使PLC的設計和實現達到更高的效率和生產力的方法探析

引言

增強生產力和效率——這些都是現在的所謂工業(yè)4.0或智能制造（SM）的焦點1。工廠被鼓勵“將工廠運營效率提高10%（損耗/單位產品）”2，以較少的能源、水及其它自然資源產出更多產品。有人認為，這是滿足全球不斷增長的需求的唯一途徑3。規(guī)劃工業(yè)4.0的目的是“連續(xù)提高整個價值鏈中的資源生產力和效率”4。為了使“產出最大化。..重點就要提高資源生產力。..和資源效率。”所以，許多文獻和報告一致贊成如下主題：21世紀的制造工廠必須優(yōu)化系統(tǒng)生產力和效率，以20世紀生產相同產品所需的相同或更低成本生產更大量的產品。

現代自動化工廠大都通過電子和信息技術來提高生產力，特別是可編程邏輯控制器（PLC）和分布式控制系統(tǒng)（DCS），已成為現代工廠中無處不在的眾多神經系統(tǒng)的中樞控制。我們將工廠中廣泛分布并受控于相同PLC和DCS的每個模塊、子系統(tǒng)或元件稱為“神經系統(tǒng)”。您任何時候提高這些子系統(tǒng)的生產力和效率時，都將對整個工廠的運營產生積極影響。

本文介紹如何使PLC的設計和實現達到更高的效率和生產力，也討論了預期——滿足將來不斷增長的生產需要的系統(tǒng)的預期。本文介紹一款優(yōu)異的子系統(tǒng)參考設計Alameda，該參考設計利用高效率的反激式變換器的電源提供四路高效、極高精度模擬輸出。通過部署Alameda，自動化工廠將立即看到其PLC系統(tǒng)生產力的大飛躍，提前滿足將來SM工廠的效率要求。

四路模擬輸出，無常見噪聲

過去，PLC和DCS的模擬輸出參考系統(tǒng)專注于模擬性能；更高的效率和系統(tǒng)生產力往往被忽略。如果某個設計者試圖通過集成電源來提高系統(tǒng)效率，則仍然需要解決系統(tǒng)噪聲問題。

現在，有一種途徑既可實現四路高精度模擬輸出又可以解決噪聲問題：Alameda （MAXREFDES24#） 4通道模擬輸出子系統(tǒng)參考設計（圖1）。Alameda具有四路高精度（《±0.1%）的靈活模擬輸出、一個高效率電隔離電源，以及自動故障檢測和過熱保護。完備的硬件和固件設計文件以及實驗室測量數據，能夠幫助快速設計原型及開發(fā)。

圖1. Alameda子系統(tǒng)設計方框圖

元件數量較少，具有更大通用性

高度集成是這里的關鍵，集成提高了通用性、避免了噪聲問題，并且減少了器件數量。我們首先了解一下硬件（圖2）。

圖2. Alameda參考設計電路板（MAXREFDES24#）。

MAX5134四通道、16位、帶緩沖電壓輸出、高線性度DAC是該系統(tǒng)的核心。器件具有4路通道、極低死區(qū)（最大0.02V）、滿擺幅輸出，所以無需DAC負電源。器件提供電壓輸出，驅動四片MAX15500信號調理器的輸入。同時也要注意，DAC輸出直接驅動調理器輸入，無外部元件，使得接口非常簡單。

每片MAX15500為單通道、低成本、高精度模擬電流/電壓輸出調理器，專為滿足PLC及DCS要求而開發(fā)。信號調理器工作在±24V電源范圍，產生用戶可編程、單極性和雙極性、高精度電流或電壓輸出。電流輸出驅動高達1kΩ負載，電壓輸出驅動低至1kΩ的負載。MAX15500具有過流和短路保護，也監(jiān)測過熱和掉電情況，并提供全面的錯誤報告。

MAX6126超高精度電壓基準驅動模擬輸出調理器和DAC的基準輸入，初始精度為0.02%，最大溫度系數（tempco）為3ppm/℃。

對于數據隔離，MAX14850對現場測和系統(tǒng)控制器側的數據通信進行隔離。合成的電源和數據隔離為600VRMS。

電源由隔離、寬直流輸入范圍、反激式變換器提供。峰值電流模式反激式控制器MAX17498B高效驅動隔離變壓器，支持+18V至+32V單直流電壓輸入，產生±24V和+8V輸出。MAX17498B電路的最高工作效率為85%。正確安裝的1000pF、2000V電容耦合兩個隔離地，同時仍然維持隔離，減小模擬輸出噪聲。MAX1659低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器將+8V輸出調節(jié)至+5V低噪聲輸出。整個系統(tǒng)只需要24V輸入作為電源。

針對LX9和ZedBoard平臺開發(fā)

Alameda設計經過LX9和ZedBoard平臺驗證。Alameda具有簡單板載Pmod兼容連接器，可連接至Pmod兼容的現場可編程門陣列（FPGA）/微控制器開發(fā)板。目前提供這兩種平臺的項目文件、器件驅動器以及示例代碼?？赏ㄟ^以下網址下載完整的源代碼和文件：。

性能測量

微分非線性（DNL）、積分非線性（INL）和總計不調整誤差（TUE）是PLC及其它過程控制系統(tǒng)的最重要技術指標。MAX15500高度靈活、可配置，滿足不同應用的需求。數據在+25℃下獲得。下圖中，由于編碼0至320在MAX5134的死區(qū)范圍（0至0.02V），所以前320個DAC編碼的DNL、INL和TUE標為0。

-10V至+10V電壓輸出模式、20%過量程下的DNL、INL和TUE測量結果分別如圖3、4和5所示。單極性電壓（0至5V），雙極性電流（-20mA至20mA）和單極性電流（0至20mA）的測量數據可參見以下網址：。

圖3. DNL，-10V至+10V輸出范圍，20%過量程。

圖4. INL，-10V至+10V輸出范圍，20%過量程。

圖5. 輸出誤差，-10V至+10V輸出范圍，20%過量程。

結論

工業(yè)4.0和智能制造倡導全新的第四代工業(yè)制造，這些概念代表現代化工廠提高生產力和效率的一個全新的21世紀?，F在，Alameda子系統(tǒng)的出現使得當今的預期生產力和效率更加可行。Alameda提供高性能模擬輸出和優(yōu)異的電源效率，適用于PLC和DCS內的IO模塊；解決了相關的噪聲問題，并加快工業(yè)系統(tǒng)設計。如開篇所述，Alameda將對整個工廠的運營產生積極影響。