過程控制和PLC設(shè)計(jì)指南

簡(jiǎn)介

工業(yè)控制、工廠自動(dòng)化以及PLC (可編程邏輯控制器)是發(fā)展成熟的技術(shù)，能夠有效地節(jié)約時(shí)間、材料、能源和金錢。但從何入手呢? 設(shè)計(jì)一個(gè)完全自動(dòng)化的工廠是一項(xiàng)巨大工程，有可能在還沒有啟動(dòng)項(xiàng)目時(shí)就放棄了。

這使我們想起多年以前非洲的一位探險(xiǎn)家，當(dāng)他詢問本地的一位部落男子：“如何吃掉一頭大象?”，這位男子驚訝地看著探險(xiǎn)家回答到：“我們吃大象就像吃別的任何東西一樣，一次一口”。與其它大型系統(tǒng)開發(fā)一樣，工業(yè)控制系統(tǒng)可以劃分成許多小規(guī)模電路。下面我們就開始探討這些細(xì)分后的電路。

過程控制流程

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。我們將列舉其中的幾個(gè)示例，闡述如何演進(jìn)到一個(gè)完整的自動(dòng)化工廠。

Samuel Colt (美國的*制造商)在19世紀(jì)中葉展示了一種通用部件。早期的*需要獨(dú)立制造每只槍的部件，然后進(jìn)行組裝。Colt先生展示了10只槍的通用部件，然后隨機(jī)地從箱子里抓取這些部件并組裝好一只槍。在20世紀(jì)初期，Henry Ford進(jìn)一步拓展了大批量生產(chǎn)技術(shù)。他采用固定的裝配廠，用卡車在工廠之間運(yùn)輸零部件。雇員只需要了解很少的裝配知識(shí)，在以后的工作中也只進(jìn)行這些操作。1954年，George Devol申請(qǐng)了美國專利2,988,237，這項(xiàng)專利標(biāo)志著首臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的誕生，該機(jī)器人被命名為Unimate。20世紀(jì)60年代末期，General Motors?使用PLC (可編程邏輯控制器)組裝汽車的自動(dòng)變速器。被稱為PLC之父的Dick Morley為GM生產(chǎn)了首個(gè)PLC。他的美國專利3,761,893是當(dāng)前許多PLC的基礎(chǔ)(有關(guān)上述四位發(fā)明家的詳細(xì)信息，請(qǐng)參考：www.wikipedia.org/；相關(guān)專利請(qǐng)查詢：http://patft.uspto.gov/netahtml/PTO/srchnum.htm)。

過程控制可以簡(jiǎn)單到何種程度? 圖1給出了一個(gè)常見的家用加熱器。

圖1. 家用電子加熱器，一個(gè)簡(jiǎn)單的過程控制示例。

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

現(xiàn)在，我們可以考慮一個(gè)小型的簡(jiǎn)單過程控制系統(tǒng)，在圖2所示工廠中需要哪些必要部件?

圖2. 工廠的遠(yuǎn)程通信

長(zhǎng)距離傳輸線的阻抗、EMI以及RFI (電磁及無線電干擾)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(jiǎn)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)的電流之和，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，< 100Hz)，EMI和RFI的雜散拾取最小。

PLC基本原理

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)，最先使用的是0–60mA環(huán)路，后來改為0–20mA環(huán)路，PLC系統(tǒng)率先加入4–20mA環(huán)路。4–20mA電流環(huán)有很多優(yōu)勢(shì)，將4mA作為最低通信電流，傳輸線斷開(開路)時(shí)很容易檢測(cè)到這一故障，只需兩條連線即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端傳感器供電，大約3.5mA。4–20mA環(huán)路可以采用模擬通信，也可以采用數(shù)字通信。

在傳統(tǒng)的分立器件設(shè)計(jì)中需要仔細(xì)計(jì)算，而且電路占用較大空間。Maxim推出了幾款20mA器件，能夠大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。我們首先考慮典型的PLC功能，如圖3所示。

圖3. PLC簡(jiǎn)化框圖

PLC用于完成某項(xiàng)工作或任務(wù)。我們先檢測(cè)一個(gè)物理參數(shù)，對(duì)其處理并進(jìn)行決策，然后命令某個(gè)物理設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作。根據(jù)這一模型，左下框顯示了信號(hào)調(diào)理輸出，可以采用MAX15500/MAX15501集成電路。

MAX15500/MAX15501允許選擇近程電壓控制或遠(yuǎn)程電流控制。從圖4可以看出，除了傳統(tǒng)的分立方案中所具備的基本通信功能外，器件中又加入了新的監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能。

圖4. MAX15500/MAX15501輸出調(diào)理器系列產(chǎn)品，器件功能包括：為1kΩ提供的±12V加載感應(yīng)輸出、供給750Ω的±24mA電流、100µs的14位建立時(shí)間、40µs的12位建立時(shí)間。

工廠布線受運(yùn)動(dòng)、震動(dòng)等因素的影響，可能導(dǎo)致與其它連接器之間的開路或短路。為了保證設(shè)備和人身安全，需要進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。電纜發(fā)生失效時(shí)，在系統(tǒng)徹底失效之前會(huì)有一段間隔時(shí)間。MAX15500系列能夠智能化地進(jìn)行監(jiān)測(cè)，管理不同的失效狀況。

考慮到工廠極端的EMI、RFI、電源浪涌條件，任何監(jiān)控措施都必須可靠，能夠不受外界環(huán)境的干擾。MAX15500系列包含了一個(gè)最小260ms的開路、短路超時(shí)周期，這個(gè)時(shí)間周期足以避免監(jiān)測(cè)嘈雜環(huán)境引起的錯(cuò)誤報(bào)警，而且也足夠捕獲短暫的電纜故障。此外，器件將鎖存故障并觸發(fā)一個(gè)獨(dú)立的硬件中斷引腳報(bào)警，從而使處理器快速響應(yīng)電纜短路故障。處理器收到中斷后可以讀取MAX15500的寄存器內(nèi)容，獲取準(zhǔn)確的故障信息，清除故障中斷。除了監(jiān)測(cè)電纜的狀況外，器件還提供其它安全功能，例如，通過檢測(cè)芯片溫度監(jiān)控環(huán)境是否過熱?？烧{(diào)節(jié)的電源跌落檢測(cè)門限對(duì)于可靠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，電源電壓檢測(cè)門限可以在±10V至±24V范圍調(diào)節(jié)，級(jí)差為2V。

為了保證系統(tǒng)安全，MAX15500/MAX15501輸出還具有過流保護(hù)、對(duì)地短路保護(hù)以及高達(dá)±35V的過壓保護(hù)。為滿足客戶需求，MAX15500/MAX15501提供可編程的超量程能力。某些用戶采用滿量程的105%，甚至120%進(jìn)行測(cè)試或處理緊急操作(系統(tǒng)可能出于部分故障或強(qiáng)噪聲環(huán)境)。MAX15500/MAX15501采用32引腳、5mm² TQFN封裝，帶有裸焊盤，改善散熱。

MAX15500/MAX15501輸出調(diào)理器符合HART®標(biāo)準(zhǔn)，HART (高速可尋址遠(yuǎn)端傳感器)協(xié)議能夠在4–20mA控制線路上承載雙向數(shù)字信號(hào)，類似于1200波特率、用于固定電話呼叫的Bell 202協(xié)議。

MAX15500/MAX15501還具有獨(dú)立的SPI™總線，減少了電氣隔離所需要的光隔離器。器件采用的是特殊的自定時(shí)SPI接口，支持菊鏈協(xié)議。當(dāng)多個(gè)SPI器件需要通過電氣隔離控制時(shí)，這種模式有助于減少控制線和隔離光耦的需求。

在更小的PCB (PC板)上集成更多功能

設(shè)計(jì)分立、可選電壓(單極性和雙極性)或電流輸出調(diào)節(jié)電路是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的任務(wù)，特別是當(dāng)設(shè)計(jì)人員了解到需要控制滿量程可變?cè)鲆?、針?duì)單極性和雙極性電壓設(shè)置的多種復(fù)位電平、0mA和4mA電路需求時(shí)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的復(fù)雜度又進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。圖5簡(jiǎn)化了這些功能設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@些功能已經(jīng)集成在MAX5661電流和電壓輸出DAC的內(nèi)部。

圖5. MAX5661的簡(jiǎn)化功能框圖

MAX5661借助其編程功能解決了分立方案設(shè)計(jì)難題，可以方便地選擇以下參數(shù)：

輸出電壓

單極性范圍：0至+10.24V，±25%

雙極性范圍：±10.24V，±25%

電流輸出

單極性低檔范圍：0至20.45mA

單極性高檔范圍：3.97mA至20.45mA

滿量程輸出增益

以10位分辨率或間隔調(diào)整到高達(dá)±25%的超范圍

異步復(fù)位或清零，或預(yù)置到16位數(shù)字

這些功能提供了設(shè)計(jì)靈活性，作為模擬電源時(shí)，輸出電壓范圍為±13.48V至±15.75V；電流輸出時(shí)，輸出電壓擺幅為：+13.48V至+40V。差分電壓輸出可以通過電壓輸出放大器的加載/感應(yīng)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)。故障輸出中斷指示開路電流輸出、短路電壓輸出或狀態(tài)清除。該功能由限流電壓輸出驅(qū)動(dòng)；對(duì)于電流輸出，壓差檢測(cè)器對(duì)超出規(guī)定范圍的電流輸出進(jìn)行監(jiān)測(cè)。/LDAC引腳用于控制異步DAC更新和多DAC同步系統(tǒng)。

上述所有功能集成在MAX5661 10mm x 10mm LQFP封裝內(nèi)。

利用電壓和電流調(diào)理提供多PLC輸出

很明顯，可以利用多片MAX5661 16位器件提供其它附加功能，但是，對(duì)于需要低分辨率、低成本的PLC系統(tǒng)可以考慮其它方案，Maxim提供分辨率為6位至16位的DAC，擁有超過2500種不同型號(hào)的器件。該系列產(chǎn)品的通道選擇包括：1至4通道、8通道、16通道以及32通道。通信接口包括并行、高速SPI和I²C串行總線等。另外，還可以選擇快速建立時(shí)間(< 1µs)、小尺寸(SOT23、QFN、µMAX®)以及更高精度(≤ 1 LSB INL)等器件。

Maxim近期推出的高精度DAC系列產(chǎn)品包括MAX5134–MAX5137和MAX5138/MAX5139，這些DAC包括六路可選的緩沖電壓輸出。所有器件采用+2.7V至+5.25V單電源供電，提供3線SPI/QSPI™/MICROWIRE™/DSP兼容串行接口。

MAX5134–MAX5137為引腳兼容、軟件兼容的16位和12位DAC。MAX5134為四通道16位器件，INL為±8。MAX5135同樣為四通道DAC，分辨率為12位，INL為±1；MAX5136為雙通道16位器件，INL為±8；MAX5137為雙通道12位器件，INL為±1。每款DAC都提供超小尺寸(4mm²)、24引腳TQFN封裝，工作在-40°C至+105°C擴(kuò)展工業(yè)級(jí)溫度范圍。

MAX5138/MAX5139都是單通道、引腳和軟件兼容的DAC，提供小尺寸(3mm²)、16引腳TQFN封裝。MAX5138為16位DAC，INL典型值為±2；MAX5139為12位DAC，INL典型值為±0.25。

高性能MAX5134–MAX5139內(nèi)置10ppm/°C的高精度基準(zhǔn)，也可以使用外部基準(zhǔn)，以支持滿擺幅輸出。利用一個(gè)硬件輸入引腳控制DAC的輸出設(shè)置，可以在上電或復(fù)位時(shí)將DAC輸出置于0或中間值。該特性為閥門驅(qū)動(dòng)或其它需要在上電時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)變送器應(yīng)用提供了附加保護(hù)。硬件加載DAC (/LDAC)引腳支持多片DAC的同步更新。串行接口提供/READY輸出，簡(jiǎn)化多片MAX5134–MAX5139、MAX15500/MAX15501以及MAX5661器件鏈接時(shí)的控制。

對(duì)于高性價(jià)比的4路輸出PLC應(yīng)用，可以選擇MAX5135四通道12位DAC和四通道MAX15500輸出調(diào)理器。

結(jié)論

Maxim DAC的高線性度和輸出調(diào)理功能使得這些器件能夠理想用于高精度控制和儀器儀表。Maxim器件為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、明智的選擇，能夠消除分立電路復(fù)雜、大尺寸的設(shè)計(jì)困擾。簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)意味著可以隨意選擇電壓或電流驅(qū)動(dòng)，使繁忙的工程師能夠?qū)Ｗ⒂谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，減少浪費(fèi)，提供更加有效的高精度控制，進(jìn)而改進(jìn)我們的環(huán)境。