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可編程邏輯控制器和主要系統(tǒng)模塊的功能是什么

454398 ? 來源:alpha007 ? 作者:alpha007 ? 2022-12-23 13:46 ? 次閱讀
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數(shù)十年以來,可編程邏輯控制器(PLC)始終是工廠自動(dòng)化和工業(yè)過程控制有機(jī)組成的一部分。從簡單的照明功能到環(huán)境系統(tǒng)、再到化學(xué)加工等各種應(yīng)用,都離不開 PLC 控制。這些系統(tǒng)具備許多功能,提供各種模擬和數(shù)字輸入 / 輸出接口信號處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及各種不同的通信協(xié)議。PLC 的所有元件和功能都以控制器為中心,而控制器則針對某項(xiàng)具體任務(wù)進(jìn)行編程。

基本的 PLC 組件必須足夠靈活并可配置,以滿足不同工廠和應(yīng)用的需求。輸入激勵(lì)(無論是模擬還是數(shù)字信號)來自機(jī)器裝置、傳感器或過程事件,表現(xiàn)為電壓或電流。PLC 必須準(zhǔn)確地為 CPU 提供解析并轉(zhuǎn)換激勵(lì)信號,CPU 進(jìn)而確定一組發(fā)給輸出系統(tǒng)的指令,而后者控制著安裝在工廠或另一工業(yè)環(huán)境的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

現(xiàn)代 PLC 起源于上世紀(jì) 60 年代,在隨后的幾十年中,通用功能和信號通道發(fā)生了少許變化。然而,21 世紀(jì)的過程控制為 PLC 提出了更加艱巨的新要求:更高性能、更小體積和更大的功能靈活性。必須內(nèi)置保護(hù)功能,防止?jié)撛诘钠茐男造o電放電(ESD)、電磁干擾和射頻干擾(RFI/EMI),以及惡劣的工業(yè)環(huán)境中常見的大幅值瞬態(tài)脈沖。

可靠設(shè)計(jì)
PLC 需要在工業(yè)環(huán)境中無故障工作數(shù)年,而這種環(huán)境對于為 PLC 提供卓越靈活性和精密性的微電子元件有較大損害。Maxim 比任何一家混合信號 IC 廠商都更能理解這一狀況,因?yàn)槲覀冊诔闪⒅蹙鸵宰吭降漠a(chǎn)品可靠性和創(chuàng)新方案領(lǐng)先于同行業(yè)競爭者,確保高性能電子器件免受惡劣環(huán)境的損害,包括高 ESD、高瞬態(tài)電壓擺幅和 EMI/RFI。設(shè)計(jì)人員已經(jīng)普遍認(rèn)可 Maxim 的產(chǎn)品,因?yàn)檫@些產(chǎn)品解決了模擬、混合信號設(shè)計(jì)的難題,并將年復(fù)一年堅(jiān)持不懈地解決這類問題。

更高集成度
PLC 具有 4 至數(shù)百路輸入 / 輸出(I/O)通道,支持各種不同規(guī)格的應(yīng)用,因此,尺寸和功率也像系統(tǒng)精度、可靠性一樣重要。Maxim 堅(jiān)持在 IC 中集成正確的功能,始終保持同行業(yè)的領(lǐng)先地位,從而減小了總體系統(tǒng)的空間和功率需求,得到更加緊湊的設(shè)計(jì)。Maxim 能夠以最小尺寸提供數(shù)百款低功耗、高精度 IC,使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠構(gòu)建完全滿足苛刻的空間、功耗要求的精密產(chǎn)品。

工廠自動(dòng)化—新發(fā)明

裝配生產(chǎn)線是人類歷史上相當(dāng)新的發(fā)明創(chuàng)造,許多國家都在同一時(shí)期涌現(xiàn)出了類似的創(chuàng)新方案。我們在此列舉了美國的幾個(gè)示例。

Samuel Colt (美國槍支制造商)在 19 世紀(jì)中葉展示了一種通用部件。早期的槍支需要獨(dú)立制造每桿槍的部件,然后再分別進(jìn)行組裝。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配,Colt 先生嘗試把 10 只槍的所有部件分別放置在不同箱子內(nèi),然后隨機(jī)地從箱子里抓取這些部件并組裝成一只槍。20 世紀(jì)初期,Henry Ford 進(jìn)一步拓展了大批量生產(chǎn)技術(shù)。他設(shè)立了固定裝配廠,汽車在生產(chǎn)線上傳遞到不同車間。雇員只需要了解很少的裝配知識,在以后的工作中也只進(jìn)行這類工作。1954 年,George Devol 申請了美國專利 2,988,237,這項(xiàng)專利標(biāo)志著首個(gè)工業(yè)機(jī)器人的誕生,該機(jī)器人命名為 Unimate。20 世紀(jì) 60 年代末期,General Motors?使用 PLC 組裝汽車的自動(dòng)變速器。Dick Morley—PLC 之父,為 GM?開發(fā)了首款 PLC (Modicon),他的美國專利 3,761,893 是當(dāng)今許多 PLC 的基礎(chǔ)(有關(guān)上述四位發(fā)明家的詳細(xì)信息,請參考:www.wikipedia.org/;相關(guān)專利請查詢:http://patft.uspto.gov/netahtml/PTO/srchnum.htm)。

基本的 PLC 操作
過程控制可以簡單到何種程度? 我們以一個(gè)常見的家用加熱器為例進(jìn)行說明。

加熱器部件密封在一個(gè)容器內(nèi),便于系統(tǒng)通信。這個(gè)概念可以擴(kuò)展到遠(yuǎn)端控制的家用恒溫加熱器,通信距離在幾米左右,通常采用電壓控制。

現(xiàn)在,我們在這個(gè)小型簡單過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加以拓展,一個(gè)工廠需要哪些控制和配置?

遠(yuǎn)距離傳輸線的阻抗、EMI 和 RFI 使得電壓控制方案的實(shí)施非常困難,這種情況下,電流環(huán)不失為簡單、有效的解決方案。由基爾霍夫定律可知,電流環(huán)中任何一點(diǎn)的電流等于環(huán)路中其它所有點(diǎn)的電流,由此可以抵消傳輸線阻抗的影響。由于環(huán)路阻抗和帶寬較低(幾百歐姆,并且< 100Hz),EMI 和 RFI 的雜散拾取被降至最小。PLC 系統(tǒng)對于適當(dāng)?shù)目刂品浅S杏茫绻S生產(chǎn)系統(tǒng)。

家用電熱器,一個(gè)簡單的過程控制示例。

工廠遠(yuǎn)程通信

PLC 的電流環(huán)傳輸
電流控制環(huán)的應(yīng)用始于 20 世紀(jì)早期的電傳打字機(jī),最早使用的是 0–60mA 環(huán)路,后來改為 0–20mA 環(huán)路,PLC 系統(tǒng)率先采用了 4–20mA 環(huán)路。

4–20mA 電流環(huán)有很多優(yōu)勢。在傳統(tǒng)的分立器件設(shè)計(jì)中需要仔細(xì)計(jì)算,而且與當(dāng)前的集成 4–20mA IC 相比,電路占用很大空間。Maxim 推出了幾款 20mA 器件,包括 MAX15500 和 MAX5661,可有效簡化 4–20mA PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

測量到的任何電流值都代表一定的信息。實(shí)際應(yīng)用中,4–20mA 電流環(huán)路工作在 0mA 至 24mA 電流范圍。但 0mA 至 4mA 和 20mA 至 24mA 電流范圍用于診斷和系統(tǒng)校準(zhǔn)。由于低于 4mA 和高于 20mA 的電流用于診斷,可以認(rèn)為介于 0mA 和 4mA 之間的讀數(shù)表示系統(tǒng)中傳輸線斷開。同樣,介于 20mA 和 24mA 之間的讀數(shù)可以表示系統(tǒng)中出現(xiàn)潛在的短路故障。

4–20mA 通信的增強(qiáng)版稱為高速可尋址遠(yuǎn)端傳感器(HART?系統(tǒng)),該系統(tǒng)向下兼容 4–20mA 儀表。在 HART 系統(tǒng)中,采用基于微處理器的智能化集成現(xiàn)場器件能夠?qū)崿F(xiàn)雙向通信。根據(jù) HART 協(xié)議,能夠在同一 4–20mA 模擬電流信號線對上承載附加的數(shù)字信息,用于過程控制。

PLC 的功能可劃分成幾個(gè)功能組。許多 PLC 廠商將這些功能集成為獨(dú)立模塊,每個(gè)模塊所具備的功能隨具體應(yīng)用而有所不同。很多模塊具有多種功能,可與多種傳感器接口連接。然而,多數(shù)情況下會針對特殊應(yīng)用設(shè)計(jì)專用模塊或擴(kuò)展模塊,例如:電阻溫度檢測器(RTD)、傳感器或熱電偶傳感器。通常,所有模塊具備相同的核心功能:模擬輸入、模擬輸出、分布式控制(例如現(xiàn)場總線)、接口、數(shù)字輸入和輸出(I/O)、CPU 以及電源。我們將逐一說明這些核心功能,傳感器和傳感器接口將在其它章節(jié)分別介紹。

審核編輯 黃昊宇

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