鑒于工廠、工業(yè)和制造自動(dòng)化的重要性越來越高，我們終于找到機(jī)會(huì)拆解了一款流行的PLC——Allen-Bradley Micro850，探究其設(shè)計(jì)中做出的一些選擇，希望能以此闡明其核心I/O隔離選項(xiàng)以及該知名PLC設(shè)計(jì)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“可編程邏輯控制器”。后來Allen-Bradley被Rockwell Automation公司收購。術(shù)語PLC很快固定下來，特別是當(dāng)個(gè)人電腦(PC)出現(xiàn)并采用PC這個(gè)縮略語后。(有關(guān)PLC起源及演變的更多背景請(qǐng)參考Segovin和Theorin編著的《PLC和DCS發(fā)展史》。)

 

對(duì)于任何從梯形邏輯開始學(xué)習(xí)的人都能證明，PLC在當(dāng)時(shí)是一個(gè)古老問題的相當(dāng)簡捷的解決方案：使控制系統(tǒng)變得可重配置，而且不必人工重新布線或重新連接硬件。這種可編程性基礎(chǔ)使之很快與進(jìn)入工廠車間的PC和后來的嵌入式計(jì)算機(jī)構(gòu)成競爭關(guān)系。

 

對(duì)于工業(yè)控制和自動(dòng)化領(lǐng)域來說，這些基于Windows的PC機(jī)和嵌入式計(jì)算機(jī)可以提供更強(qiáng)大的處理能力、更高的編程靈活性、更好的生態(tài)系統(tǒng)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(jiān)固、簡單、可選、耐用和“信任”，而信任在停機(jī)時(shí)間可能導(dǎo)致數(shù)千到數(shù)百萬美元損失的情況下是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。控制工程師和技術(shù)人員知道，他們可以依賴于PLC，并知道如果有錯(cuò)誤發(fā)生如何快速方便地找到錯(cuò)誤或排除錯(cuò)誤。

 

雖然PC可能已經(jīng)大批進(jìn)入工廠車間，但PLC也沒有停止發(fā)展。在上世紀(jì)90年代末和21世紀(jì)00年代，PC似乎贏得了戰(zhàn)爭，但PLC也在變得越來越強(qiáng)大，并采用更加標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)和編程語言與方法，比如C，同時(shí)也變得越來越開放。我們選擇用于拆解的Micro850就是這種情況。它使用了基于驗(yàn)證過的Rockwell Automation和微軟Visual Studio技術(shù)的連接組件工作臺(tái)(CCW)軟件。

 

這種連接組件工作臺(tái)(CCW)軟件采用可視化的界面，通過使用用戶定義的功能模塊、標(biāo)簽配置和屏幕設(shè)計(jì)來降低成本，并縮短開發(fā)時(shí)間。

 

具體地說，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(yīng)商的報(bào)價(jià)來看大概在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(jiān)固、可配置、隔離性和易用性方面的標(biāo)桿，盡管有PC/嵌入式計(jì)算設(shè)備的競爭，仍在工廠自動(dòng)化領(lǐng)域中保持著強(qiáng)勢地位。

 

這種基本48點(diǎn)控制器提供100kHz的高速計(jì)數(shù)器(HSC)輸入、通過USB編程端口實(shí)現(xiàn)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還通過支持多達(dá)3個(gè)帶脈沖串輸出(PTO)的軸提供嵌入式運(yùn)動(dòng)控制功能，并能通過以太網(wǎng)/IP實(shí)現(xiàn)通信。

 

與大多數(shù)PLC一樣，Micro850設(shè)計(jì)用于獨(dú)立工作，但也能方便地針對(duì)定制應(yīng)用進(jìn)行配置，利用其對(duì)最多5個(gè)Micro800插件模塊和最多4個(gè)Micro850擴(kuò)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廣泛的應(yīng)用，包括：傳送帶、切割、材料加工、分類機(jī)、包裝、熱縮套管機(jī)、太陽能板定位，以及垂直成形、填充和密封。

 

打開Micro850就可以看到主要的數(shù)字I/O電路板，這是討論最優(yōu)輸入和輸出信號(hào)隔離技術(shù)的一個(gè)很好的起點(diǎn)(圖2)。輸入端連接到現(xiàn)場器件，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(jī)啟動(dòng)器和電磁閥等設(shè)備。

 

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

 

這些現(xiàn)場設(shè)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?dāng)_、干擾和電源毛刺的影響，因此要求采取隔離措施來維持現(xiàn)場設(shè)備和I/O模塊的控制器之間的有效通信，防止出現(xiàn)損壞。

 

許多年來，光耦一直是主流的隔離技術(shù)，雖然最近來自Silicon Labs、TI和ADI等公司的數(shù)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(tǒng)的小型替代品包括磁性和容性隔離。選用數(shù)字隔離器和其它種類隔離器的理由是，隨著時(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(dǎo)致其輸出變得不穩(wěn)定。

 

有了這樣的想法，在打開Micro850時(shí)就會(huì)產(chǎn)生認(rèn)知上的一種失落，因?yàn)槲覀兛吹皆诠I(yè)PLC這種環(huán)境要求最嚴(yán)、電氣I/O應(yīng)用壽命很長的應(yīng)用中居然只有光耦作為唯一的隔離機(jī)制。

 

具體地說，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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn))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(yīng)用要求以及光耦特性是很有幫助的。

 

對(duì)于新手來說，電壓瞬時(shí)變化和毛刺在工業(yè)環(huán)境中是一個(gè)普遍的問題。一般來源包括傳感器和電機(jī)啟動(dòng)器等現(xiàn)場設(shè)備。這些信號(hào)可能是突然的、快速的，并且具有足夠高的強(qiáng)度損壞驅(qū)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題(圖3a)。

 

圖3：在工業(yè)應(yīng)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(dǎo)致信號(hào)錯(cuò)誤的共模瞬態(tài)信號(hào)(b)。

 

另外在PLC中，不同電路之間使用的不同隔離地可能產(chǎn)生共模問題(圖3b)。這更像是信號(hào)完整性問題而不是安全性問題，因?yàn)榻Y(jié)果是不可靠的信號(hào)或變差的噪聲抑制性能。

 

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

 

圖4：當(dāng)設(shè)計(jì)良好時(shí)，隔離可以用來避免系統(tǒng)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(tǒng)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(xiǎn)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(zhuǎn)換電路進(jìn)而導(dǎo)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(duì)于新手來說，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(xiàn)很高的隔離度。

 

圖5：光耦提供的電流隔離性能可以滿足甚至超過諸如IEC 60747-5-5這樣的法規(guī)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(hào)信息仍可以通過其它方式在電路之間進(jìn)行交換，比如光學(xué)、感應(yīng)耦合或電容耦合。

 

作為一個(gè)設(shè)計(jì)師，需要關(guān)注安全隔離標(biāo)準(zhǔn)一致性問題。IEC 60747-5-5是針對(duì)工業(yè)應(yīng)用中光學(xué)隔離的元件級(jí)安全標(biāo)準(zhǔn)，與設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)是不同的。許多技術(shù)將“滿足”基本標(biāo)準(zhǔn)要求，但光耦可以超過這些標(biāo)準(zhǔn)，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(qiáng)制性隔離認(rèn)證的光耦的事實(shí)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如果單層隔離和雙層隔離具有相同的絕緣屬性，這就被稱為增強(qiáng)型隔離。雖然Micro850中的安華高器件滿足2.5kV至3.75kV的額定耐壓，但光耦可以做得更好，其耐壓可達(dá)7.5kV。

 

盡管被懷疑隨著時(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的壽命，在30年內(nèi)性能的劣化幾乎察覺不到(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，使得傳說性能將隨時(shí)間劣化的流言不攻自破。

 

這種擔(dān)心對(duì)于較早前的或相對(duì)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合并通過技術(shù)論文展示了在加速條件下LED的可靠性應(yīng)力數(shù)據(jù)，用于反映期望的LED壽命性能。

 

圖7a：Micro850數(shù)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(jié)果表明前者具有低得多的驅(qū)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(jié)果表明前者具有更小的LED驅(qū)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(jí)版本低LED驅(qū)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)品線在緊湊的16引腳SOIC中提供6個(gè)通道——光耦在現(xiàn)場器件輸入側(cè)不需要額外的隔離型電源。這也意味著，它們確實(shí)需要少量的計(jì)算，目的是選擇合適的輸出分壓電阻來控制LED驅(qū)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(xù)提升，將具有更高的效率(即更低的LED驅(qū)動(dòng)電流)、更高的工作溫度和更小的外形尺寸。隨著法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)變得越來越嚴(yán)格，絕緣和EMI可能變得越來越重要。

 

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(fù)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、可編程性和用戶界面方面與PC/嵌入式計(jì)算機(jī)競爭的地方。對(duì)Micro850來說，核心決策制定、系統(tǒng)管理、運(yùn)行時(shí)控制和用戶界面處理都是由飛思卡爾(現(xiàn)在的恩智浦)的Coldfire MCF5372 32位無ROM MCU實(shí)現(xiàn)的。該MCU也運(yùn)行連接組件工作臺(tái)(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(fù)責(zé)系統(tǒng)管理、運(yùn)行時(shí)控制和用戶界面的飛思卡爾(現(xiàn)恩智浦)Coldfire MCF5372 32位MCU、提供通信和電機(jī)控制及可能一些專有功能的賽靈思Spartan XC351400A FPGA組成。

 

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

 

根據(jù)PLC說明書的描述，Spartan FPGA是Micro850實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制能力的核心，支持并能夠充分利用多達(dá)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(dǎo)體公司的FM21L16——2Mbit(128Kx6)FRAM存儲(chǔ)器(直接替代品現(xiàn)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(hù)功能而且?guī)reen Idle的串行端口收發(fā)器ADM3315EA。電壓監(jiān)視功能由ADI公司的ADM706 3V監(jiān)視電路提供。

 

圖9：Micro850主處理板的背面展示了主要的用戶I/O以及用于Micro800擴(kuò)展模塊的5個(gè)接口，可以用來根據(jù)需要擴(kuò)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用戶可選模塊的連接器。隨著應(yīng)用要求隨時(shí)間的改變以及PLC需要適應(yīng)更新的技術(shù)，這些模塊可以實(shí)現(xiàn)I/O和通信的靈活組合。

 

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

 

結(jié)果是隨著時(shí)間的推移，基于PLC和基于PC/嵌入式計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)之間的決策變得越來越與普及的程度、設(shè)計(jì)師的熟悉程度——它們將影響項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間——以及傳統(tǒng)觀念有關(guān)，而不僅是技術(shù)或堅(jiān)固性的差異。

 

隨著我們邁向物聯(lián)網(wǎng)(IoT)以及工業(yè)4.0或4.2，新的工廠和系統(tǒng)在作出這種選擇時(shí)可能還會(huì)來回?fù)u擺，但肯定的是這兩種架構(gòu)還將共存許多。

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