【導(dǎo)讀】本文深入探討了可編程邏輯控制器(PLC)，文中回顧了PLC在工廠自動(dòng)化中的應(yīng)用歷史和所扮演的角色，討論了PLC的基本工作原理，分析了工業(yè)控制系統(tǒng)的核心電路：模擬輸入、模擬輸出、分布式控制(現(xiàn)場(chǎng)總線)接口、數(shù)字輸入和輸出(I/O)、CPU以及隔離電源，每個(gè)章節(jié)都給出了相應(yīng)的功能框圖和推薦器件。
引言
數(shù)十年以來，可編程邏輯控制器(PLC)始終是工廠自動(dòng)化和工業(yè)過程控制有機(jī)組成的一部分。從簡(jiǎn)單的照明功能到環(huán)境系統(tǒng)、再到化學(xué)加工等各種應(yīng)用，都離不開PLC控制。這些系統(tǒng)具備許多功能，提供各種模擬和數(shù)字輸入/輸出接口、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及各種不同的通信協(xié)議。PLC的所有元件和功能都以控制器為中心，而控制器則針對(duì)某項(xiàng)具體任務(wù)進(jìn)行編程。
基本的PLC組件必須足夠靈活并可配置，以滿足不同工廠和應(yīng)用的需求。輸入激勵(lì)(無論是模擬還是數(shù)字信號(hào))來自機(jī)器裝置、傳感器或過程事件，表現(xiàn)為電壓或電流。PLC必須準(zhǔn)確地為CPU提供解析并轉(zhuǎn)換激勵(lì)信號(hào)，CPU進(jìn)而確定一組發(fā)給輸出系統(tǒng)的指令，而后者控制著安裝在工廠或另一工業(yè)環(huán)境的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
現(xiàn)代PLC起源于上世紀(jì)60年代，在隨后的幾十年中，通用功能和信號(hào)通道發(fā)生了少許變化。然而，21世紀(jì)的過程控制為PLC提出了更加艱巨的新要求：更高性能、更小體積和更大的功能靈活性。必須內(nèi)置保護(hù)功能，防止?jié)撛诘钠茐男造o電放電(ESD)、電磁干擾和射頻干擾(RFI/EMI)，以及惡劣的工業(yè)環(huán)境中常見的大幅值瞬態(tài)脈沖。
可靠設(shè)計(jì)
PLC需要在工業(yè)環(huán)境中無故障工作數(shù)年，而這種環(huán)境對(duì)于為PLC提供卓越靈活性和精密性的微電子元件有較大損害。Maxim比任何一家混合信號(hào)IC廠商都更能理解這一狀況，因?yàn)槲覀冊(cè)诔闪⒅蹙鸵宰吭降漠a(chǎn)品可靠性和創(chuàng)新方案領(lǐng)先于同行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)者，確保高性能電子器件免受惡劣環(huán)境的損害，包括高ESD、高瞬態(tài)電壓擺幅和EMI/RFI。設(shè)計(jì)人員已經(jīng)普遍認(rèn)可Maxim的產(chǎn)品，因?yàn)檫@些產(chǎn)品解決了模擬、混合信號(hào)設(shè)計(jì)的難題，并將年復(fù)一年堅(jiān)持不懈地解決這類問題。
更高集成度
PLC具有4至數(shù)百路輸入/輸出(I/O)通道，支持各種不同規(guī)格的應(yīng)用，因此，尺寸和功率也像系統(tǒng)精度、可靠性一樣重要。Maxim堅(jiān)持在IC中集成正確的功能，始終保持同行業(yè)的領(lǐng)先地位，從而減小了總體系統(tǒng)的空間和功率需求，得到更加緊湊的設(shè)計(jì)。Maxim能夠以最小尺寸提供數(shù)百款低功耗、高精度IC，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠構(gòu)建完全滿足苛刻的空間、功耗要求的精密產(chǎn)品。
工廠自動(dòng)化—新發(fā)明
裝配生產(chǎn)線是人類歷史上相當(dāng)新的發(fā)明創(chuàng)造，許多國(guó)家都在同一時(shí)期涌現(xiàn)出了類似的創(chuàng)新方案。我們?cè)诖肆信e了美國(guó)的幾個(gè)示例。
Samuel Colt (美國(guó)槍支制造商)在19世紀(jì)中葉展示了一種通用部件。早期的槍支需要獨(dú)立制造每桿槍的部件，然后再分別進(jìn)行組裝。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配，Colt先生嘗試把10只槍的所有部件分別放置在不同箱子內(nèi)，然后隨機(jī)地從箱子里抓取這些部件并組裝成一只槍。20世紀(jì)初期，Henry Ford進(jìn)一步拓展了大批量生產(chǎn)技術(shù)。他設(shè)立了固定裝配廠，汽車在生產(chǎn)線上傳遞到不同車間。雇員只需要了解很少的裝配知識(shí)，在以后的工作中也只進(jìn)行這類工作。1954年，George Devol申請(qǐng)了美國(guó)專利2,988,237，這項(xiàng)專利標(biāo)志著首個(gè)工業(yè)機(jī)器人的誕生，該機(jī)器人命名為Unimate。20世紀(jì)60年代末期，General Motors®使用PLC組裝汽車的自動(dòng)變速器。Dick Morley—PLC之父，為GM®開發(fā)了首款PLC (Modicon)，他的美國(guó)專利3,761,893是當(dāng)今許多PLC的基礎(chǔ)(有關(guān)上述四位發(fā)明家的詳細(xì)信息，請(qǐng)參考：www.wikipedia.org/；相關(guān)專利請(qǐng)查詢：http://patft.uspto.gov/netahtml/PTO/srchnum.htm)。
基本的PLC操作
過程控制可以簡(jiǎn)單到何種程度? 我們以一個(gè)常見的家用加熱器為例進(jìn)行說明。
加熱器部件密封在一個(gè)容器內(nèi)，便于系統(tǒng)通信。這個(gè)概念可以擴(kuò)展到遠(yuǎn)端控制的家用恒溫加熱器，通信距離在幾米左右，通常采用電壓控制。
現(xiàn)在，我們?cè)谶@個(gè)小型簡(jiǎn)單過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加以拓展，一個(gè)工廠需要哪些控制和配置?
遠(yuǎn)距離傳輸線的阻抗、EMI和RFI使得電壓控制方案的實(shí)施非常困難，這種情況下，電流環(huán)不失為簡(jiǎn)單、有效的解決方案。由基爾霍夫定律可知，電流環(huán)中任何一點(diǎn)的電流等于環(huán)路中其它所有點(diǎn)的電流，由此可以抵消傳輸線阻抗的影響。由于環(huán)路阻抗和帶寬較低(幾百歐姆，并且< 100Hz)，EMI和RFI的雜散拾取被降至最小。PLC系統(tǒng)對(duì)于適當(dāng)?shù)目刂品浅Ｓ杏?，例如工廠生產(chǎn)系統(tǒng)。
家用電熱器，一個(gè)簡(jiǎn)單的過程控制示例。
工廠遠(yuǎn)程通信
PLC的電流環(huán)傳輸
電流控制環(huán)的應(yīng)用始于20世紀(jì)早期的電傳打字機(jī)，最早使用的是0–60mA環(huán)路，后來改為0–20mA環(huán)路，PLC系統(tǒng)率先采用了4–20mA環(huán)路。
4–20mA電流環(huán)有很多優(yōu)勢(shì)。在傳統(tǒng)的分立器件設(shè)計(jì)中需要仔細(xì)計(jì)算，而且與當(dāng)前的集成4–20mA IC相比，電路占用很大空間。Maxim推出了幾款20mA器件，包括MAX15500和MAX5661，可有效簡(jiǎn)化4–20mA PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
測(cè)量到的任何電流值都代表一定的信息。實(shí)際應(yīng)用中，4–20mA電流環(huán)路工作在0mA至24mA電流范圍。但0mA至4mA和20mA至24mA電流范圍用于診斷和系統(tǒng)校準(zhǔn)。由于低于4mA和高于20mA的電流用于診斷，可以認(rèn)為介于0mA和4mA之間的讀數(shù)表示系統(tǒng)中傳輸線斷開。同樣，介于20mA和24mA之間的讀數(shù)可以表示系統(tǒng)中出現(xiàn)潛在的短路故障。
4–20mA通信的增強(qiáng)版稱為高速可尋址遠(yuǎn)端傳感器(HART®系統(tǒng))，該系統(tǒng)向下兼容4–20mA儀表。在HART系統(tǒng)中，采用基于微處理器的智能化集成現(xiàn)場(chǎng)器件能夠?qū)崿F(xiàn)雙向通信。根據(jù)HART協(xié)議，能夠在同一4–20mA模擬電流信號(hào)線對(duì)上承載附加的數(shù)字信息，用于過程控制。
PLC的功能可劃分成幾個(gè)功能組。許多PLC廠商將這些功能集成為獨(dú)立模塊，每個(gè)模塊所具備的功能隨具體應(yīng)用而有所不同。很多模塊具有多種功能，可與多種傳感器接口連接。然而，多數(shù)情況下會(huì)針對(duì)特殊應(yīng)用設(shè)計(jì)專用模塊或擴(kuò)展模塊，例如：電阻溫度檢測(cè)器(RTD)、傳感器或熱電偶傳感器。通常，所有模塊具備相同的核心功能：模擬輸入、模擬輸出、分布式控制(例如現(xiàn)場(chǎng)總線)、接口、數(shù)字輸入和輸出(I/O)、CPU以及電源。我們將逐一說明這些核心功能，傳感器和傳感器接口將在其它章節(jié)分別介紹。
PLC簡(jiǎn)化框圖，如需了解Maxim推薦的PLC方案完整信息。
本文來源于Maxim。
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