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拆解个PLC来看看:坚固性和灵活性使得PLC在业界一直保持着强势地位

Steve Taranovich?? 2015年09月30日 ?? 收藏5
现代可编程逻辑控制器(PLC)涉及到两种争论,而这两种争论的主题恰恰在控制系统范畴对立的两端。一端是对数字I/O隔离和保护所用的理想技术的争论,另一端则处于更高的架构层次,是对基于PLC的控制好还是基于PC/嵌入式计算机的控制好的争论。

鉴于工厂、工业和制造自动化的重要性越来越高,我们终于找到机会拆解了一款流行的PLC——Allen-Bradley Micro850,探究其设计中做出的一些选择,希望能以此阐明其核心I/O隔离选项以及该知名PLC设计所采用的一些单元部件。

PLC拥有悠久的历史,早在1971年推出叫做“可编程控制器”时Allen-Bradley自身就泡制出了术语“可编程逻辑控制器”。后来Allen-Bradley被Rockwell Automation公司收购。术语PLC很快固定下来,特别是当个人电脑(PC)出现并采用PC这个缩略语后。(有关PLC起源及演变的更多背景请参考Segovin和Theorin编著的《PLC和DCS发展史》。)

对于任何从梯形逻辑开始学习的人都能证明,PLC在当时是一个古老问题的相当简捷的解决方案:使控制系统变得可重配置,而且不必人工重新布线或重新连接硬件。这种可编程性基础使之很快与进入工厂车间的PC和后来的嵌入式计算机构成竞争关系。

对于工业控制和自动化领域来说,这些基于Windows的PC机和嵌入式计算机可以提供更强大的处理能力、更高的编程灵活性、更好的生态系统支持和更低的成本。

与此同时,PLC紧紧抓住它们的核心优势,即坚固、简单、可选、耐用和“信任”,而信任在停机时间可能导致数千到数百万美元损失的情况下是一个非常关键的因素。控制工程师和技术人员知道,他们可以依赖于PLC,并知道如果有错误发生如何快速方便地找到错误或排除错误。

虽然PC可能已经大批进入工厂车间,但PLC也没有停止发展。在上世纪90年代末和21世纪00年代,PC似乎赢得了战争,但PLC也在变得越来越强大,并采用更加标准的操作系统和编程语言与方法,比如C,同时也变得越来越开放。我们选择用于拆解的Micro850就是这种情况。它使用了基于验证过的Rockwell Automation和微软Visual Studio技术的连接组件工作台(CCW)软件。

这种连接组件工作台(CCW)软件采用可视化的界面,通过使用用户定义的功能模块、标签配置和屏幕设计来降低成本,并缩短开发时间。

具体地说,我们拆解的是Micro850 2080-LC50-48QBB,一款28V至24V直流/交流输入、20V至24V直流源输出的控制器,从不同供应商的报价来看大概在500美元左右(图1)。

图1:Allen-Bradley Micro850可编程逻辑控制器(PLC)的价格约为500美元,是高度坚固、可配置、隔离性和易用性方面的标杆,尽管有PC/嵌入式计算设备的竞争,仍在工厂自动化领域中保持着强势地位。
图1:Allen-Bradley Micro850可编程逻辑控制器(PLC)的价格约为500美元,是高度坚固、可配置、隔离性和易用性方面的标杆,尽管有PC/嵌入式计算设备的竞争,仍在工厂自动化领域中保持着强势地位。

这种基本48点控制器提供100kHz的高速计数器(HSC)输入、通过USB编程端口实现的嵌入式通信、1个非隔离型串行端口(用于RS-232和RS-485通信)和1个以太网端口。Micro850还通过支持多达3个带脉冲串输出(PTO)的轴提供嵌入式运动控制功能,并能通过以太网/IP实现通信。

与大多数PLC一样,Micro850设计用于独立工作,但也能方便地针对定制应用进行配置,利用其对最多5个Micro800插件模块和最多4个Micro850扩展I/O模块的支持提供更多的I/O,并能配置到最多132个I/O点。Micro850的工作温度范围是-20℃至+65℃。

Micro850的灵活性、通信和I/O功能允许它支持种类广泛的应用,包括:传送带、切割、材料加工、分类机、包装、热缩套管机、太阳能板定位,以及垂直成形、填充和密封。

打开Micro850就可以看到主要的数字I/O电路板,这是讨论最优输入和输出信号隔离技术的一个很好的起点(图2)。输入端连接到现场器件,如接近、压力和温度传感器或按钮,输出则连接到指示灯、电机启动器和电磁阀等设备。

图2:Rockwell选择光耦作为Micro850 PLC的数字I/O电路板上的设备输入和输出端的核心隔离策略。
图2:Rockwell选择光耦作为Micro850 PLC的数字I/O电路板上的设备输入和输出端的核心隔离策略。

这些现场设备一般工作在电气噪声很大的环境中,容易受到瞬时高压浪涌、串扰、干扰和电源毛刺的影响,因此要求采取隔离措施来维持现场设备和I/O模块的控制器之间的有效通信,防止出现损坏。

许多年来,光耦一直是主流的隔离技术,虽然最近来自Silicon Labs、TI和ADI等公司的数字隔离器逐渐被升格为便宜、灵活且小尺寸的替代品。其它更传统的小型替代品包括磁性和容性隔离。选用数字隔离器和其它种类隔离器的理由是,随着时间的推移,由于LED效率下降,光耦可能变得不可靠,进而导致其输出变得不稳定。

有了这样的想法,在打开Micro850时就会产生认知上的一种失落,因为我们看到在工业PLC这种环境要求最严、电气I/O应用寿命很长的应用中居然只有光耦作为唯一的隔离机制。

具体地说,直流输入端是用6个安华高科技公司的10MBaud(高速)HCPL-063L双通道光耦和4个比特率在10KBaud至100KBaud之间的东芝标准低速TLP280-4四通道光耦进行隔离的。

直流输出端则采用了4个安华高HCPL-M456单通道(高速)光耦和4个东芝TLP281单通道及3个东芝TLP281-4(标准)四通道光耦进行隔离。

为了理解为何Rockwell Automation公司选择光耦作为其PLC的输入输出隔离器件,理解应用要求以及光耦特性是很有帮助的。

对于新手来说,电压瞬时变化和毛刺在工业环境中是一个普遍的问题。一般来源包括传感器和电机启动器等现场设备。这些信号可能是突然的、快速的,并且具有足够高的强度损坏驱动电路、控制逻辑甚至伤害到操作人员,因此这是一个非常重要的安全性问题(图3a)。

图3:在工业应用中,要求采取隔离措施阻隔可能危及逻辑电路或操作人员的瞬态电压(a),并消除可能导致信号错误的共模瞬态信号(b)。
图3:在工业应用中,要求采取隔离措施阻隔可能危及逻辑电路或操作人员的瞬态电压(a),并消除可能导致信号错误的共模瞬态信号(b)。

另外在PLC中,不同电路之间使用的不同隔离地可能产生共模问题(图3b)。这更像是信号完整性问题而不是安全性问题,因为结果是不可靠的信号或变差的噪声抑制性能。

引起电路问题的另外两个来源是地环路和电路工作在不同电压值时的情形(图4)。

图4:当设计良好时,隔离可以用来避免系统中不同接地点之间的电位差引起的地环路。
图4:当设计良好时,隔离可以用来避免系统中不同接地点之间的电位差引起的地环路。

在地环路中,在电气系统中 共用公共路径的两个点(但每个点的地电位有着有限且不同的阻抗)之间会有不期望的电流流动。在工作在危险变化的电压值且靠得很近的两个电路中,高压安全性隔离是必需的,而且在使用电平转换电路进而导致电路在不同电压值工作不一致时也需要高压安全性隔离。

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本文来自《电子技术设计》2015年10月刊,版权所有,谢绝转载。


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