浅谈PLC与运动控制器

一、什么是运动控制器

运动控制器就是控制电动机的运行方式的专用控制器：比如电动机在由行程开关控制交流接触器而实现电动机拖动物体向上运行达到指定位置后又向下运行，或者用时间继电器控制电动机正反转或转一会停一会再转一会再停。运动控制在机器人和数控机床的领域内的应用要比在专用机器中的应用更复杂，因为后者运动形式更简单，通常被称为通用运动控制（GMC）。

运动控制器是一种电子设备，通常与运动控制软件配合使用，用于控制机器人、数控机床和其他自动化设备移动或执行各种任务。



图1

运动控制器的工作原理是将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置（点位、运动轨迹、插补等）控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制。

广义的运动控制器按结构分类可分为PLC可编程逻辑控制器、单片机控制器、独立式运动控制器、基于PC机的运动控制卡、网络控制器等。

运动控制器主要分为三类，分别是PC-based（工控计算机）、专用控制器、PLC。其中，PC-based 运动控制器是一种基于个人计算机的开放式运动控制系统，它具有灵活性和可扩展性，但需要较高的技术水平；专用控制器是一种针对特定应用场景而设计的专用控制器，它具有较高的可靠性和稳定性；PLC 运动控制器则是一种基于可编程逻辑门阵列(PLC)的通用型控制器，它具有较高的性价比和适用范围广的特点。

运动控制器和PLC都是自动化控制系统中的重要组成部分，你中有我，我中有你，但它们的应用场景和侧重功能有所不同。运动控制器主要用于控制步进电机、伺服电机等运动部件，而PLC则主要用于控制逻辑电路、人机界面等。

二、运动控制器的特点

（1）硬件组成简单，把运动控制器插入PC总线，连接信号线就可组成系统；

（2）可以使用PC机已经具有的丰富软件进行开发；

（3）运动控制软件的代码通用性和可移植性较好；

（4）可以进行开发工作的工程人员较多，不需要太多培训工作，就可以进行开发。

三 常见的运动控制类型

点运动控制：即只需要终点位置，与运动的中间过程即运动轨迹无关。 相应的运动控制器要求定位速度快，在运动的加减速段采用不同的加减速控制策略。 为了使系统快速加速到设定速度，往往提前系统增益和增加加速度，在减速结束时采用S曲线减速控制策略。为了防止系统振动到位后，规划到位，将适当降低系统增益。因此，点运动控制器通常具有在线控制参数和变量和减速曲线的能力。

连续轨迹运动控制：这种控制也称为轮廓控制，主要用于传统的数控系统，运动轮廓控制的切削系统。相应的运动控制器解决的问题是如何使系统在高速运动的情况下，既要保证系统加工轮廓的精度，又要保证刀具沿工件的轮廓运动。切削速度恒定。加工小段时具有多种程序预处理功能。

同步运动控制：指多轴之间的运动协调控制，可以在整个运动过程中由多轴同步，也可以在运动过程中局部速度同步，主要用于需要电子齿轮箱和电子凸轮的系统控制功能。工业有印染、印刷、造纸、轧钢、同步剪板机等行业。相应运动控制器的控制算法常采用自适应前馈控制，自动调整控制量的幅值和相位，保证控制函数与干扰幅值相等，与进气端相位相反，从而抑制周期性干扰，保证系统同步控制。

四、什么是PLC

可编程逻辑控制器是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，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，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。

五、PLC的特点

（1）可靠性高。由于PLC大都采用单片微型计算机，因而集成度高，再加上相应的保护电路及自诊断功能，提高了系统的可靠性。

（2）编程容易。PLC的编程多采用继电器控制梯形图及命令语句，其数量比微型机指令要少得多，除中、高档PLC外，一般的小型PLC只有16条左右。由于梯形图形象而简单，因此容易掌握、使用方便，甚至不需要计算机专业知识，就可进行编程。

（3）组态灵活。由于PLC采用积木式结构，用户只需要简单地组合，便可灵活地改变控制系统的功能和规模，因此，可适用于任何控制系统。

（4）输入/输出功能模块齐全。PLC的优点之一，是针对不同的现场信号（如直流或交流、开关量、数字量或模拟量、电压或电流等），均有相应的模板可与工业现场的器件（如按钮、开关、传感电流变送器、电机启动器或控制阀等）直接连接，并通过总线与CPU主板连接。

（6）运行速度快。由于PLC的控制是由程序控制执行的，因而不论其可靠性还是运行速度，都是继电器逻辑控制无法相比的。近年来，微处理器的使用，特别是随着单片机大量采用，大大增强了PLC的能力，并且使PLC与微型机控制系统之间的差别越来越小，特别是高档PLC更是如此。

六、运动控制器与plc的比较

运动控制主要涉及步进电机、伺服电机的控制，控制结构模式一般是：控制装置+驱动器+（步进或伺服）电机。

控制装置可以是PLC系统，也可以是专用的自动化装置（如运动控制器、运动控制卡）。PLC系统作为控制装置时，虽具有PLC系统的灵活性、一定的通用性，但对于精度较高，如插补控制，反应灵敏的要求时难以做到或编程非常困难，而且成本可能较高。

随着技术进步和技术积累，运动控制器应运而生了，它把一些普遍性的、特殊的运动控制功能固化在其中—如插补指令，用户只需组态、调用这些功能块或指令，这样减轻了编程难度，性能、成本等方面也有优势。

也可以这样理解：PLC的使用是一种普通的运动控制装置。运动控制器是一种特殊的PLC，专职用于运动控制。

PLC 及运动控制器发展到今天，它们在功能、性能上已经非常接近了。只是形式上它们大多数仍然保留了原有的特征，即：运动控制器主要面向运动控制系统，伺服轴（运动轴）是它的主要控制对象；PLC 主要面向逻辑控制，IO（Digital 或 Analog）是它的主要控制对象。同时，大家也看到了运动控制器也有较强的 IO 能力，而 PLC 也具备运动控制的功能。

下面从以下几个方面分析一下：

1、从编程语言来看，IEC61131-3 已经是这两类控制器的标配，仅其扩展的语言模块可以反映其应用的倾向性;两者之间最大的不同是两者具有不同的编程接口，使得它们具有不同的功能。PAC通常使用C或C ++进行编程，因此具有开放式体系结构并采用模块化设计；而PLC通常使用Ladder Diagram(梯形图)等低级语言进行编程,程序执行简单，可以以有限的内存以及离散的输入和输出运行程序。

2 由于运动控制器的模块提供了易于编程的功能，因此很容易将组件从PAC中装卸。同时，简化的编程使其能够监视和控制成千上万个输入/输出（I / O）。

而PLC是依赖电缆的控制系统，添加设备会增加额外的布线。使用传统方法很难在紧凑的端子中布线，所以制造商现在使用的是预制电缆组件，而不是离散的点对点布线。

简而言之，PLC和PAC的存储容量和分布式I / O都在不断进步，以适应工厂的需求。此外，现代的PLC和PAC通过工业物联网连接，以确保数据的实时传输。随着通过IoT连接的设备的集成，制造过程更加简化，并提供了更好的网络连接性。

3 控制对象不同：运动控制器主要控制运动部件，而PLC主要控制逻辑电路和人机界面。

PLC在小型自动化任务中表现良好，例如单机控制（使用触发器进行开和关）或小规模的楼宇自动化（照明，温度控制等）。所以，PLC是一种自然且具有成本效益的选择。PAC则倾向于更复杂和大规模的自动化架构，特别适合于多域监视和控制。如先进智能的过程控制、运动控制、驱动控制、视觉应用程序和HMI等，既可以在单个平台上运行，也能同时使用基于PC的软件进行编程、监视和收集数据。

4 控制方式不同：运动控制器通常采用脉冲输出或方向输出等方式进行控制，而PLC通常采用开关量输入和输出进行控制。

5 从性能来看，两者应该是不分伯仲。PLC 有已发展为 PAC（Programable Automation Controller）的，处理器性能非常强大，可作为多领域控制器；运动控制器也有从嵌入式一直到 IPC，能控制非常多的伺服轴，完成复杂的插补运算已不是问题。

6、从发展趋势来看，PLC 与运动控制器仍然基于自己的特征在发展，并没有看到明显的被另一种所替代的趋势。对运动控制来说，通常三个领域：CNC、RC（Robot Control）和 GMC（General Motion Control）。除了在 GMC 中普遍可以看到 PLC 的身影，CNC 与 RC 仍然是以运动控制器居多，因为这两类应用 IO 通常不是主角。

真正的区别在于应用的倾向性，这使他们在形式上（端口配置、安装、接线方便性等）显出差异、在任务优先级处理上有差异，以便更好地服务于它针对的应用。

另外，性价比也是用户选型主要考虑的因素，满足应用需求的同时做到成本最优，也是以运动控制轴为主的控制器与以 IO 为主的控制器（PLC）仍然同时存在的理由。从技术发展来看，许多公司更倾向于在 ISA95 的 Level 2 层面配置专业的控制器与边缘控制/计算单元搭配，来实现高性价比、模块化、可扩展性及互操作性。

运动控制器和主打运动型 PLC 的差距在哪里？

运动控制器与 PLC 都有超过 40 年的历史，相比较而言 PLC 的历史更久远。Galil 公司的运动控制器从 1983 年开始，Delta Tau 公司的运动控制器从1981 年开始，TRIO 公司的运动控制器从 1987 年开始。Modicon 公司 1968 年推出 Modicon 084，西门子公司 1983 年发布 Simatic S5。

以运动控制器为代表的厂家更关注运动控制本身，PLC 的应用对象更多，运动控制只是 PLC 关注的一个部分。PLC 所面对的运动控制都相对简单，运动控制器所面对的运动控制则更复杂一些。

以倍福和贝加莱为代表的 PC based 的控制器，慢慢融合了 PLC 和 PC 的优点，形成了新一代的控制器，代表着控制领域的产业方向，特别是倍福以开放式开发平台为载体，兼容并包 PLC、NC、CNC、Robotics、Vision 和 IoT 等技术，这是产业发展与需求的大趋势。

从运动控制的角度来看，运动控制器和主打运动型的 PLC 在基础的运动控制方面的差距在缩小，但是运动控制器在运动控制这一块的积累与应用场景还是更深厚一些。