为何PLC能在工业应用领域屹立不摇？

现今的可程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)涉及两个争议，其主题恰好分处控制系统范畴对立的两端：一是对数字I/O隔离和保护适用之理想技术的争议；另一个争议则处于更高的架构层级—是以PLC为基础的控制比较好？还是基于PC/嵌入式计算机的控制比较优？

有鉴于工厂、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设计所采用的一些零组件。

PLC拥有悠久的历史，早在1971年推出当时被叫做「可程控器(programmable controller)」的产品时，Allen-Bradley就自创了「PLC」这个名词；后来Allen-Bradley被Rockwell AutomaTIon公司收购，PLC这个名词很快就像是个人计算机的缩写「PC」一样确立了地位(有关PLC起源及演变的更多背景，可参考Segovin和Theorin编着的《PLC和DCS发展史》)。

任何一个刚开始学习梯形逻辑的人都能证明，PLC在当时是解决某个老问题的简洁方案：让控制系统可重新配置，无须人工重新布线或重新连接硬件。这种可程序化基础使之很快与进入工厂生产线，并与PC和后来的嵌入式计算机直接竞争。

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、更高的程序设计灵活性、更好的生态系统支持和更低的成本。

在此同时，PLC具备其核心优势 —坚固、简易、可靠、耐用和「可信任」；在当机时可能导致数千到数百万美元损失的应用情况下，可信任度是一个非常关键的因素，控制工程师和技术人员了解到他们可以依赖PLC，并因此能在发生错误时简单快速地排除故障。

虽然PC可能已经占领工厂生产线，PLC也没有停止发展。在1990年代和21世纪初，PC似乎赢得了战争，但PLC也在变得越来越强大，并采用更标准化的 *** 作系统和程序设计语言与方法，比如C语言，同时也变得越来越开放。

我们所拆解的Micro850就是此类案例，它采用的简单机械整合软件平台(Connected Components Workbench，CCW)，是以经验证的Rockwell AutomaTIon微软(Microsoft)Visual Studio技术为基础。这种CCW软件采用可视化接口，透过用户自定义的功能模块、卷标配置和屏幕设计来降低成本并缩短开发时间。

具体来说，我们拆解的是Micro8502080-LC5048QBB，一款28V至24V直流/交流输入、20~24V直流源输出的控制器，从不同供货商的报价来看大概在500美元左右(如图1)。（图1 Allen-BradleyMicro850PLC价格约500美元，是高度坚固、可配置、隔离性和易用性等方面的标竿，尽管有PC/嵌入式运算设备的竞争，仍在工业自动化领域保持强势地位。）

这种基本48点控制器提供100kHz的高速计数器(HSC)输入、透过USB编程接口实现的嵌入式通讯、1个非隔离型串行端口(用于RS-232和RS-485通讯)和1个以太网络端口。Micro850还透过支持多达3个具备脉冲序列输出(PTO)的轴提供嵌入式运动控制功能，并能透过以太网络/IP网络实现通讯。

与大多数PLC一样，Micro850的设计是可独立运作，但也能方便地针对客制化应用进行配置，利用其对最多5个Micro800插件模块、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节点。Micro850的工作温度范围是-20~+65℃(-4~+149℉)，其灵活性、通讯和I/O功能支持广泛应用，包括：输送带、切割、材料加工、分类机、包装、热收缩膜设备、太阳能板定位机、及垂直成形/填充/封口机等等。

打开Micro850就可以看到主要的数字I/O电路板，这是讨论优化输入和输出讯号隔离技术的一个很好的起点(图 2)。输入端连接到现场组件，如近接、压力和温度传感器或按钮，输出则连接到指示灯、马达启动器和电磁阀等设备。

图2 Rockwell选择光耦做为Micro850PLC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、干扰和电源突波(power glitches)的影响，因此要求采取隔离措施来维持现场设备和I/O模块控制器之间的有效通讯，防止出现损坏。

许多年来，光耦(Optocoupler)一直是主流的隔离技术，虽然最近来自Silicon Labs、TI和亚德诺(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电磁性和电容性隔离。选用数字隔离器和其他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，进而导致其输出不稳定。