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可编程逻辑控制器(PLC)和主要系统模块的功能

关键词:PLC 数据转换 模拟电路

时间:2020-09-11 10:07:27      来源:网络

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。

  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。

  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  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  、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  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  尺寸提供数百款低功耗、高   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   2,988,237,这项  标志着  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   3,761,893 是当今许多 PLC 的基础

  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  。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。

  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,  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 MAX15500 和 MAX5661,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  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  功能,传感器和传感器接口将在其它章节分别介绍。

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