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    2022 華南展招展書
    PLC

    選擇合適的PLC信號鏈器件,加速工業控制自動化應用落地

      2022年01月26日  

      工業4.0時代,企業數字化轉型與智能制造成大勢,自動化水平的日益提高,工業互聯網的迅速發展交織著IT(信息技術)、OT(運營技術)與CT(通訊技術)三條主線的加速融合??删幊踢壿嬁刂破?PLC)作為OT以及工業自動化關鍵設備以及工業互聯網底層的重要組件,也隨之得到了巨大的進步。同時,由于設備、機器和工廠變得“更智能”,工業現場控制對PLC以及DCS等設備提出了更高的要求。

    智造“先行兵”,PLC助力工業控制實現自動化

      眾所知周,PLC 是在傳統的順序控制器的基礎上引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術而形成的新一代工業控制裝置,目的是用來取代繼電器、執行邏輯、計時計數等順序控制功能,建立柔性的編程控制系統。目前,PLC 在傳統功能的基礎上增加了模擬量運算、PID 功能、通信功能以及更可靠的工業抗干擾技術等功能,廣泛應用于工業生產的各個領域。

      因此PLC可簡單理解為一種用于特定工業環境下的計算機,并具備多種優良性能,其硬件結構與計算機基本相同,具備CPU、I/O 模塊、電源模塊、底板、外設以及通信聯網設備,采用了可編程的存儲器對邏輯運算、順序控制、計時計數和算數運算進行存儲,并通過數字的、模擬的輸入輸出指令控制各種類型的工業生產過程。與通用的計算機相比,PLC 在工業領域的使用場景多、適應面廣,并具備可靠性高、抗干擾能力強和編程簡單等優點。

      下圖顯示在工業自動化和過程控制系統中使用PLC的簡化信號鏈。PLC通常包括模擬和數字輸入/輸出(I/O)模塊、中央處理器(CPU)和電源管理電路。

    典型PLC信號鏈

      在工業應用中,模擬輸入模塊可獲取和監控惡劣環境中的遠程傳感器信號,例如存在極端溫度和濕度、振動、爆炸化學物品的環境。典型信號包括具有5V、10V、±5V和±10V滿量程范圍的單端電壓或差分電壓,或者0mA至20mA、4mA至20mA、±20mA范圍的環路電流。當遇到具有嚴重電磁干擾(EMI)的長電纜時,通常使用電流環路,因為它們本身具有良好的抗擾度。

     從分立到集成,簡化工業數據采集系統設計

      以往實現這類I/O系統需要大量高性能分離式元件,由此產生的是龐大且昂貴的系統。近年來,集成技術的進步使得系統設計人員能夠采用尺寸更小、功耗更低、成本更低的解決方案,

      其性能與那些大型系統不相上下。持續的技術進步要求既能不斷促進這些解決方案集成,同時還提高其性能和診斷能力。亞德諾半導體(ADI)提供面向市場定制的解決方案,以便簡化設計過程。這些解決方案采用業界領先技術,并提供眾多設計選項,從采用分立器件的實施方案到全集成式解決方案應有盡有。

      分立式數據采集系統方案

      工業設計人員可以使用分立式高性能組件,為PLC或類似數據采集系統構建模擬模塊,如下圖所示。主要設計考慮因素包括輸入信號配置、整體系統速度、精度和精確性。此處所示的信號鏈采用ADG1208/ADG1209低泄漏多路復用器、 AD8251快速建立可編程增益儀表放大器(PGIA)、AD8475高速漏斗放大器、AD7982差分輸入18位 PulSAR?ADC和 ADR4550超低噪聲基準電壓源。這種解決方案提供四個不同增益范圍,但在±10 V的最大輸入信號的情況下,設計人員必然會擔心多路復用器的切換和建立時間,以及其他模擬信號調理問題。此外,在1 MSPS速率下實現真正的16位性能可能是一個嚴峻挑戰,即便在使用這些高性能器件時也是如此。

      AD7982具有滿量程階躍的290 ns瞬態響應性能。因此,要在1 MSPS速率下進行轉換的同時保證指定性能,PGIA和漏斗放大器必須在710 ns時間內建立。但是,AD8251針對10 V階躍達到16位轉換精度(0.001%)的建立時間為785ns,因此該信號鏈的保證最大吞吐率將小于1 MSPS。

    使用分立式元件的模擬輸入信號鏈

      ● 集成式解決方案簡化數據采集系統設計

      16位1 MSPS ADAS3022數據采集系統IC采用專有高壓工業工藝技術iCMOS?制造,集成8通道、低泄漏多路復用器、高阻抗PGIA(具有高共模抑制)、高精度低漂移4.096V基準電壓源和緩沖器以及16位逐次逼近型ADC。

    ADAS3022功能框圖

      該完整傳感器數據采集解決方案占用的電路板空間僅為分立方案的三分之一,有助于工程師簡化設計,同時減小高級工業數據采集系統的尺寸,縮短產品面市時間,節省成本。它使得我們無需對輸入信號進行緩沖、電平轉換、放大、衰減或其他調理,也消除了我們對共模抑制、噪聲和建立時間的擔憂,還解決了與設計高精度16位1 MSPS數據采集系統相關的諸多難題。它可在1 MSPS速率下(典型 SNR為91 dB)提供同類較佳的16位精度(典型INL為±0.6 LSB)、低失調電壓、低溫度漂移和優化噪聲性能。

      值得一提的是,目前很多傳統工業自動化或者過程控制系統,其物理層的實現擁有大量的I/O的接口,包括了模擬和數字的輸入輸出。I/O單元實際上是PLC與被控對象間傳遞輸入輸出信號的接口部件,它是直接連接現場儀表和整個控制單元當中的紐帶。而一旦客戶新增需求或者設備替換生產數字或者系統發生變化,大量的I/O接口就需要整體調整或遷移,整個工作繁瑣且耗時耗力。針對整個模塊量輸入模塊,ADI的AD411X(AD4111,AD4112)系列產品,集成了多重保護功能,同時提供相應的電源解決方案。在應用過程中,基本上是24V輸入、5V輸出的電源架構。AD411X產品每個通道都可以任意地定義為數字量的輸入輸出,或者模擬量的輸入輸出,所以把它叫做軟件定義I/O。

      AD4111集成了低噪聲、快速建立、24位Σ-Δ型模數轉換器(ADC)和模擬前端,支持全差分或單端、雙極性±10 V電壓輸入和單端20 mA輸入,用于工業自動化應用的可編程邏輯控制器和分布式控制系統(DCS)模塊。

    本文小結

      下一代工業PLC模塊需要高精度、可靠運行和功能靈活性,所有這些特性都必須通過外形小巧的低成本產品提供?;赑LC的系統采用多個傳感器和執行器,可測量和控制模擬過程變量,被廣泛應用于眾多不同工業應用。此外,ADI提供的靈活模擬I/O解決方案,降低系統設計復雜性的同時,將加速工業自動化與實現IT/OT融合趨勢帶來的規模優勢奠定基礎。

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