可编程逻辑控制器(PLC)

可编程逻辑控制器(PLC)是非常成熟的计算机技术,其架构适用于多输入、多输出信号处理,用于监测、控制工业设备和环境。PLC的复杂度及成本千差万别,具体取决于所要处理的信号、数据对控制范围、速度的要求。为PLC设计选择IC时,可靠性、功耗、速度、精度等是关键因素。

PLC输入信号具有不同的数量和类型,包括:通/断开关;信号范围从mV级到几十伏特或者是mA到几个安培的弱信号/强信号模拟输入。PLC输出通常控制执行器、电机、继电器等。设计考虑包括:缩短响应时间、自检/自校准,可适当处理瞬变、EMI/RFI、电压故障,提供设备保护电路以应对连线错误及其它极端的外界环境,以确保较长的工作寿命。

设计PLC时需要非常特殊的IC,以帮助用户达到,甚至优于系统规格的要求。点击上述框图中的相应功能框,了解Maxim IC为您提供的设计方案。此外,为了加速用户设计,我们还提供完整的子系统参考设计平台,方便评估Maxim的信号链和电源通道方案。


3.5V至36V、2A/3A、同步Buck转换器,15µA静态电流和低EMI

MAX17242

工作可靠(42V输入瞬态保护)、长电池寿命(15µA IQ)和EN55022 EMI性能

2.75V至4.8V输入、10mA输出、35µVRMS 超低噪声和纹波升压调节器

MAX77231

小尺寸升压器,纹波和噪声仅35µVRMS

300mA、降压转换器,1.1μA IQ

MAX77596

小尺寸、同步降压转换器,内置开关。在3.5V至24V输入电压时,可提供高达300mA电流,而空载时的静态电流仅为1.1μA。

0.4V至5.5V输入、同步升压调节器

MAX17222

提供300nA IQ、95%峰值效率,方案尺寸减小高达50%


PLC系统


Power Module Communications and Fieldbus Module Digital I/O Module CPU Module Analog Input Module Analog Output Module PLC系统

 

 

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电源模块


Safety Isolated Main Power Circuit Protection Battery Backup Backplane DC-DC Temperature Fan Control CPU DC-DC LDO DC-DC LDO Signal Isolated Power Signal Acquisition Power 电源模块

该原理图提供PLC供电需求的简化架构。

PLC包括几组供电电源:主电源、背板电源、模块电源、信号采集板主电源等。Maxim提供特定的稳压器件满足每一组的供电需求。

主电源输入范围从24VDC至240VAC,甚至更高电压。供给背板的电源必须稳定、干净,并经过滤波,提供电压监测及保护功能,避免瞬变的影响。需要建立多路背板稳压电源,并结合电池备份功能。主电源模块的总功率输出可能达到几百瓦特(微型PLC)到2kW(大型PLC)。

CPU模块和不同的I/O模块的供电通常由多路低压电源组成,这些电压从背板直流电源产生。大多提供以下电源电压:24V、±12V、5V、3.3V以及用于CPU供电的更低电压。CPU板的典型功率为50W至200W,而其它模块的耗电通常为20W。信号隔离电源一般从I/O模块的中等电压产生,功耗大多低于10W。

 

 

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通信与现场总线模块


Secure Authentication Voltage Monitors Backplane Interface Hot-Swap Control Watchdog-Timer Reset ICs UART Ethernet Signal Isolation DC-DC Power Profibus RS-485 CAN Fault Protection 通信与现场总线模块

在复杂的自动化系统中,分布式控制系统(DCS)中会采用多路PLC,每个PLC有多路连接。一个或多个PLC与HMI(人机界面)进行通信时,通常采用非确定性时间的通信协议,例如标准以太网;PLC之间通信时,则采用确定性时间通信协议,工业以太网。PLC与智能传感器或执行装置通信时,通常采用“现场总线”,多数情况下,它们不是点到点通信,允许一个PLC现场总线接口连接多个传感器和执行器,构成菊链网络,这种架构相对于点到点或星型配置可大幅节省连线。

目前,市场上存在多种现场总线,每种标准都有其特定的应用场合。

常见的标准现场总线包括:基于RS-485的Profibus、Interbus、Modbus RTU和ControNet;基于CAN的DeviceNet和CANOpen。

 

 

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数字输入/输出模块


Secure Authentication Backplane Interface Hot-Swap Control Voltage Monitors Watchdog-Timer Reset ICs UART Digital Isolation DC-DC Power Binary Inputs IO-Link Binary Outputs 数字输入/输出模块

数字输入和输出信号也称为二进制信号,一般为高电压但相对较慢的控制信号。数字输入信号源自于控制或监测装置,例如自动或手动开关或继电器。数字输出信号驱动各种工业控制装置,后者根据输出状态执行一定的功能,包括继电器、电机执行机构、开/关阀门、螺线管以及指示器。数字I/O信号的范围可达0V (关闭)至60V (打开),典型范围为0V至24V。由于电压相对较高,在信号经过电噪声较大环境下的长电缆并到达接收器时,接收器能够可靠确定信号表示的状态。

在PLC,数字输入信号的处理过程包括电平转换和信号隔离。数字输出信号也通过隔离后发送,然后连接至输出缓冲器/锁存器,缓冲器/锁存器执行电平和电路保护功能。设计数字输入或数字输出PLC模块时需要考虑的重要因素包括功耗和设计尺寸。

随着数字信号隔离器电路的出现,当今最有效的数字输入和输出电路板设计串行化多个数字I/O信号,并通过一片或多片数字信号隔离器芯片发送串行化的数据流。Maxim既提供数字隔离器IC,也提供功能相关的数字输入和输出IC,满足这一应用。请点击图中的“二进制输入”和“二进制输出”方框,查看相关产品。  

I/O-Link为更成熟的、基于协议的数字I/O控制链路,传输的信息不仅限于“开”和“关”状态信号。I/O-Link器件能够传输实际数值,例如温度值。Maxim制造满足此类应用的I/O-Link认证收发器。

关于PLC中高速数字通信接口的更多信息,请参见上文中的现场总线模块

 

 

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CPU模块


DC-DC Power Circuit Protection Clock Watchdog-Timer Reset ICs Backplane Interface Console Port Thermal Management Secure Authentication USB Indicator Drivers Switch Debounce Display Backlighting CPU模块

PLC中的计算模块需要高性能的处理功能以及强大的I/O,该模块既要管理多个I/O模块复用的多路实时通信数据流,还要计算实时控制环路方程,有效管理复杂的工业过程。

Maxim针对计算模块领域提供众多首屈一指的IC,提高系统的性能、稳定性及安全性。

 

 

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模拟输入模块


Sensors RTD or Thermocouple to Digital Converters MUX Hart Modem Current-Loop Protection Scaling Op Amp Instrumentation Amp Active Filtering Amps Digipot Precision Resistors Switched C Filters Multichannel A/D Voltage Reference Single-Channel A/D Signal Isolation Secure Authentication UART Backplane I/F Watchdog-Timer Reset ICs Hot-Swap Control DC-DC Power 模拟输入模块

PLC模拟输入模块可以接受电压和电流模式输入信号,一些特殊模块还可以直接连接RTD或热电偶等传感器。标准的电压输入范围包括:0至5V、0至10V、±10V,传感器类型、传感器内部的放大器增益等决定了信号幅度。如果是热电偶输入模块,信号范围可能是正/负几十mV。

RTD模块则必须接受接近于0Ω至数千Ω的阻抗。

同样,4-20mA电流环也是一个工业标准输入接口。电流环通信具有较高的EMI/RFI抗干扰能力,模拟信号经过长线(长达数千米)传输后没有损耗,在工业领域得到广泛应用。

模拟输入电路的选择取决于多个因素:需要处理的输入通道数、输入类型,是否需要单独隔离或分区隔离,是否提供传感器激励和/或偏置,多路传感器是否要求同步采样,信号频率的范围,是否需要抗混叠滤波,要求AD转换器的分辨率以及采样速率。

 

 

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模拟输出模块


Secure Authentication Backplane I/F UART Hot-Swap Control Watchdog-Timer Reset ICs DC-DC Power Signal Isolation Voltage D/A Voltage Reference Current D/A Digipot Precision Resistors Output Conditioning Hart Modem Current-Loop Protection 模拟输出模块

PLC模拟输出模块通常用于驱动高压模拟执行装置(例如,比例控制阀)以及电流环驱动执行器和各种仪表。每块板子根据输出类型的不同,通常支持多个通道。这些输出通道可单独隔离或分组隔离。

在上述框图中,我们给出了一个基本的串行架构,利用I2C或SPI串行总线,通过隔离器将板上处理器的控制信息串行发送到指定通道的DAC,转换成模拟输出。如果需要分别隔离每路输出,则需要为每个通道提供一路输出DAC;如果允许分组隔离,DAC后续分配器的保持电容可以在下次DAC刷新之前保持输出。DAC之后,通常还会有额外的校准电路和输出缓冲器,用于信号微调,提供必要的电压或电流驱动。

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