【導讀】本文深入探討了可編程邏輯控制器(PLC)，文中回顧了PLC在工廠自動化中的應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)場總線)接口、數(shù)字輸入和輸出(I/O)、CPU以及隔離電源，每個章節(jié)都給出了相應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)始終是工廠自動化和工業(yè)過程控制有機組成的一部分。從簡單的照明功能到環(huán)境系統(tǒng)、再到化學加工等各種應用，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、信號處理、數(shù)據(jù)轉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，而控制器則針對某項具體任務進行編程。
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用的需求。輸入激勵(無論是模擬還是數(shù)字信號)來自機器裝置、傳感器或過程事件，表現(xiàn)為電壓或電流。PLC必須準確地為CPU提供解析并轉換激勵信號，CPU進而確定一組發(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)行機構。
現(xiàn)代PLC起源于上世紀60年代，在隨后的幾十年中，通用功能和信號通道發(fā)生了少許變化。然而，21世紀的過程控制為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。必須內置保護功能，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。
可靠設計
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IC廠商都更能理解這一狀況，因為我們在成立之初就以卓越的產品可靠性和創(chuàng)新方案領先于同行業(yè)競爭者，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。設計人員已經普遍認可Maxim的產品，因為這些產品解決了模擬、混合信號設計的難題，并將年復一年堅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)格的應用，因此，尺寸和功率也像系統(tǒng)精度、可靠性一樣重要。Maxim堅持在IC中集成正確的功能，始終保持同行業(yè)的領先地位，從而減小了總體系統(tǒng)的空間和功率需求，得到更加緊湊的設計。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)設計人員能夠構建完全滿足苛刻的空間、功耗要求的精密產品。
工廠自動化—新發(fā)明
裝配生產線是人類歷史上相當新的發(fā)明創(chuàng)造，許多國家都在同一時期涌現(xiàn)出了類似的創(chuàng)新方案。我們在此列舉了美國的幾個示例。
Samuel Colt (美國槍支制造商)在19世紀中葉展示了一種通用部件。早期的槍支需要獨立制造每桿槍的部件，然后再分別進行組裝。為了實現(xiàn)自動裝配，Colt先生嘗試把10只槍的所有部件分別放置在不同箱子內，然后隨機地從箱子里抓取這些部件并組裝成一只槍。20世紀初期，Henry Ford進一步拓展了大批量生產技術。他設立了固定裝配廠，汽車在生產線上傳遞到不同車間。雇員只需要了解很少的裝配知識，在以后的工作中也只進行這類工作。1954年，George Devol申請了美國專利2,988,237，這項專利標志著首個工業(yè)機器人的誕生，該機器人命名為Unimate。20世紀60年代末期，General Motors®使用PLC組裝汽車的自動變速器。Dick Morley—PLC之父，為GM®開發(fā)了首款PLC (Modicon)，他的美國專利3,761,893是當今許多PLC的基礎(有關上述四位發(fā)明家的詳細信息，請參考：www.wikipedia.org/；相關專利請查詢：http://patft.uspto.gov/netahtml/PTO/srchnum.htm)。
基本的PLC操作
過程控制可以簡單到何種程度? 我們以一個常見的家用加熱器為例進行說明。
加熱器部件密封在一個容器內，便于系統(tǒng)通信。這個概念可以擴展到遠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，我們在這個小型簡單過程控制系統(tǒng)的基礎上加以拓展，一個工廠需要哪些控制和配置?
遠距離傳輸線的阻抗、EMI和RFI使得電壓控制方案的實施非常困難，這種情況下，電流環(huán)不失為簡單、有效的解決方案。由基爾霍夫定律可知，電流環(huán)中任何一點的電流等于環(huán)路中其它所有點的電流，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)對于適當?shù)目刂品浅Ｓ杏?，例如工廠生產系統(tǒng)。
家用電熱器，一個簡單的過程控制示例。
工廠遠程通信
PLC的電流環(huán)傳輸
電流控制環(huán)的應用始于20世紀早期的電傳打字機，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。在傳統(tǒng)的分立器件設計中需要仔細計算，而且與當前的集成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，可有效簡化4–20mA PLC系統(tǒng)設計。
測量到的任何電流值都代表一定的信息。實際應用中，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。由于低于4mA和高于20mA的電流用于診斷，可以認為介于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通信的增強版稱為高速可尋址遠端傳感器(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)場器件能夠實現(xiàn)雙向通信。根據(jù)HART協(xié)議，能夠在同一4–20mA模擬電流信號線對上承載附加的數(shù)字信息，用于過程控制。
PLC的功能可劃分成幾個功能組。許多PLC廠商將這些功能集成為獨立模塊，每個模塊所具備的功能隨具體應用而有所不同。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)情況下會針對特殊應用設計專用模塊或擴展模塊，例如：電阻溫度檢測器(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簡化框圖，如需了解Maxim推薦的PLC方案完整信息。
本文來源于Maxim。
推薦閱讀：
