使PLC的设计和实现达到更高的效率和生产力的方法探析

引言

增强生产力和效率——这些都是现在的所谓工业4.0或智能制造（SM）的焦点1。工厂被鼓励“将工厂运营效率提高10%（损耗/单位产品）”2，以较少的能源、水及其它自然资源产出更多产品。有人认为，这是满足全球不断增长的需求的唯一途径3。规划工业4.0的目的是“连续提高整个价值链中的资源生产力和效率”4。为了使“产出最大化。..重点就要提高资源生产力。..和资源效率。”所以，许多文献和报告一致赞成如下主题：21世纪的制造工厂必须优化系统生产力和效率，以20世纪生产相同产品所需的相同或更低成本生产更大量的产品。

现代自动化工厂大都通过电子和信息技术来提高生产力，特别是可编程逻辑控制器（PLC）和分布式控制系统（DCS），已成为现代工厂中无处不在的众多神经系统的中枢控制。我们将工厂中广泛分布并受控于相同PLC和DCS的每个模块、子系统或元件称为“神经系统”。您任何时候提高这些子系统的生产力和效率时，都将对整个工厂的运营产生积极影响。

本文介绍如何使PLC的设计和实现达到更高的效率和生产力，也讨论了预期——满足将来不断增长的生产需要的系统的预期。本文介绍一款优异的子系统参考设计Alameda，该参考设计利用高效率的反激式变换器的电源提供四路高效、极高精度模拟输出。通过部署Alameda，自动化工厂将立即看到其PLC系统生产力的大飞跃，提前满足将来SM工厂的效率要求。

四路模拟输出，无常见噪声

过去，PLC和DCS的模拟输出参考系统专注于模拟性能；更高的效率和系统生产力往往被忽略。如果某个设计者试图通过集成电源来提高系统效率，则仍然需要解决系统噪声问题。

现在，有一种途径既可实现四路高精度模拟输出又可以解决噪声问题：Alameda （MAXREFDES24#） 4通道模拟输出子系统参考设计（图1）。Alameda具有四路高精度（《±0.1%）的灵活模拟输出、一个高效率电隔离电源，以及自动故障检测和过热保护。完备的硬件和固件设计文件以及实验室测量数据，能够帮助快速设计原型及开发。

图1. Alameda子系统设计方框图

元件数量较少，具有更大通用性

高度集成是这里的关键，集成提高了通用性、避免了噪声问题，并且减少了器件数量。我们首先了解一下硬件（图2）。

图2. Alameda参考设计电路板（MAXREFDES24#）。

MAX5134四通道、16位、带缓冲电压输出、高线性度DAC是该系统的核心。器件具有4路通道、极低死区（最大0.02V）、满摆幅输出，所以无需DAC负电源。器件提供电压输出，驱动四片MAX15500信号调理器的输入。同时也要注意，DAC输出直接驱动调理器输入，无外部元件，使得接口非常简单。

每片MAX15500为单通道、低成本、高精度模拟电流/电压输出调理器，专为满足PLC及DCS要求而开发。信号调理器工作在±24V电源范围，产生用户可编程、单极性和双极性、高精度电流或电压输出。电流输出驱动高达1kΩ负载，电压输出驱动低至1kΩ的负载。MAX15500具有过流和短路保护，也监测过热和掉电情况，并提供全面的错误报告。

MAX6126超高精度电压基准驱动模拟输出调理器和DAC的基准输入，初始精度为0.02%，最大温度系数（tempco）为3ppm/℃。

对于数据隔离，MAX14850对现场测和系统控制器侧的数据通信进行隔离。合成的电源和数据隔离为600VRMS。

电源由隔离、宽直流输入范围、反激式变换器提供。峰值电流模式反激式控制器MAX17498B高效驱动隔离变压器，支持+18V至+32V单直流电压输入，产生±24V和+8V输出。MAX17498B电路的最高工作效率为85%。正确安装的1000pF、2000V电容耦合两个隔离地，同时仍然维持隔离，减小模拟输出噪声。MAX1659低压差（LDO）线性稳压器将+8V输出调节至+5V低噪声输出。整个系统只需要24V输入作为电源。

针对LX9和ZedBoard平台开发

Alameda设计经过LX9和ZedBoard平台验证。Alameda具有简单板载Pmod兼容连接器，可连接至Pmod兼容的现场可编程门阵列（FPGA）/微控制器开发板。目前提供这两种平台的项目文件、器件驱动器以及示例代码。可通过以下网址下载完整的源代码和文件：。

性能测量

微分非线性（DNL）、积分非线性（INL）和总计不调整误差（TUE）是PLC及其它过程控制系统的最重要技术指标。MAX15500高度灵活、可配置，满足不同应用的需求。数据在+25℃下获得。下图中，由于编码0至320在MAX5134的死区范围（0至0.02V），所以前320个DAC编码的DNL、INL和TUE标为0。

-10V至+10V电压输出模式、20%过量程下的DNL、INL和TUE测量结果分别如图3、4和5所示。单极性电压（0至5V），双极性电流（-20mA至20mA）和单极性电流（0至20mA）的测量数据可参见以下网址：。

图3. DNL，-10V至+10V输出范围，20%过量程。

图4. INL，-10V至+10V输出范围，20%过量程。

图5. 输出误差，-10V至+10V输出范围，20%过量程。

结论

工业4.0和智能制造倡导全新的第四代工业制造，这些概念代表现代化工厂提高生产力和效率的一个全新的21世纪。现在，Alameda子系统的出现使得当今的预期生产力和效率更加可行。Alameda提供高性能模拟输出和优异的电源效率，适用于PLC和DCS内的IO模块；解决了相关的噪声问题，并加快工业系统设计。如开篇所述，Alameda将对整个工厂的运营产生积极影响。