鑒于工廠(chǎng)、工業(yè)和制造自動(dòng)化的重要性越來(lái)越高，我們終于找到機會(huì )拆解了一款流行的PLC——Allen-Bradley Micro850，探究其設計中做出的一些選擇，希望能以此闡明其核心I/O隔離選項以及該知名PLC設計所采用的一些單元部件。

 

PLC擁有悠久的歷史，早在1971年推出叫做“可編程控制器”時(shí)Allen-Bradley自身就泡制出了術(shù)語(yǔ)“可編程邏輯控制器”。后來(lái)Allen-Bradley被Rockwell Automation公司收購。術(shù)語(yǔ)PLC很快固定下來(lái)，特別是當個(gè)人電腦(PC)出現并采用PC這個(gè)縮略語(yǔ)后。(有關(guān)PLC起源及演變的更多背景請參考Segovin和Theorin編著(zhù)的《PLC和DCS發(fā)展史》。)

 

對于任何從梯形邏輯開(kāi)始學(xué)習的人都能證明，PLC在當時(shí)是一個(gè)古老問(wèn)題的相當簡(jiǎn)捷的解決方案：使控制系統變得可重配置，而且不必人工重新布線(xiàn)或重新連接硬件。這種可編程性基礎使之很快與進(jìn)入工廠(chǎng)車(chē)間的PC和后來(lái)的嵌入式計算機構成競爭關(guān)系。

 

對于工業(yè)控制和自動(dòng)化領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，這些基于Windows的PC機和嵌入式計算機可以提供更強大的處理能力、更高的編程靈活性、更好的生態(tài)系統支持和更低的成本。

 

與此同時(shí)，PLC緊緊抓住它們的核心優(yōu)勢，即堅固、簡(jiǎn)單、可選、耐用和“信任”，而信任在停機時(shí)間可能導致數千到數百萬(wàn)美元損失的情況下是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素?？刂乒こ處熀图夹g(shù)人員知道，他們可以依賴(lài)于PLC，并知道如果有錯誤發(fā)生如何快速方便地找到錯誤或排除錯誤。

 

雖然PC可能已經(jīng)大批進(jìn)入工廠(chǎng)車(chē)間，但PLC也沒(méi)有停止發(fā)展。在上世紀90年代末和21世紀00年代，PC似乎贏(yíng)得了戰爭，但PLC也在變得越來(lái)越強大，并采用更加標準的操作系統和編程語(yǔ)言與方法，比如C，同時(shí)也變得越來(lái)越開(kāi)放。我們選擇用于拆解的Micro850就是這種情況。它使用了基于驗證過(guò)的Rockwell Automation和微軟Visual Studio技術(shù)的連接組件工作臺(CCW)軟件。

 

這種連接組件工作臺(CCW)軟件采用可視化的界面，通過(guò)使用用戶(hù)定義的功能模塊、標簽配置和屏幕設計來(lái)降低成本，并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

 

具體地說(shuō)，我們拆解的是Micro850 2080-LC50-48QBB，一款28V至24V直流/交流輸入、20V至24V直流源輸出的控制器，從不同供應商的報價(jià)來(lái)看大概在500美元左右(圖1)。

 

圖1：Allen-Bradley Micro850可編程邏輯控制器(PLC)的價(jià)格約為500美元，是高度堅固、可配置、隔離性和易用性方面的標桿，盡管有PC/嵌入式計算設備的競爭，仍在工廠(chǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域中保持著(zhù)強勢地位。

 

這種基本48點(diǎn)控制器提供100kHz的高速計數器(HSC)輸入、通過(guò)USB編程端口實(shí)現的嵌入式通信、1個(gè)非隔離型串行端口(用于RS-232和RS-485通信)和1個(gè)以太網(wǎng)端口。Micro850還通過(guò)支持多達3個(gè)帶脈沖串輸出(PTO)的軸提供嵌入式運動(dòng)控制功能，并能通過(guò)以太網(wǎng)/IP實(shí)現通信。

 

與大多數PLC一樣，Micro850設計用于獨立工作，但也能方便地針對定制應用進(jìn)行配置，利用其對最多5個(gè)Micro800插件模塊和最多4個(gè)Micro850擴展I/O模塊的支持提供更多的I/O，并能配置到最多132個(gè)I/O點(diǎn)。Micro850的工作溫度范圍是-20℃至+65℃。

 

Micro850的靈活性、通信和I/O功能允許它支持種類(lèi)廣泛的應用，包括：傳送帶、切割、材料加工、分類(lèi)機、包裝、熱縮套管機、太陽(yáng)能板定位，以及垂直成形、填充和密封。

 

打開(kāi)Micro850就可以看到主要的數字I/O電路板，這是討論最優(yōu)輸入和輸出信號隔離技術(shù)的一個(gè)很好的起點(diǎn)(圖2)。輸入端連接到現場(chǎng)器件，如接近、壓力和溫度傳感器或按鈕，輸出則連接到指示燈、電機啟動(dòng)器和電磁閥等設備。

 

圖2：Rockwell選擇光耦作為Micro850 PLC的數字I/O電路板上的設備輸入和輸出端的核心隔離策略。

 

這些現場(chǎng)設備一般工作在電氣噪聲很大的環(huán)境中，容易受到瞬時(shí)高壓浪涌、串擾、干擾和電源毛刺的影響，因此要求采取隔離措施來(lái)維持現場(chǎng)設備和I/O模塊的控制器之間的有效通信，防止出現損壞。

 

許多年來(lái)，光耦一直是主流的隔離技術(shù)，雖然最近來(lái)自Silicon Labs、TI和ADI等公司的數字隔離器逐漸被升格為便宜、靈活且小尺寸的替代品。其它更傳統的小型替代品包括磁性和容性隔離。選用數字隔離器和其它種類(lèi)隔離器的理由是，隨著(zhù)時(shí)間的推移，由于LED效率下降，光耦可能變得不可靠，進(jìn)而導致其輸出變得不穩定。

 

有了這樣的想法，在打開(kāi)Micro850時(shí)就會(huì )產(chǎn)生認知上的一種失落，因為我們看到在工業(yè)PLC這種環(huán)境要求最嚴、電氣I/O應用壽命很長(cháng)的應用中居然只有光耦作為唯一的隔離機制。

 

具體地說(shuō)，直流輸入端是用6個(gè)安華高科技公司的10MBaud(高速)HCPL-063L雙通道光耦和4個(gè)比特率在10KBaud至100KBaud之間的東芝標準低速TLP280-4四通道光耦進(jìn)行隔離的。

 

直流輸出端則采用了4個(gè)安華高HCPL-M456單通道(高速)光耦和4個(gè)東芝TLP281單通道及3個(gè)東芝TLP281-4(標準)四通道光耦進(jìn)行隔離。

 

為了理解為何Rockwell Automation公司選擇光耦作為其PLC的輸入輸出隔離器件，理解應用要求以及光耦特性是很有幫助的。

 

對于新手來(lái)說(shuō)，電壓瞬時(shí)變化和毛刺在工業(yè)環(huán)境中是一個(gè)普遍的問(wèn)題。一般來(lái)源包括傳感器和電機啟動(dòng)器等現場(chǎng)設備。這些信號可能是突然的、快速的，并且具有足夠高的強度損壞驅動(dòng)電路、控制邏輯甚至傷害到操作人員，因此這是一個(gè)非常重要的安全性問(wèn)題(圖3a)。

 

圖3：在工業(yè)應用中，要求采取隔離措施阻隔可能危及邏輯電路或操作人員的瞬態(tài)電壓(a)，并消除可能導致信號錯誤的共模瞬態(tài)信號(b)。

 

另外在PLC中，不同電路之間使用的不同隔離地可能產(chǎn)生共模問(wèn)題(圖3b)。這更像是信號完整性問(wèn)題而不是安全性問(wèn)題，因為結果是不可靠的信號或變差的噪聲抑制性能。

 

引起電路問(wèn)題的另外兩個(gè)來(lái)源是地環(huán)路和電路工作在不同電壓值時(shí)的情形(圖4)。

 

圖4：當設計良好時(shí)，隔離可以用來(lái)避免系統中不同接地點(diǎn)之間的電位差引起的地環(huán)路。

 

在地環(huán)路中，在電氣系統中 共用公共路徑的兩個(gè)點(diǎn)（但每個(gè)點(diǎn)的地電位有著(zhù)有限且不同的阻抗）之間會(huì )有不期望的電流流動(dòng)。在工作在危險變化的電壓值且靠得很近的兩個(gè)電路中，高壓安全性隔離是必需的，而且在使用電平轉換電路進(jìn)而導致電路在不同電壓值工作不一致時(shí)也需要高壓安全性隔離。

 

 

理由有許多。對于新手來(lái)說(shuō)，它們可以提供真正的電流隔離，并且能在使用間隙為0.08mm的硅膠和聚酰亞胺帶的LED和檢測器之間實(shí)現很高的隔離度。

 

圖5：光耦提供的電流隔離性能可以滿(mǎn)足甚至超過(guò)諸如IEC 60747-5-5這樣的法規要求。

 

在采取電流隔離措施后，帶電粒子就不能從一個(gè)電路移動(dòng)到另一個(gè)電路，雖然信號信息仍可以通過(guò)其它方式在電路之間進(jìn)行交換，比如光學(xué)、感應耦合或電容耦合。

 

作為一個(gè)設計師，需要關(guān)注安全隔離標準一致性問(wèn)題。IEC 60747-5-5是針對工業(yè)應用中光學(xué)隔離的元件級安全標準，與設備安全標準是不同的。許多技術(shù)將“滿(mǎn)足”基本標準要求，但光耦可以超過(guò)這些標準，為特殊情形提供一些有價(jià)值的空間。

 

注意，IEC 60747-5-5是需要強制性隔離認證的光耦的事實(shí)工業(yè)標準。如果單層隔離和雙層隔離具有相同的絕緣屬性，這就被稱(chēng)為增強型隔離。雖然Micro850中的安華高器件滿(mǎn)足2.5kV至3.75kV的額定耐壓，但光耦可以做得更好，其耐壓可達7.5kV。

 

盡管被懷疑隨著(zhù)時(shí)間的推移具有不可接受的性能劣化，如前所述，但光耦實(shí)際上已被證明具有很長(cháng)的壽命，在30年內性能的劣化幾乎察覺(jué)不到(圖6)。

 

圖6：實(shí)踐證明，精心制作的帶光學(xué)IC輸出的光耦具有30年以上的使用壽命，使得傳說(shuō)性能將隨時(shí)間劣化的流言不攻自破。

 

這種擔心對于較早前的或相對便宜的光電晶體管可能是成立的，但不適用于提供光學(xué)IC輸出的高性能光耦。安華高本身也在許多場(chǎng)合并通過(guò)技術(shù)論文展示了在加速條件下LED的可靠性應力數據，用于反映期望的LED壽命性能。

 

圖7a：Micro850數字I/O電路板上使用的HCPL-063L光耦技術(shù)的輸入隔離特性，并與較新版本的ACPL-064L進(jìn)行了比較，結果表明前者具有低得多的驅動(dòng)電流和功耗。

 

圖7b：Micro850中使用的HCPL-M456光耦的輸出隔離特性，并與較新版本的ACPL-M483器件進(jìn)行了比較，結果表明前者具有更小的LED驅動(dòng)電流、更快的傳播速度和改進(jìn)的共模抑制性能(CMR)。

 

光耦的另外一個(gè)優(yōu)勢，比如HCPL-063L及其升級版本低LED驅動(dòng)電流的ACPL-064L(圖7)，是它們不需要供電電壓。雖然其它隔離器件具有通道密度的優(yōu)勢——Silicon Labs的Si86xx產(chǎn)品線(xiàn)在緊湊的16引腳SOIC中提供6個(gè)通道——光耦在現場(chǎng)器件輸入側不需要額外的隔離型電源。這也意味著(zhù)，它們確實(shí)需要少量的計算，目的是選擇合適的輸出分壓電阻來(lái)控制LED驅動(dòng)電流。

 

鑒于使用PLC的環(huán)境，值得注意的是，光耦也能防止電磁干擾(EMI)——這也是Rockwell選擇光耦的另外一個(gè)充分的理由。

 

如圖7a和圖7b所示，光耦的工藝水平還在繼續提升，將具有更高的效率(即更低的LED驅動(dòng)電流)、更高的工作溫度和更小的外形尺寸。隨著(zhù)法規標準變得越來(lái)越嚴格，絕緣和EMI可能變得越來(lái)越重要。

 

I/O電路板上的光耦旁邊還有將多種功能糅合到一起的Lattice的400MHz、64個(gè)宏單元的復雜可編程邏輯器件(CPLD)LC4064V，以及電源周邊一些安森美的電源器件。

 

 

主邏輯與處理電路板是PLC在功能、可編程性和用戶(hù)界面方面與PC/嵌入式計算機競爭的地方。對Micro850來(lái)說(shuō)，核心決策制定、系統管理、運行時(shí)控制和用戶(hù)界面處理都是由飛思卡爾(現在的恩智浦)的Coldfire MCF5372 32位無(wú)ROM MCU實(shí)現的。該MCU也運行連接組件工作臺(CCW)軟件，以便在需要時(shí)編程和重編程PLC。

 

圖8：Micro850上的主處理板由負責系統管理、運行時(shí)控制和用戶(hù)界面的飛思卡爾(現恩智浦)Coldfire MCF5372 32位MCU、提供通信和電機控制及可能一些專(zhuān)有功能的賽靈思Spartan XC351400A FPGA組成。

 

賽靈思的Spartan XC3S1400A FPGA最有可能專(zhuān)門(mén)用于專(zhuān)有邏輯功能、高速通信控制以及降低總體擁有成本，方法是通過(guò)更嚴格地控制速度、扭矩和加速度進(jìn)行節能，同時(shí)提高效率支持更小更便宜的電機。

 

根據PLC說(shuō)明書(shū)的描述，Spartan FPGA是Micro850實(shí)現運動(dòng)控制能力的核心，支持并能夠充分利用多達3個(gè)帶脈沖串輸出(PTO)的軸。

 

為FPGA和MCU提供外圍支持的是賽普拉斯半導體公司的FM21L16——2Mbit(128Kx6)FRAM存儲器(直接替代品現在是FM28V202A)、美光科技公司的MT48LC8M 128Mbit(8Mbitx16)SDRAM以及ADI公司的15kV具有靜電放電保護功能而且帶Green Idle的串行端口收發(fā)器ADM3315EA。電壓監視功能由ADI公司的ADM706 3V監視電路提供。

 

圖9：Micro850主處理板的背面展示了主要的用戶(hù)I/O以及用于Micro800擴展模塊的5個(gè)接口，可以用來(lái)根據需要擴展PLC功能，因此使得Micro850特別靈活。

 

主處理板的背面有以太網(wǎng)、非隔離型串口、USB編程端口以及5個(gè)用于Micro800用戶(hù)可選模塊的連接器。隨著(zhù)應用要求隨時(shí)間的改變以及PLC需要適應更新的技術(shù)，這些模塊可以實(shí)現I/O和通信的靈活組合。

 

正是這種靈活性加上更強大的處理能力、編程簡(jiǎn)單性和堅固性使得PLC始終屹立在工業(yè)控制平臺的前沿。

 

結果是隨著(zhù)時(shí)間的推移，基于PLC和基于PC/嵌入式計算機的系統之間的決策變得越來(lái)越與普及的程度、設計師的熟悉程度——它們將影響項目開(kāi)發(fā)時(shí)間——以及傳統觀(guān)念有關(guān)，而不僅是技術(shù)或堅固性的差異。

 

隨著(zhù)我們邁向物聯(lián)網(wǎng)(IoT)以及工業(yè)4.0或4.2，新的工廠(chǎng)和系統在作出這種選擇時(shí)可能還會(huì )來(lái)回搖擺，但肯定的是這兩種架構還將共存許多。

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