PLC系统模拟输入输出发展趋势及设计挑战

　　工控摘要：现如今，PLC及DCS仍然在工控领域发挥着重大作用，并且正在朝着模块更小、速度更快、通道密度更高的方向发展。
　　
　　PLC自20世纪70年代后期进入中国后，已然经过了三十多年的长足发展。不知正在阅读文章的各位，是否还记得您参与设计的*款PLC电路?现如今，PLC及DCS仍然在工控领域发挥着重大作用，并且正在朝着模块更小、速度更快、通道密度更高的方向发展。
　　
　　以PLC机架插槽的典型I/O卡为例，目前常见的8通道模块尺寸一般为90mm×70mm×23.5mm，但在市场需求驱动下，名片大小的产品已经问世。通道密度或数量的增加不仅能提升模块功能，而且可以增加产品价格竞争力，自然大受欢迎。但是，如何降低模块尺寸?如何在满足上述需求的同时解决由此产生的自热问题?如何进行低功耗设计?这些，也都是PLC系统设计时面对的实际问题。
　　
　　ADI过程控制系列之《工业现场环路供电仪器仪表的四大关键设计环节》一文，已就现场仪器仪表/变送器的设计需求和挑战进行了深入分析，作为该篇文章的姊妹篇，本文将着重关注PLC/DCS系统中的模拟输入输出部分的发展趋势。这里会将输入和输出模块区分开来，就其不同的系统要求进行分别探讨，并着重介绍ADI能够支持这些要求的优势产品和解决方案。
　　
　　多通道全集成模拟输出解决方案
　　
　　模拟输出讲究的是集成、能效和性能。首先，模块尺寸要小。目前，设计人员早已通过在产品设计中选用0402封装电阻电容以及LFCSP封装IC，达到减少电路板尺寸的目的。与此同时，每个模块的功耗也由曾经的5W-10W，发展到了如今的3W-5W，未来势必降至更低。在这方面，一些设计人员通过牺牲设计规格来满足功耗预算，此法虽然能达到降低功耗的目的，但势必也会导致产品竞争力下降，因此并不推荐。
　　
　　其次，通道密度要增加，由原来的4通道、8通道增加至现在的12甚至16通道。*，空间不变而通道密度增加，会显著提升模块的环境温度，在某些情况下，高达100摄氏度的系统环境温度并不罕见，而这本身却会对zui高IC结温造成挑战。而且，通道密度的增加还意味着元件数量以及功耗的增加，这也从另一方面要求设计人员在选择元件时，要尺寸更小、静态电流更低而且效率更高。
　　
　　第三，速度，即建立时间要提高，从而实现工厂自动化。目前，模拟输出通道建立的时间已经降低至20μs，但依然在向更率发展。
　　
　　第四，工艺安全要求也要提高，系统要引入安全完整性等级（SIL）来提高诊断性以及稳定性。