過程控制和PLC設計指南

簡介

　　工業(yè)控制、工廠自動化以及PLC (可編程邏輯控制器)是發(fā)展成熟的技術，能夠有效地節(jié)約時間、材料、能源和金錢。但從何入手呢? 設計一個完全自動化的工廠是一項巨大工程，有可能在還沒有啟動項目時就放棄了。

　　這使我們想起多年以前非洲的一位探險家，當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分后的電路。

　　過程控制流程

　　裝配生產線是人類歷史上相當新的發(fā)明創(chuàng)造，許多國家都在同一時期涌現(xiàn)出了類似的創(chuàng)新方案。我們將列舉其中的幾個示例，闡述如何演進到一個完整的自動化工廠。

　　Samuel Colt (美國的*制造商)在19世紀中葉展示了一種通用部件。早期的*需要獨立制造每只槍的部件，然后進行組裝。Colt先生展示了10只槍的通用部件，然后隨機地從箱子里抓取這些部件并組裝好一只槍。在20世紀初期，Henry Ford進一步拓展了大批量生產技術。他采用固定的裝配廠，用卡車在工廠之間運輸零部件。雇員只需要了解很少的裝配知識，在以后的工作中也只進行這些操作。1954年，George Devol申請了美國專利2,988,237，這項專利標志著首臺工業(yè)機器人的誕生，該機器人被命名為Unimate。20世紀60年代末期，General Motors?使用PLC (可編程邏輯控制器)組裝汽車的自動變速器。被稱為PLC之父的Dick Morley為GM生產了首個PLC。他的美國專利3,761,893是當前許多PLC的基礎(有關上述四位發(fā)明家的詳細信息，請參考：www.wikipedia.org/；相關專利請查詢：http://patft.uspto.gov/netahtml/PTO/srchnum.htm)。

　　過程控制可以簡單到何種程度? 圖1給出了一個常見的家用加熱器。

圖1. 家用電子加熱器，一個簡單的過程控制示例。

　　加熱器部件密封在一個容器內，簡化系統(tǒng)通信。這個概念可以擴展到遠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，我們可以考慮一個小型的簡單過程控制系統(tǒng)，在圖2所示工廠中需要哪些必要部件?

圖2. 工廠的遠程通信

　　長距離傳輸線的阻抗、EMI以及RFI (電磁及無線電干擾)使得電壓控制方案的實施非常困難，這種情況下，電流環(huán)不失為簡單、有效的解決方案。由基爾霍夫定律可知，電流環(huán)中任何一點的電流等于環(huán)路中其它所有點的電流之和，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)的應用始于20世紀早期的電傳打字機，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，將4mA作為最低通信電流，傳輸線斷開(開路)時很容易檢測到這一故障，只需兩條連線即可實現(xiàn)遠端傳感器供電，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)的分立器件設計中需要仔細計算，而且電路占用較大空間。Maxim推出了幾款20mA器件，能夠大大簡化系統(tǒng)設計。我們首先考慮典型的PLC功能，如圖3所示。

圖3. PLC簡化框圖

　　PLC用于完成某項工作或任務。我們先檢測一個物理參數(shù)，對其處理并進行決策，然后命令某個物理設備進行動作。根據(jù)這一模型，左下框顯示了信號調理輸出，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)測和保護功能。

圖4. MAX15500/MAX15501輸出調理器系列產品，器件功能包括：為1kΩ提供的±12V加載感應輸出、供給750Ω的±24mA電流、100μs的14位建立時間、40μs的12位建立時間。

　　工廠布線受運動、震動等因素的影響，可能導致與其它連接器之間的開路或短路。為了保證設備和人身安全，需要進行安全監(jiān)測。電纜發(fā)生失效時，在系統(tǒng)徹底失效之前會有一段間隔時間。MAX15500系列能夠智能化地進行監(jiān)測，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系列包含了一個最小260ms的開路、短路超時周期，這個時間周期足以避免監(jiān)測嘈雜環(huán)境引起的錯誤報警，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)一個獨立的硬件中斷引腳報警，從而使處理器快速響應電纜短路故障。處理器收到中斷后可以讀取MAX15500的寄存器內容，獲取準確的故障信息，清除故障中斷。除了監(jiān)測電纜的狀況外，器件還提供其它安全功能，例如，通過檢測芯片溫度監(jiān)控環(huán)境是否過熱?？烧{節(jié)的電源跌落檢測門限對于可靠的系統(tǒng)設計非常關鍵，電源電壓檢測門限可以在±10V至±24V范圍調節(jié)，級差為2V。

　　為了保證系統(tǒng)安全，MAX15500/MAX15501輸出還具有過流保護、對地短路保護以及高達±35V的過壓保護。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%進行測試或處理緊急操作(系統(tǒng)可能出于部分故障或強噪聲環(huán)境)。MAX15500/MAX15501采用32引腳、5mm2 TQFN封裝，帶有裸焊盤，改善散熱。

　　MAX15500/MAX15501輸出調理器符合HART?標準，HART (高速可尋址遠端傳感器)協(xié)議能夠在4–20mA控制線路上承載雙向數(shù)字信號，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SPI接口，支持菊鏈協(xié)議。當多個SPI器件需要通過電氣隔離控制時，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

　　設計分立、可選電壓(單極性和雙極性)或電流輸出調節(jié)電路是一項極具挑戰(zhàn)的任務，特別是當設計人員了解到需要控制滿量程可變增益、針對單極性和雙極性電壓設置的多種復位電平、0mA和4mA電路需求時，會對系統(tǒng)的復雜度又進一步的認識。圖5簡化了這些功能設計，因為這些功能已經集成在MAX5661電流和電壓輸出DAC的內部。

圖5. MAX5661的簡化功能框圖

　　MAX5661借助其編程功能解決了分立方案設計難題，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位分辨率或間隔調整到高達±25%的超范圍

　　異步復位或清零，或預置到16位數(shù)字

　　這些功能提供了設計靈活性，作為模擬電源時，輸出電壓范圍為±13.48V至±15.75V；電流輸出時，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/感應檢測實現(xiàn)遠程檢測。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動；對于電流輸出，壓差檢測器對超出規(guī)定范圍的電流輸出進行監(jiān)測。/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。

　　利用電壓和電流調理提供多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種不同型號的器件。該系列產品的通道選擇包括：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擴展工業(yè)級溫度范圍。

　　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內置10ppm/°C的高精度基準，也可以使用外部基準，以支持滿擺幅輸出。利用一個硬件輸入引腳控制DAC的輸出設置，可以在上電或復位時將DAC輸出置于0或中間值。該特性為閥門驅動或其它需要在上電時處于關閉狀態(tài)變送器應用提供了附加保護。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，簡化多片MAX5134–MAX5139、MAX15500/MAX15501以及MAX5661器件鏈接時的控制。

　　對于高性價比的4路輸出PLC應用，可以選擇MAX5135四通道12位DAC和四通道MAX15500輸出調理器。

　　結論

　　Maxim DAC的高線性度和輸出調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器件為設計人員提供了一個簡單、明智的選擇，能夠消除分立電路復雜、大尺寸的設計困擾。簡化設計意味著可以隨意選擇電壓或電流驅動，使繁忙的工程師能夠專注于系統(tǒng)設計的關鍵部分，減少浪費，提供更加有效的高精度控制，進而改進我們的環(huán)境。