可编程逻辑控制器 (PLC) 的曾经那道曙光

可编程逻辑控制器 (PLC) 更像是一种技术演进，而非一次彻底的开发。关于其起源，值得一提的是，三家独立的公司几乎同时但彼此并不知情地追求着非常相似的概念。 

这三家公司分别是位于马萨诸塞州贝德福德的 Bedford Associates、位于爱荷华州贝坦多夫的 Struthers-Dunn Systems Division 和位于密歇根州伊普斯兰蒂的通用汽车 Hydra-matic Division。 

Bedford 和 Struthers-Dunn 是自动化供应商，而 Hydra-matic 生产汽车变速器。Hydra-matic 对开发工业控制器以改进生产操作有着浓厚的兴趣。为此，Hydra-matic 与两家计算机技术公司合作并共享信息 - Digital Equipment Corporation (DEC) 和 Information Instruments Incorporated (3-I)。

 DEC 和 3-I 为 Hydra-matic 制造了原型装置，因此总共有五家公司通过三条不同的途径参与开发基于数字且易于编程的工业控制器。在 1967 年至 1971 年期间，这三条途径分别进行了 PLC 概念、原型制造和测试以及工厂评估。 

时机并非随机。20 世纪 60 年代初期至中期，固态电子、计算机和数字信号处理的快速发展为 PLC 提供了技术基础。1960 年代的另一系列产品与最终的 PLC 功能有关，称为程序控制器。这些产品主要是用于简单系统操作或作为更复杂系统的组件的定时和排序设备。这些设备有足够的市场来吸引行业媒体的关注。 

Modicon的出现

 Bedford Associates 成立于 1964 年，由 Dick Morley 和 George Schwenk 创立，是一家新英格兰控制系统工程公司。他们的主要客户是新英格兰机床制造商，这些制造商面临着来自欧洲和日本机床供应商日益激烈的竞争；此外，他们还需要改进机床性能和数控选项。此外，机床制造商及其客户也对利用新型小型计算机为高吞吐量生产线带来的好处非常感兴趣。 

在完成了几个使用微型计算机控制的机床系统项目后，Morley 对启动系统通常需要 6 个月的编程和调试感到恼火。到 1967 年，他开始采用“想象工程”方法构建一个更加用户友好、类似计算机的控制单元，该控制单元可以轻松编程和重新编程。贝德福德的员工在工厂运营方面经验丰富，他们曾在恶劣的工厂环境中工作过。

 据莫利说，他的想法是在 1968 年元旦那天，当时他正在散步，以消除前一天晚上除夕晚会的影响。事实上，他那份长达 12 页的概念备忘录的日期是 1968 年 1 月 1 日。贝德福德小组在 3 月就已制造出原型并投入运行，4 月，新装置（他们将其昵称为“愚蠢”）在兰迪斯机械公司的一次演示中进行了展示和描述。这次演示受到了热烈欢迎，随后向布莱恩特磨床公司和其他几家潜在客户展示了新的控制器。这些联系和来自机器制造商的反馈的主要结果是决定使用梯形逻辑进行编程。 

1968 年 5 月，Bedford 销售经理 Lee Rousseau 参加了在费城举办的年度西屋机床论坛。通用 Hydra-matic 公司的 Bill Stone 是演讲者之一，他介绍了 Hydra-matic 部门的标准机器控制器概念，其中包括所需的性能规格。Bedford 原型工厂控制器与 Stone 设想的标准控制器概念完美契合。 

Rosseau 在观众席中激动不已，喃喃自语道“我们已经有了一个”，并计划尽快参观 Hydra-matic 工厂。Bedford Associates 成为第七家获得标准机器控制器规格的控制公司。对底特律地区的访问彻底改变了 Rosseau 的市场认知，并提出了一项单独的制造业务。Bedford Associates 仍将是一家工程服务提供商，新制造公司名为Modicon — 模块化数字控制器的缩写。     

Struthers-Dunn出现

作为一家主要的继电器供应商，Struthers-Dunn (SD) 深知在大批量汽车生产中，基于继电器的控制存在着长期存在的问题。除了种类繁多的继电器产品外，SD 还因向许多控制系统工程师和技术人员提供袖珍手册《继电器工程指南》而享有盛誉。 该指南讲授了继电器逻辑，并绘制了巧妙的继电器应用图。 

SD 在爱荷华州贝滕多夫设立了系统部门，开发固态逻辑设备和数字控制器。1967 年，该部门聘请了 Pete Bartlett，他是一位经验丰富的电子工程师，曾为 Eagle Signal 开发二极管矩阵电路。Bartlett 开始开发专用的工业逻辑计算机。1968 年，他与 Ingersoll Engineers 就福特生产线应用进行了联系。

 巴特利特的两名工程同事跟随他加入了 SD Systems。Eagle Signal 的母公司（Gulf + Western）发起了商业机密诉讼。这禁止巴特利特的新团队进一步开发，直到诉讼解决——大约一年后。 

在此期间，Ingersoll 求助于 DEC 来满足其生产线控制器需求。诉讼延迟后，Bartlett 的团队恢复了“工业逻辑计算机”的开发。他们及时制造了一台原型机（名为 VIP），并在 1970 年的机床展。1971 年，福特芝加哥高地冲压厂安装了 VIP 进行现场测试评估，并运行了数年。VIP 于 1972 年开始销售。 

Hydra-matic的出现

20 世纪 60 年代末，位于密歇根州伊普斯兰蒂的通用汽车 Hydra-matic 分部每年生产超过 200 万台变速箱。加工和组装零件时，需要使用长而复杂的传输线。    

其中一条用于将毛坯铸件转化为成品变速箱的生产线长 420 英尺，拥有 58 个工作站和 329 把切削工具。 

传输线的控制由相应的控制柜线（通常每台机器一个控制柜）控制，其中装有继电器、电机启动器、定时器、定序器等。处理高压线路电源、过热、电弧、电磁噪声以及有限的继电器和组件可靠性通常会导致控制组件故障。一条生产线的停机成本估计为每分钟 1600 美元（每小时 96,000 美元）——以 1965 年的美元计算，当时新车的售价约为 5,000 美元。 

与大多数汽车行业一样，通用汽车在机械和设备升级方面投入了大量资金，以提高质量和生产率。为了更好地监控生产和处理制造数据，Hydra-matic 在 1965 年至 1969 年间安装了三套小型计算机系统，并计划安装第四套。其中两套是 IBM 1800。第一套监控 24 个测力计测试台，第二套监控变速箱装配线。   

第三台微型计算机是 Varian 620i，用于控制前进离合器装配机。所需的接口电子设备由长期的 Hydra-matic 承包商 Information Instruments 开发。3-I 总裁 John Dute 亲自负责接口工作，他认为，这个项目是世界上第一个计算机控制的装配操作。 

微型计算机系统运行良好，Hydra-matic 管理层通过记录的废品减少、故障排除更好、废品更少等证明了成本的合理性。然而，传输线上的继电器面板控制仍然是主要的维护难题。继电器本身消耗电力并产生热量；触点开始反弹，控制元件短路造成严重破坏。从操作员和现场电工到高层管理人员，整个 Hydra-matic 员工都希望摆脱继电器面板。 

该部门来自多个小组的许多工程师正在交换想法，推动一种小型、简单的机器控制器的概念，该控制器将取代继电器。关键人物包括测试主管 Ed O'Connell、系统工程师 Jim Bevier 以及控制工程师 Dave Emmett 和 Len Radianoff。一个项目由过程控制组授权，由 Ed Clark 领导。工作人员与 3-I 的 John Dute 和 DEC 代表 John Dumser 分享了控制器的兴趣。两人都提出了想法和建议。据报道，通用汽车员工倾向于选择 DEC——凭借其地位和小型计算机的记录——作为设想中的机器控制器的首选供应商。

 1968 年 3 月，Jim Bevier 为标准控制器的 I/O 结构准备了草图和图表。4 月，Dave Emmitt 建议采购和使用指定的标准机器控制器。该建议得到了部门机器和齿轮开发主管 Bill Stone 的认可。5 月下旬，Stone 在费城举行的年度西屋机床论坛上发表了一篇论文，介绍了标准机器控制器的概念和初步规范。   

Hydra-matic 标准机器控制器规格的关键项目包括以下内容：

 该装置采用模块化结构，可在受附近高压和振动影响的工厂环境中运行。内置隔离装置可接受 120 VAC 数字信号，并提供至少 16 个 120 VAC、4 安培输出。

使用固态元件，它将具有 32 个输入（可扩展到 256 个）和 16 个输出（可扩展到 128 个）。由于系统电源故障长达 12 小时，存储的信息或程序不会发生更改或丢失。

它可以轻松编程和重新编程。它将具有至少 1K 的内存，可扩展至 4K。

它能够处理八个同时计时功能，计时范围可在 0.1 到 10 秒之间调节。

征集的“标准机器控制器”的最终版本于 6 月初完成，并提供给了四家供应商——Allen-Bradley、DEC、3-I 和 Century Detroit。后来，Cutler-Hammer、Cincinnati Milling Machine 和 Bedford Associates 获得了副本。在这七家供应商中，只有三家——DEC、3-I 和 Bedford Associates——提供了原型控制器以供评估。

 规格评审、电路板和硬件设计、提案准备、建造和测试耗费了近一年的时间。1969 年 6 月交付的第一台设备是 DEC PDP-14，安装用于控制齿轮磨床。夏末，3-I 交付了他们的设备，称为 PDQ-II。PDQ 代表程序数据量化器，3-I 设备安装用于控制装配机的一部分。最后是 Bedford Associates（现称为 Modicon）。他们的设备于 11 月交付，是 Bedford 1969 年的第 84 个项目，因此命名为 084。与 DEC 设备一样，它被安装用于替换控制齿轮磨床的继电器面板。        

 原型控制器表现良好，引起了通用汽车内部以及自动化供应商和制造工程服务公司的兴趣。

 作为原型供应商和 Hydra-matic 承包商，3-I 总裁 John Dute 或许对新控制器的市场潜力有着最具战略眼光的见解。Dute 意识到他的小公司缺乏成为有力竞争对手所需的资源，最终 Allen-Bradley (AB) 表示有兴趣提供所需的支持。Allen-Bradley 购买了 3-I 25% 的股份、PDQ-II 控制器的营销权以及收购 3-I 的选择权。AB 行使了他们的选择权并于 1969 年底收购了 3-I。 

演出及宣传

据 Hydra-matic 管理层称，所有三台原型机均符合规格，并一直运行到 1970 年。5 月，Bill Stone 在匹兹堡举行的 1970 年西屋机床年度论坛上发表了一篇后续论文。新控制器的介绍几乎完全基于 DEC PDP-14 装置，因为它已经运行了近一年。

 Stone 的幻灯片显示，每 100 次机器输入，其继电器控制平均每月发生 26 次控制故障。早期使用控制器可将故障减少约三分之二，预计每 100 次机器输入每月发生 8 次故障。与电气维修的每月维护时间相比，传输线继电器控制每 100 次机器输入每月大约需要 26 小时。使用标准机器控制器，所需的电气维护时间减少了一半，每 100 次机器输入每月只需 13 小时。

 此时，许多汽车制造工程和管理人员都开始熟悉标准控制器项目——通过行业小道消息以及大量技术论文介绍。制造工程公司和自动化供应商对此尤其感兴趣。GE 和 Square D 很快分别与 Modicon 和 DEC 达成了营销协议。Square D 获得了 DEC PDP-14 的营销权，而 Modicon 将 084 私下标记为 GE PC-45 控制器。

 有七家公司迅速做出反应，在 1970 年机床展上展示了新的 PLC，这表明标准机器控制器在汽车行业引起了广泛关注。这发生在 Bill Stone 的论坛演讲和初步Hydra-matic 工厂 beta 现场评估。此外，Struthers-Dunn Systems 已恢复其研发项目并在展会上展示了 VIP 装置。展出的公司及其相应产品包括： 

1970 年至 1971 年，Hydra-matic 工厂持续进行性能评估。

 随着不断积累的操作经验，Modicon 084 成为工厂工程师和电工的首选控制器。首先，Modicon 采用梯形逻辑编程，而 PDQ-II 和 PDP-14 程序则采用布尔值编写。这对于计算机工程师来说没问题，但普通工厂工程师和电工了解梯形，并能轻松适应 084。其他 PLC 制造商很快效仿 Modicon 并提供梯形逻辑。

 084 编程相对简单。用户只需插入编程单元、选择合适的软件模块并键入梯形图即可。Modicon 还为用户提供了编程和故障排除支持的电话服务。在早期基于贝德福德机床项目的采访中，Dick Morley 表示，他们的新 PLC 将编程时间从 6 个月缩短到了 6 天。

 相比之下，为了重新编程 PDQ-II，需要编写一个布尔程序，使用微型计算机接口从电传打字机打孔纸带。使用特殊的加载器来加载程序。PDP-14 也需要在打孔纸带上使用布尔程序，并使用编织钢丝绳电路板内存。将新程序、纸带和内存板送回 DEC 进行程序更改 — 大约需要一周的周转时间。 

PDQ-II 和 PDP-14 于 1971 年被替换。084 继续服役了 10 多年。Hydra-matic 最终将最初的 084 归还给了 Modicon，并在史密森尼博物馆展出。

2024年8月