设计指南 4701

可编程逻辑控制器(PLC)和主要系统模块的功能

By: Hugh Wright

摘要 : 本文深入探讨了可编程逻辑控制器(PLC),文中回顾了PLC在工厂自动化中的应用历史和所扮演的角色,讨论了PLC的基本工作原理,分析了工业控制系统的核心电路:模拟输入、模拟输出、分布式控制(现场总线)接口、数字输入和输出(I/O)、CPU以及隔离电源,每个章节都给出了相应的功能框图和推荐器件。

引言

数十年以来,可编程逻辑控制器(PLC)始终是工厂自动化和工业过程控制有机组成的一部分。从简单的照明功能到环境系统、再到化学加工等各种应用,都离不开PLC控制。这些系统具备许多功能,提供各种模拟和数字输入/输出接口、信号处理、数据转换以及各种不同的通信协议。PLC的所有元件和功能都以控制器为中心,而控制器则针对某项具体任务进行编程。

工厂自动化应用中的PLC

基本的PLC组件必须足够灵活并可配置,以满足不同工厂和应用的需求。输入激励(无论是模拟还是数字信号)来自机器装置、传感器或过程事件,表现为电压或电流。PLC必须准确地为CPU提供解析并转换激励信号,CPU进而确定一组发给输出系统的指令,而后者控制着安装在工厂或另一工业环境的执行机构。

现代PLC起源于上世纪60年代,在随后的几十年中,通用功能和信号通道发生了少许变化。然而,21世纪的过程控制为PLC提出了更加艰巨的新要求:更高性能、更小体积和更大的功能灵活性。必须内置保护功能,防止潜在的破坏性静电放电(ESD)、电磁干扰和射频干扰(RFI/EMI),以及恶劣的工业环境中常见的大幅值瞬态脉冲。

可靠设计

PLC需要在工业环境中无故障工作数年,而这种环境对于为PLC提供卓越灵活性和精密性的微电子元件有较大损害。Maxim比任何一家混合信号IC厂商都更能理解这一状况,因为我们在成立之初就以卓越的产品可靠性和创新方案领先于同行业竞争者,确保高性能电子器件免受恶劣环境的损害,包括高ESD、高瞬态电压摆幅和EMI/RFI。设计人员已经普遍认可Maxim的产品,因为这些产品解决了模拟、混合信号设计的难题,并将年复一年坚持不懈地解决这类问题。

更高集成度

PLC具有4至数百路输入/输出(I/O)通道,支持各种不同规格的应用,因此,尺寸和功率也像系统精度、可靠性一样重要。Maxim坚持在IC中集成正确的功能,始终保持同行业的领先地位,从而减小了总体系统的空间和功率需求,得到更加紧凑的设计。Maxim能够以最小尺寸提供数百款低功耗、高精度IC,使得系统设计人员能够构建完全满足苛刻的空间、功耗要求的精密产品。

工厂自动化—新发明

装配生产线是人类历史上相当新的发明创造,许多国家都在同一时期涌现出了类似的创新方案。我们在此列举了美国的几个示例。

Samuel Colt (美国枪支制造商)在19世纪中叶展示了一种通用部件。早期的枪支需要独立制造每杆枪的部件,然后再分别进行组装。为了实现自动装配,Colt先生尝试把10只枪的所有部件分别放置在不同箱子内,然后随机地从箱子里抓取这些部件并组装成一只枪。20世纪初期,Henry Ford进一步拓展了大批量生产技术。他设立了固定装配厂,汽车在生产线上传递到不同车间。雇员只需要了解很少的装配知识,在以后的工作中也只进行这类工作。1954年,George Devol申请了美国专利2,988,237,这项专利标志着首个工业机器人的诞生,该机器人命名为Unimate。20世纪60年代末期,General Motors®使用PLC组装汽车的自动变速器。Dick Morley—PLC之父,为GM®开发了首款PLC (Modicon),他的美国专利3,761,893是当今许多PLC的基础(有关上述四位发明家的详细信息,请参考:www.wikipedia.org/;相关专利请查询:http://patft.uspto.gov/netahtml/PTO/srchnum.htm)。

基本的PLC操作

过程控制可以简单到何种程度? 我们以一个常见的家用加热器为例进行说明。

加热器部件密封在一个容器内,便于系统通信。这个概念可以扩展到远端控制的家用恒温加热器,通信距离在几米左右,通常采用电压控制。

现在,我们在这个小型简单过程控制系统的基础上加以拓展,一个工厂需要哪些控制和配置?

远距离传输线的阻抗、EMI和RFI使得电压控制方案的实施非常困难,这种情况下,电流环不失为简单、有效的解决方案。由基尔霍夫定律可知,电流环中任何一点的电流等于环路中其它所有点的电流,由此可以抵消传输线阻抗的影响。由于环路阻抗和带宽较低(几百欧姆,并且< 100Hz),EMI和RFI的杂散拾取被降至最小。PLC系统对于适当的控制非常有用,例如工厂生产系统。

家用电热器,一个简单的过程控制示例。
家用电热器,一个简单的过程控制示例。

工厂远程通信
工厂远程通信

PLC的电流环传输

电流控制环的应用始于20世纪早期的电传打字机,最早使用的是0–60mA环路,后来改为0–20mA环路,PLC系统率先采用了4–20mA环路。

4–20mA电流环有很多优势。在传统的分立器件设计中需要仔细计算,而且与当前的集成4–20mA IC相比,电路占用很大空间。Maxim推出了几款20mA器件,包括MAX15500MAX5661,可有效简化4–20mA PLC系统设计。

测量到的任何电流值都代表一定的信息。实际应用中,4–20mA电流环路工作在0mA至24mA电流范围。但0mA至4mA和20mA至24mA电流范围用于诊断和系统校准。由于低于4mA和高于20mA的电流用于诊断,可以认为介于0mA和4mA之间的读数表示系统中传输线断开。同样,介于20mA和24mA之间的读数可以表示系统中出现潜在的短路故障。

4–20mA通信的增强版称为高速可寻址远端传感器(HART®系统),该系统向下兼容4–20mA仪表。在HART系统中,采用基于微处理器的智能化集成现场器件能够实现双向通信。根据HART协议,能够在同一4–20mA模拟电流信号线对上承载附加的数字信息,用于过程控制。

PLC的功能可划分成几个功能组。许多PLC厂商将这些功能集成为独立模块,每个模块所具备的功能随具体应用而有所不同。很多模块具有多种功能,可与多种传感器接口连接。然而,多数情况下会针对特殊应用设计专用模块或扩展模块,例如:电阻温度检测器(RTD)、传感器或热电偶传感器。通常,所有模块具备相同的核心功能:模拟输入、模拟输出、分布式控制(例如现场总线)、接口、数字输入和输出(I/O)、CPU以及电源。我们将逐一说明这些核心功能,传感器和传感器接口将在其它章节分别介绍。

PLC简化框图,如需了解Maxim推荐的PLC方案完整信息,请访问:china.maximintegrated.com/plc。
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