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2019全景工博会
PLC

PLC模块开发太复杂,如何实现兼具高集成度与高灵活性的工业PLC系统?

  2019年09月10日  

  自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)取代传统继电器控制装置以来,PLC快速发展在世界各地得到了广泛应用。随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大,近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓,但在中国等发展中国家的增长十分迅速,2017年PLC市场在全球取得16.6%的增长。

  与此同时,PLC的功能也不断完善,随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高,如今PLC不仅控制功能增强,功耗和体积减小,成本下降,可靠性提高,编程和故障检测更为灵活方便,而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图像显示的发展,使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展,成为实现工业生产自动化的一大支柱。如何灵活配置PLC真正实现工业互联智能化的背后支撑,本文以高性能模拟技术提供商ADI公司的PLC解决方案举例,说明如何借助ADI公司的放大器、数据转换、信号处理和电源技术以及专业经验,实现高分辨率、低噪声的工业PLC系统。

工业PLC系统设计考虑和主要挑战

  通常而言,PLC系统由电源、CPU和多个模拟及数字I/O模块组成,可控制、执行和监控复杂的机器变量。PLC设计用于多输入和输出配置,具有扩展的温度范围、卓越的电噪声抑制性能、抗震性和抗冲击能力。PLC系统包括电源、控制和通信模块以及多种模拟输入、模拟输出、数字输入和数字输出模块。为了获得合适的PLC系统设计,设计人员必须考虑许多不同的系统要求,包括精度、带宽和输入范围等。此外,还需要考虑以下系统因素:

  1、对于TC (热电偶)和RTD,模拟输入类型和范围可低至±10 mV;对于执行器控制器可高至±10 V—或者过程控制系统中的4 mA至20 mA电流。

  2、模拟输出类型和范围通常包括±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,有时需要超量程能力。

  3、输入/输出模块分辨率和精度的典型范围为12位至16位,工业温度范围内的精度为0.1%。

  4、与不同现场总线连接。

  5、隔离;系统电源模块和低功耗电子器件之间;输入和输出之间;I/O和中央控制单元之间;隔离等级范围为1 kV至2.5 kV。

  6、模拟输入/输出和电源输入保护:故障条件电压或电流和EMC考虑因素,包括电涌、快速脉冲瞬变和ESD。

  7、随着电路板尺寸的减小,功效比、热管理和散热将成为小型化器件一个日益重要的问题。

  另外,更多的通道或节点需要置于相同的空间中,因而要求采用高密度系统,必须减小器件尺寸。这意味着外壳更小,从而带来电源管理和散热难题,因此需要通过集成动态电源控制实现智能电源管理的解决方案。

  PLC应用系统典型的信号链设计

高集成度高灵活性的PLC系统应该这样设计

  以前实现这类I/O系统需要大量高性能分离式元件,由此产生的是庞大且昂贵的系统。近来,集成技术的进步使得系统设计人员能够采用尺寸更小、功耗更低、成本更低的解决方案,

  其性能与那些大型系统不相上下。持续的技术进步要求既能不断促进这些解决方案集成,同时还提高其性能和诊断能力。ADI公司提供面向市场定制的解决方案,以便简化设计过程。这些解决方案采用业界领先技术,并提供众多设计选项,从采用分立器件的实施方案到全集成式解决方案应有尽有。

  此外,目前很多传统工业自动化或者过程控制系统,其物理层的实现拥有大量的I/O的接口,包括了模拟和数字的输入输出。I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件,它是直接连接现场仪表和整个控制单元当中的纽带。而一旦客户新增需求或者设备替换生产数字或者系统发生变化,大量的I/O接口就需要整体调整或迁移,整个工作繁琐且耗时耗力。针对整个模块量输入模块,ADI新推出的AD411X(AD4111,AD4112)系列产品,集成了多重保护功能,同时提供相应的电源解决方案。在应用过程中,基本上是24V输入、5V输出的电源架构。AD411X产品每个通道都可以任意地定义为数字量的输入输出,或者模拟量的输入输出,所以把它叫做软件定义I/O。

  ADI公司的精密+/-10V和0-20mA模数转换器可简化PLC模块开发

  在2019年的慕尼黑上海电子展上,ADI便展示了一款基于AD4111的PLC/DCS系统模拟输入解决方案。据ADI工程师现场介绍,AD4111集成了低噪声、快速建立、24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)和模拟前端,支持全差分或单端、双极性±10 V电压输入和单端20 mA输入,用于工业自动化应用的可编程逻辑控制器和分布式控制系统(DCS)模块。

  ADI基于AD4111的PLC/DCS 系统模拟输入解决方案Demo展示

  ADI新一代软件可配置技术通过打造灵活的系统来支持快速重新配置,把停机时间和资本投入处于最低水平,以及轻松地适应不断变化的需求。使每一个IO实现软件可配置,降低ADI产品复杂性的同时,也为客户创造出了许多直接的机会,同时为实现IT/OT融合带来的规模优势奠定了基础。

本文小结

  PLC可谓是工业自动化控制的常青树,即使是在工业转型升级的智能制造年代,或者是工业4.0的时代,它仍然足够胜任各种控制要求和通信要求。同时PLC也早已不再是三、四十年前只能完成逻辑控制、顺序控制的继电逻辑系统的替代物,它完成了由经典PLC向现代PLC的蜕变。继承了高性价比、高可靠性、高易用性的特点,同时在ADI这类高性能模拟技术提供商的工业自动化领域创新技术加持下,典型的工业PLC系统也具有了高集成度与高灵活性、软件分布式配置I/O、嵌入式智能和无缝联接的性能,辅以更强有力的PLC软件平台支持,我们可以相信PLC将持久不衰地活跃在工业自动化的世界中。

标签:ADI 工业PLC我要反馈
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