logic Controller 可編程邏輯控制器

       是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作電子系統。它採用一種可編程的存儲器,在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令,通過數字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產過程。

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    (1)  穩定性與可靠性
       有人說這是個偽問題,單片機是元器件,PLC是由元器件以及龐大的軟件構成的系統,兩者在這一方面沒有可比性。
大多PLC的控制晶片實際上就是單片機,也就是說可以將PLC看成是單片機的二次開發,單論工業防護等級,單片機的穩定性和可靠性能根本比不了PLC這種IP67類的產品。
    IP為標記字母,第一標記數字表示接觸保護和外來物保護等級,第二標記數字表示防水保護等級。而且就PLC這種能應對工業惡劣環境的產品還開發出一套冗餘系統。如果穩定性與可靠性對比沒有意義,那麼我們就從其他方面分析。
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   (2)   I/O功能
       單片機的I/O點實在有限,而反觀PLC呢?針對不同的現場信號,均有相應的I/O點可與工業現場的器件(如按鈕、開關、傳感電流變送器、電機啟動器或控制閥等)直接連接,並通過總線與CPU主板連接。
       工業項目中,幾乎任意一條生產線,都有上百甚至上千I/O點,就這點單片機完全無法比擬。

 樓主| 發表於 8-1-2021 17:28:25 | 顯示全部樓層
    (3)   擴展功能
       一條完整的工業生產線除了控制,還有通信、上位、組態、運動控制與顯示等等,這些東西都需要依靠完整的工業體系與通信協議去做,例如西門子公司的PROFIBUS-DP通信、三菱重工的CC-LINK等等。
而單片機和PC、單片機和單片機之間的通信大都用串口。單片機的串口是全雙工異步通信串口,那麼像MODBUS、PROFIBUS、CAN open、以太網等通信協議,單片機是否能一一實現?或許單片機可以做到,但是這就涉及到下一個分析點,開發周期。
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    (4)   開發周期
        PLC的品牌多達200多種,幾乎每個品牌都有不同編程軟件,而且都在不斷完善自己的編程軟件,使之能夠越來越簡單的服務於電氣工程師,而各種程序塊也是越來越方便人性化的任意去調用,比如PID模塊、運動控制模塊等,大大減輕了工程師的開發壓力,也縮短了開發周期。那單片機要如何實現?沒有現成的模塊使用,那就只能開發,那麼做過非標準自動化設備的工程師都會遇到一個問題——工期不足。
PLC這種高度集成化模塊化的產品在達到滿足設備所需的開發周期,在工期面前也是捉襟見肘,更不用說如同白紙一張的單片機。

    (5)   通信距離
       現在大多數流水線是要跨區域整合與監視的,所用的通訊方式多為以太網加中繼器,或者直接走民用寬帶光纖,所用的東西到最後很可能是用的就是微軟的IE瀏覽器,很明顯PLC是有RJ-45接口,即使本體沒有RJ-45也可以配備以太網模塊,可單片機搭載的PCB板能加上這個接口然後開發出以太網通信嗎?開發需要多久?

   (6)   編程語言
       這點對單片機來講是一個優勢,同時也是一個劣勢。上面提到PLC的品牌有兩百多種,編程軟件更多,儘管大多數PLC的編程語言都大同小異,但是每接觸一款不同品牌的PLC,電氣工程師就要從PLC的硬件參數、軟元件、編程軟件等等各個方面從頭了解一次才能使用的得心應手。而單片機的編程語言用的是C語言或者匯編語言,這對於任何單片機都是通用的。換句話說,學會C語言或者匯編語言,便可以應用任何單片機開發想要的功能(前提是要有相關的電工電子學基礎)。但話又說回來,電氣工程師不是電子工程師,他們工作不是單單考慮單片機如何驅動繼電器來控制機床的,甚至有的電氣工程師都不會C語言、匯編語言之類的MCU開發語言。
       近些年,IEC-61131-3標準的推廣,越來越多的PLC支持多種編程語言,如類似C語言的ST語言,類似電路圖的CFC語言。這種便利的功能是傳統單片機開發環境真的無法實現。

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結論
       經過上面闡述,我們可以看出,PLC實際上可以看成是單片機的二次應用開發,但是它又有自己鮮明的特點。到目前為止,中國的單片機應用和嵌入式系統開發走過了二十餘年的歷程,國民經濟建設、軍事及家用電器等各個領域,尤其是手機、汽車自動導航設備、PDA、智能玩具、智能家電、醫療設備等行業都是應用了單片機。行業高端目前有超過10餘萬名從事單片機開發應用的工程師。
但是在工業控制領域,PLC佔據絕對優勢,就目前形勢(單片機的功能、穩定性、易用性、編程及維護等)來看,單片機取代PLC那將是一項不可能完成,或者說期限趨向於無窮的艱巨任務。


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