可编程逻辑控制器和主要系统模块的功能

　　工控摘要：数十年以来，可编程逻辑控制器（PLC）始终是工厂自动化和工业过程控制有机组成的一部分。从简单的照明功能到环境系统、再到化学加工等各种应用，都离不开PLC控制。
　　
　　这些系统具备许多功能，提供各种模拟和数字输入/输出接口、信号处理、数据转换以及各种不同的通信协议。PLC的所有元件和功能都以控制器为中心，而控制器则针对某项具体任务进行编程。
　　
　　基本的PLC组件必须足够灵活并可配置，以满足不同工厂和应用的需求。输入激励（无论是模拟还是数字信号）来自机器装置、传感器或过程事件，表现为电压或电流。PLC必须准确地为CPU提供解析并转换激励信号，CPU进而确定一组发给输出系统的指令，而后者控制着安装在工厂或另一工业环境的执行机构。
　　
　　现代PLC起源于上世纪60年代，在随后的几十年中，通用功能和信号通道发生了少许变化。然而，21世纪的过程控制为PLC提出了更加艰巨的新要求：更高性能、更小体积和更大的功能灵活性。必须内置保护功能，防止潜在的破坏性静电放电（ESD）、电磁干扰和射频干扰（RFI/EMI），以及恶劣的工业环境中常见的大幅值瞬态脉冲。
　　
　　可靠设计
　　
　　PLC需要在工业环境中*工作数年，而这种环境对于为PLC提供灵活性和精密性的微电子元件有较大损害。Maxim比任何一家混合信号IC厂商都更能理解这一状况，因为我们在成立之初就以的产品可靠性和创新方案于同行业竞争者，确保高性能电子器件免受恶劣环境的损害，包括高ESD、高瞬态电压摆幅和EMI/RFI。设计人员已经普遍认可Maxim的产品，因为这些产品解决了模拟、混合信号设计的难题，并将年复一年坚持不懈地解决这类问题。
　　
　　更高集成度
　　
　　PLC具有4至数百路输入/输出（I/O）通道，支持各种不同规格的应用，因此，尺寸和功率也像系统精度、可靠性一样重要。Maxim坚持在IC中集成正确的功能，始终保持同行业的地位，从而减小了总体系统的空间和功率需求，得到更加紧凑的设计。Maxim能够以zui小尺寸提供数百款低功耗、高精度IC，使得系统设计人员能够构建*苛刻的空间、功耗要求的精密产品。
　　
　　工厂自动化—新发明
　　
　　装配生产线是人类历*相当新的发明创造，许多国家都在同一时期涌现出了类似的创新方案。我们在此列举了美国的几个示例。
　　
　　SamuelColt（美国*制造商）在19世纪中叶展示了一种通用部件。早期的*需要独立制造每杆枪的部件，然后再分别进行组装。为了实现自动装配，Colt尝试把10只枪的所有部件分别放置在不同箱子内，然后随机地从箱子里抓取这些部件并组装成一只枪。20世纪初期，HenryFord进一步拓展了大批量生产技术。他设立了固定装配厂，汽车在生产线上传递到不同车间。雇员只需要了解很少的装配知识，在以后的工作中也只进行这类工作。1954年，GeorgeDevol申请了美国2,988,237，这项标志着*工业机器人的诞生，该机器人命名为Unimate。20世纪60年代末期，GeneralMotors?使用PLC组装汽车的自动变速器。DickMorley—PLC之父，为GM?开发了PLC（Modicon），他的美国3,761,893是当今许多PLC的基础。
　　
　　基本的PLC操作
　　
　　过程控制可以简单到何种程度?我们以一个常见的家用加热器为例进行说明。
　　
　　加热器部件密封在一个容器内，便于系统通信。这个概念可以扩展到远端控制的家用恒温加热器，通信距离在几米左右，通常采用电压控制。
　　
　　现在，我们在这个小型简单过程控制系统的基础上加以拓展，一个工厂需要哪些控制和配置?
　　
　　远距离传输线的阻抗、EMI和RFI使得电压控制方案的实施非常困难，这种情况下，电流环不失为简单、有效的解决方案。由基尔霍夫定律可知，电流环中任何一点的电流等于环路中其它所有点的电流，由此可以抵消传输线阻抗的影响。由于环路阻抗和带宽较低（几百欧姆，并且<100Hz），EMI和RFI的杂散拾取被降至zui小。PLC系统对于适当的控制非常有用，例如工厂生产系统。
　　
　　PLC的电流环传输
　　
　　电流控制环的应用始于20世纪早期的电传打字机，zui早使用的是0–60mA环路，后来改为0–20mA环路，PLC系统采用了4–20mA环路。
　　
　　4–20mA电流环有很多优势。在传统的分立器件设计中需要仔细计算，而且与当前的集成4–20mAIC相比，电路占用很大空间。Maxim推出了几款20mA器件，包括MAX15500和MAX5661，可有效简化4–20mAPLC系统设计。
　　
　　测量到的任何电流值都代表一定的信息。实际应用中，4–20mA电流环路工作在0mA至24mA电流范围。但0mA至4mA和20mA至24mA电流范围用于诊断和系统校准。由于低于4mA和高于20mA的电流用于诊断，可以认为介于0mA和4mA之间的读数表示系统中传输线断开。同样，介于20mA和24mA之间的读数可以表示系统中出现潜在的短路故障。
　　
　　4–20mA通信的增强版称为高速可寻址远端传感器（HART?系统），该系统向下兼容4–20mA仪表。在HART系统中，采用基于微处理器的智能化集成现场器件能够实现双向通信。根据HART协议，能够在同一4–20mA模拟电流信号线对上承载附加的数字信息，用于过程控制。
　　
　　PLC的功能可划分成几个功能组。许多PLC厂商将这些功能集成为独立模块，每个模块所具备的功能随具体应用而有所不同。很多模块具有多种功能，可与多种传感器接口连接。然而，多数情况下会针对特殊应用设计模块或扩展模块，例如：电阻温度检测器（RTD）、传感器或热电偶传感器。通常，所有模块具备相同的核心功能：模拟输入、模拟输出、分布式控制（例如现场总线）、接口、数字输入和输出（I/O）、CPU以及电源。我们将逐一说明这些核心功能，传感器和传感器接口将在其它章节分别介绍。