工業(yè)4.0時代，企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能制造成大勢，自動化水平的日益提高，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展交織著IT(信息技術(shù))、OT(運營技術(shù))與CT(通訊技術(shù))三條主線的加速融合。可編程邏輯控制器(PLC)作為OT以及工業(yè)自動化關(guān)鍵設(shè)備以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)底層的重要組件，也隨之得到了巨大的進步。同時，由于設(shè)備、機器和工廠變得“更智能”，工業(yè)現(xiàn)場控制對PLC以及DCS等設(shè)備提出了更高的要求。
智造“先行兵”，PLC助力工業(yè)控制實現(xiàn)自動化
眾所知周，PLC 是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的新一代工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、計時計數(shù)等順序控制功能，建立柔性的編程控制系統(tǒng)。目前，PLC 在傳統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上增加了模擬量運算、PID 功能、通信功能以及更可靠的工業(yè)抗干擾技術(shù)等功能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。
因此PLC可簡單理解為一種用于特定工業(yè)環(huán)境下的計算機，并具備多種優(yōu)良性能，其硬件結(jié)構(gòu)與計算機基本相同，具備CPU、I/O 模塊、電源模塊、底板、外設(shè)以及通信聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，采用了可編程的存儲器對邏輯運算、順序控制、計時計數(shù)和算數(shù)運算進行存儲，并通過數(shù)字的、模擬的輸入輸出指令控制各種類型的工業(yè)生產(chǎn)過程。與通用的計算機相比，PLC 在工業(yè)領(lǐng)域的使用場景多、適應(yīng)面廣，并具備可靠性高、抗干擾能力強和編程簡單等優(yōu)點。
下圖顯示在工業(yè)自動化和過程控制系統(tǒng)中使用PLC的簡化信號鏈。PLC通常包括模擬和數(shù)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(yè)應(yīng)用中，模擬輸入模塊可獲取和監(jiān)控惡劣環(huán)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(xué)物品的環(huán)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(huán)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(huán)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(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計
以往實現(xiàn)這類I/O系統(tǒng)需要大量高性能分離式元件，由此產(chǎn)生的是龐大且昂貴的系統(tǒng)。近年來，集成技術(shù)的進步使得系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)不相上下。持續(xù)的技術(shù)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(dǎo)體(ADI)提供面向市場定制的解決方案，以便簡化設(shè)計過程。這些解決方案采用業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)，并提供眾多設(shè)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(yīng)有盡有。
● 分立式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案
工業(yè)設(shè)計人員可以使用分立式高性能組件，為PLC或類似數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)建模擬模塊，如下圖所示。主要設(shè)計考慮因素包括輸入信號配置、整體系統(tǒng)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(fù)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(shè)計人員必然會擔心多路復(fù)用器的切換和建立時間，以及其他模擬信號調(diào)理問題。此外，在1 MSPS速率下實現(xiàn)真正的16位性能可能是一個嚴峻挑戰(zhàn)，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(tài)響應(yīng)性能。因此，要在1 MSPS速率下進行轉(zhuǎn)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(nèi)建立。但是，AD8251針對10 V階躍達到16位轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計
16位1 MSPS ADAS3022數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)IC采用專有高壓工業(yè)工藝技術(shù)iCMOS?制造，集成8通道、低泄漏多路復(fù)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(shù)據(jù)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(shè)計，同時減小高級工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的尺寸，縮短產(chǎn)品面市時間，節(jié)省成本。它使得我們無需對輸入信號進行緩沖、電平轉(zhuǎn)換、放大、衰減或其他調(diào)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(shè)計高精度16位1 MSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)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(diào)電壓、低溫度漂移和優(yōu)化噪聲性能。
值得一提的是，目前很多傳統(tǒng)工業(yè)自動化或者過程控制系統(tǒng)，其物理層的實現(xiàn)擁有大量的I/O的接口，包括了模擬和數(shù)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(xiàn)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(shè)備替換生產(chǎn)數(shù)字或者系統(tǒng)發(fā)生變化，大量的I/O接口就需要整體調(diào)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(chǎn)品，集成了多重保護功能，同時提供相應(yīng)的電源解決方案。在應(yīng)用過程中，基本上是24V輸入、5V輸出的電源架構(gòu)。AD411X產(chǎn)品每個通道都可以任意地定義為數(shù)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(shù)轉(zhuǎn)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(yè)自動化應(yīng)用的可編程邏輯控制器和分布式控制系統(tǒng)(DCS)模塊。
本文小結(jié)
下一代工業(yè)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(chǎn)品提供?；赑LC的系統(tǒng)采用多個傳感器和執(zhí)行器，可測量和控制模擬過程變量，被廣泛應(yīng)用于眾多不同工業(yè)應(yīng)用。此外，ADI提供的靈活模擬I/O解決方案，降低系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜性的同時，將加速工業(yè)自動化與實現(xiàn)IT/OT融合趨勢帶來的規(guī)模優(yōu)勢奠定基礎(chǔ)。
（轉(zhuǎn)載）
