從模擬前端看PLC技術(shù)應(yīng)用趨勢

隨著工業(yè)4.0的浪潮席卷全球，可編程邏輯控制器（PLC）作為工業(yè)自動化領(lǐng)域的核心設(shè)備，正經(jīng)歷著前所未有的技術(shù)革新。PLC以其高可靠性、強大的數(shù)據(jù)處理能力和靈活的編程方式，成為實現(xiàn)智能制造和工業(yè)自動化的關(guān)鍵。本文將詳細(xì)介紹工業(yè)PLC的發(fā)展歷程、技術(shù)特點以及恩智浦公司在工業(yè)PLC領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品應(yīng)用，探討其如何推動工業(yè)4.0的深入發(fā)展。

自上世紀(jì)60年代末誕生以來，PLC憑借其獨特的邏輯控制功能和可靠性，迅速成為工業(yè)自動化領(lǐng)域的核心設(shè)備。隨著技術(shù)的進步和工業(yè)需求的變化，PLC經(jīng)歷了從簡單邏輯控制到復(fù)雜過程控制、從單機控制到網(wǎng)絡(luò)控制、從模擬控制到數(shù)字控制的演進過程。

在工業(yè)4.0時代，PLC面臨著更高的要求和挑戰(zhàn)。工業(yè)生產(chǎn)需要更高的生產(chǎn)效率、更低的成本、更短的交貨周期和更高的靈活性。這就要求PLC必須具備更高的處理能力、更快的響應(yīng)速度和更強的適應(yīng)能力。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的快速發(fā)展，PLC也需要與這些新技術(shù)進行深度融合，實現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化的控制和管理。

PLC通常由主微控制器、模擬I/0卡、數(shù)字I/0卡和通信卡組成。如果必須修改生產(chǎn)線，還必須更改I/0。圖中顯示了傳統(tǒng)PLC設(shè)計中使用的I/O卡示例。

生產(chǎn)線所需的每種類型的輸入和輸出都有類似的卡片。例如，如果生產(chǎn)過程發(fā)生變化以滿足新的客戶要求，則必須更換整個PLC，或者至少必須更換各種I/0卡以滿足新配置。這需要時間和精力，并帶來了及時提供正確的PLC或I/O卡的挑戰(zhàn)，這與當(dāng)今工業(yè)4.0所需的快速變化不兼容。

工業(yè)4.0 PLC必須非常靈活，其輸入和輸出可以通過軟件進行數(shù)字配置，而無需手動干預(yù)。這種靈活性允許快速更改、提高效率和降低成本。隨著最新的半導(dǎo)體創(chuàng)新，I/O的軟件可配置性現(xiàn)在通過使用完全可配置的模擬輸入和輸出前端IC來實現(xiàn)。這些IC允許在任何時間點對輸入和輸出進行動態(tài)配置，從設(shè)計到在工廠車間部署PLC之后允許用具有軟件可配置功能的單個通用I/O模塊取代各種類型的模擬輸入和輸出塊。

當(dāng)轉(zhuǎn)換為通用I/O系統(tǒng)時，一個重要的設(shè)計考慮因素是評估這種系統(tǒng)是否會影響性能。恩智浦的NAFE系列為許多類型的輸入提供了動態(tài)配置，如電流、電壓、RTD和熱電偶，同時提高了整體系統(tǒng)級性能。

NAFE系列是一種高度可配置的工業(yè)級多通道通用輸入和輸出模擬前端（AFE），滿足高精度測量要求。該裝置集成了低泄漏，高電壓（HV）快速多路復(fù)用器、低偏移和低漂移可編程增益放大器（PGA）和緩沖器、高數(shù)據(jù)速率、24位delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、精確的電壓和電流激勵源和低漂移參考電壓。

恩智浦NAFE系列的另一個重要功能是高度集成的緊湊設(shè)計。PLC模擬輸入暴露于各種信號。確保I/O模塊的可靠性對于維護安全高效的工業(yè)環(huán)境至關(guān)重要。模擬輸入非常容易受到浪涌事件的影響。添加大電阻器以限制電流或添加TVS二極管的傳統(tǒng)方法既不有效也不節(jié)省空間，并且由于泄漏電流而惡化了測量精度。

相反，恩智浦的NAFE系列集成了連接到HVDD和HVSS的保護二極管，如圖所示。建議為每個高壓輸入引腳安裝一個帶有1nF或10nF電容器的外部串聯(lián)2.5kQ電阻器，以通過內(nèi)部二極管可靠性限制電流。如圖2所示，集成箝位電路可保護NAFE輸入免受現(xiàn)場安裝系統(tǒng)時照明引起的可能浪涌電壓以及制造過程和印刷電路板(PCB)組裝過程中發(fā)生的ESD事件的影響。

擁有這些內(nèi)部保護二極管有助于節(jié)省每塊板上寶貴的不動產(chǎn)，從而實現(xiàn)緊的設(shè)計。另一個重要的系統(tǒng)考慮因素是校準(zhǔn)支持。對模擬!/0模塊的校準(zhǔn)支持有助于制造商減少開發(fā)PLC模擬輸入設(shè)計的資本支出。

校準(zhǔn)支持:每當(dāng)傳感器連接到AFE的輸入端時，AFE不得引入任何影響傳感器讀數(shù)準(zhǔn)確性的增益或偏移異常。為此，傳感器到ADC的信號路徑將需要通過執(zhí)行系統(tǒng)校準(zhǔn)來將任何偏移和增益失配歸零。校準(zhǔn)PLC需要昂貴的測試設(shè)備，并延長了生產(chǎn)測試時間。

此外，恩智浦的工業(yè)PLC還可以與云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)進行深度融合，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集、分析和優(yōu)化。通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析，企業(yè)可以了解生產(chǎn)線的運行狀況、設(shè)備性能、產(chǎn)品質(zhì)量等信息，并根據(jù)這些信息制定更加科學(xué)的生產(chǎn)計劃和管理策略。這不僅可以提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量水平，還可以降低生產(chǎn)成本和資源浪費。

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