與此同時，PLC的功能也不斷完善，隨著計算機技術、信號處理技術、控制技術網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，如今PLC不僅控制功能增強，功耗和體積減小，成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測更為靈活方便，而且隨著遠程I/O和通信網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)處理以及圖像顯示的發(fā)展，使PLC向用于連續(xù)生產(chǎn)過程控制的方向發(fā)展，成為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一大支柱。如何靈活配置PLC真正實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)智能化的背后支撐，本文以高性能模擬技術提供商ADI公司的PLC解決方案舉例，說明如何借助ADI公司的放大器、數(shù)據(jù)轉換、信號處理和電源技術以及專業(yè)經(jīng)驗，實現(xiàn)高分辨率、低噪聲的工業(yè)PLC系統(tǒng)。
工業(yè)PLC系統(tǒng)設計考慮和主要挑戰(zhàn)
通常而言，PLC系統(tǒng)由電源、CPU和多個模擬及數(shù)字I/O模塊組成，可控制、執(zhí)行和監(jiān)控復雜的機器變量。PLC設計用于多輸入和輸出配置，具有擴展的溫度范圍、卓越的電噪聲抑制性能、抗震性和抗沖擊能力。PLC系統(tǒng)包括電源、控制和通信模塊以及多種模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入和數(shù)字輸出模塊。為了獲得合適的PLC系統(tǒng)設計，設計人員必須考慮許多不同的系統(tǒng)要求，包括精度、帶寬和輸入范圍等。此外，還需要考慮以下系統(tǒng)因素：
1、對于TC (熱電偶)和RTD，模擬輸入類型和范圍可低至±10 mV;對于執(zhí)行器控制器可高至±10 V—或者過程控制系統(tǒng)中的4 mA至20 mA電流。
2、模擬輸出類型和范圍通常包括±5 V、±10 V、0 V至5 V、0 V至10 V、4 mA至20 mA和0 mA至20 mA，有時需要超量程能力。
3、輸入/輸出模塊分辨率和精度的典型范圍為12位至16位，工業(yè)溫度范圍內的精度為0.1%。
4、與不同現(xiàn)場總線連接。
5、隔離;系統(tǒng)電源模塊和低功耗電子器件之間;輸入和輸出之間;I/O和中央控制單元之間;隔離等級范圍為1 kV至2.5 kV。
6、模擬輸入/輸出和電源輸入保護：故障條件電壓或電流和EMC考慮因素，包括電涌、快速脈沖瞬變和ESD。
7、隨著電路板尺寸的減小，功效比、熱管理和散熱將成為小型化器件一個日益重要的問題。
另外，更多的通道或節(jié)點需要置于相同的空間中，因而要求采用高密度系統(tǒng)，必須減小器件尺寸。這意味著外殼更小，從而帶來電源管理和散熱難題，因此需要通過集成動態(tài)電源控制實現(xiàn)智能電源管理的解決方案。
PLC應用系統(tǒng)典型的信號鏈設計
高集成度高靈活性的PLC系統(tǒng)應該這樣設計
以前實現(xiàn)這類I/O系統(tǒng)需要大量高性能分離式元件，由此產(chǎn)生的是龐大且昂貴的系統(tǒng)。近來，集成技術的進步使得系統(tǒng)設計人員能夠采用尺寸更小、功耗更低、成本更低的解決方案，
其性能與那些大型系統(tǒng)不相上下。持續(xù)的技術進步要求既能不斷促進這些解決方案集成，同時還提高其性能和診斷能力。ADI公司提供面向市場定制的解決方案，以便簡化設計過程。這些解決方案采用業(yè)界領先技術，并提供眾多設計選項，從采用分立器件的實施方案到全集成式解決方案應有盡有。
此外，目前很多傳統(tǒng)工業(yè)自動化或者過程控制系統(tǒng)，其物理層的實現(xiàn)擁有大量的I/O的接口，包括了模擬和數(shù)字的輸入輸出。I/O單元實際上是PLC與被控對象間傳遞輸入輸出信號的接口部件，它是直接連接現(xiàn)場儀表和整個控制單元當中的紐帶。而一旦客戶新增需求或者設備替換生產(chǎn)數(shù)字或者系統(tǒng)發(fā)生變化，大量的I/O接口就需要整體調整或遷移，整個工作繁瑣且耗時耗力。針對整個模塊量輸入模塊，ADI新推出的AD411X(AD4111，AD4112)系列產(chǎn)品，集成了多重保護功能，同時提供相應的電源解決方案。在應用過程中，基本上是24V輸入、5V輸出的電源架構。AD411X產(chǎn)品每個通道都可以任意地定義為數(shù)字量的輸入輸出，或者模擬量的輸入輸出，所以把它叫做軟件定義I/O。
ADI公司的精密+/-10V和0-20mA模數(shù)轉換器可簡化PLC模塊開發(fā)
在2019年的慕尼黑上海電子展上，ADI便展示了一款基于AD4111的PLC/DCS系統(tǒng)模擬輸入解決方案。據(jù)ADI工程師現(xiàn)場介紹，AD4111集成了低噪聲、快速建立、24位Σ-Δ型模數(shù)轉換器(ADC)和模擬前端，支持全差分或單端、雙極性±10 V電壓輸入和單端20 mA輸入，用于工業(yè)自動化應用的可編程邏輯控制器和分布式控制系統(tǒng)(DCS)模塊。
ADI基于AD4111的PLC/DCS 系統(tǒng)模擬輸入解決方案Demo展示
ADI新一代軟件可配置技術通過打造靈活的系統(tǒng)來支持快速重新配置，把停機時間和資本投入處于最低水平，以及輕松地適應不斷變化的需求。使每一個IO實現(xiàn)軟件可配置，降低ADI產(chǎn)品復雜性的同時，也為客戶創(chuàng)造出了許多直接的機會，同時為實現(xiàn)IT/OT融合帶來的規(guī)模優(yōu)勢奠定了基礎。
本文小結
PLC可謂是工業(yè)自動化控制的常青樹，即使是在工業(yè)轉型升級的智能制造年代，或者是工業(yè)4.0的時代，它仍然足夠勝任各種控制要求和通信要求。同時PLC也早已不再是三、四十年前只能完成邏輯控制、順序控制的繼電邏輯系統(tǒng)的替代物，它完成了由經(jīng)典PLC向現(xiàn)代PLC的蛻變。繼承了高性價比、高可靠性、高易用性的特點，同時在ADI這類高性能模擬技術提供商的工業(yè)自動化領域創(chuàng)新技術加持下，典型的工業(yè)PLC系統(tǒng)也具有了高集成度與高靈活性、軟件分布式配置I/O、嵌入式智能和無縫聯(lián)接的性能，輔以更強有力的PLC軟件平臺支持，我們可以相信PLC將持久不衰地活躍在工業(yè)自動化的世界中。
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