數十年以來(lái)，可編程邏輯控制器(PLC)始終是工廠(chǎng)自動(dòng)化和工業(yè)過(guò)程控制有機組成的一部分。從簡(jiǎn)單的照明功能到環(huán)境系統、再到化學(xué)加工等各種應用，都離不開(kāi)PLC控制。這些系統具備許多功能，提供各種模擬和數字輸入/輸出接口、信號處理、數據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(wù)進(jìn)行編程。

 

 

基本的PLC組件必須足夠靈活并可配置，以滿(mǎn)足不同工廠(chǎng)和應用的需求。輸入激勵(無(wú)論是模擬還是數字信號)來(lái)自機器裝置、傳感器或過(guò)程事件，表現為電壓或電流。PLC必須準確地為CPU提供解析并轉換激勵信號，CPU進(jìn)而確定一組發(fā)給輸出系統的指令，而后者控制著(zhù)安裝在工廠(chǎng)或另一工業(yè)環(huán)境的執行機構。

 

現代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(guò)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，防止潛在的破壞性靜電放電(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(jiàn)的大幅值瞬態(tài)脈沖。

 

 

PLC需要在工業(yè)環(huán)境中無(wú)故障工作數年，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(chǎng)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(chǎn)品可靠性和創(chuàng )新方案領(lǐng)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(jīng)普遍認可Maxim的產(chǎn)品，因為這些產(chǎn)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(lèi)問(wèn)題。

 

 

PLC具有4至數百路輸入/輸出(I/O)通道，支持各種不同規格的應用，因此，尺寸和功率也像系統精度、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(lǐng)先地位，從而減小了總體系統的空間和功率需求，得到更加緊湊的設計。Maxim能夠以最小尺寸提供數百款低功耗、高精度IC，使得系統設計人員能夠構建完全滿(mǎn)足苛刻的空間、功耗要求的精密產(chǎn)品。

 

 

裝配生產(chǎn)線(xiàn)是人類(lèi)歷史上相當新的發(fā)明創(chuàng )造，許多國家都在同一時(shí)期涌現出了類(lèi)似的創(chuàng )新方案。我們在此列舉了美國的幾個(gè)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(jìn)行組裝。為了實(shí)現自動(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，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(jìn)一步拓展了大批量生產(chǎn)技術(shù)。他設立了固定裝配廠(chǎng)，汽車(chē)在生產(chǎn)線(xiàn)上傳遞到不同車(chē)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(jìn)行這類(lèi)工作。1954年，George Devol申請了美國專(zhuān)利2,988,237，這項專(zhuān)利標志著(zhù)首個(gè)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(chē)的自動(dòng)變速器。Dick Morley—PLC之父，為GM®開(kāi)發(fā)了首款PLC (Modicon)，他的美國專(zhuān)利3,761,893是當今許多PLC的基礎(有關(guān)上述四位發(fā)明家的詳細信息，請參考：www.wikipedia.org/；相關(guān)專(zhuān)利請查詢(xún)：http://patft.uspto.gov/netahtml/PTO/srchnum.htm)。

 

 

過(guò)程控制可以簡(jiǎn)單到何種程度? 我們以一個(gè)常見(jiàn)的家用加熱器為例進(jìn)行說(shuō)明。

 

加熱器部件密封在一個(gè)容器內，便于系統通信。這個(gè)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。

 

現在，我們在這個(gè)小型簡(jiǎn)單過(guò)程控制系統的基礎上加以拓展，一個(gè)工廠(chǎng)需要哪些控制和配置? 

 

遠距離傳輸線(xiàn)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(xiàn)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系統對于適當的控制非常有用，例如工廠(chǎng)生產(chǎn)系統。

 

家用電熱器，一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程控制示例。

 

工廠(chǎng)遠程通信

 

 

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(lái)改為0–20mA環(huán)路，PLC系統率先采用了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(jiǎn)化4–20mA PLC系統設計。

 

測量到的任何電流值都代表一定的信息。實(shí)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之間的讀數表示系統中傳輸線(xiàn)斷開(kāi)。同樣，介于20mA和24mA之間的讀數可以表示系統中出現潛在的短路故障。

 

4–20mA通信的增強版稱(chēng)為高速可尋址遠端傳感器(HART®系統)，該系統向下兼容4–20mA儀表。在HART系統中，采用基于微處理器的智能化集成現場(chǎng)器件能夠實(shí)現雙向通信。根據HART協(xié)議，能夠在同一4–20mA模擬電流信號線(xiàn)對上承載附加的數字信息，用于過(guò)程控制。

 

PLC的功能可劃分成幾個(gè)功能組。許多PLC廠(chǎng)商將這些功能集成為獨立模塊，每個(gè)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，多數情況下會(huì )針對特殊應用設計專(zhuān)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(例如現場(chǎng)總線(xiàn))、接口、數字輸入和輸出(I/O)、CPU以及電源。我們將逐一說(shuō)明這些核心功能，傳感器和傳感器接口將在其它章節分別介紹。

 

PLC簡(jiǎn)化框圖，如需了解Maxim推薦的PLC方案完整信息。

 

本文來(lái)源于Maxim。