过程控制和PLC设计指南

简介

　　工业控制、工厂自动化以及PLC (可编程逻辑控制器)是发展成熟的技术，能够有效地节约时间、材料、能源和金钱。但从何入手呢? 设计一个完全自动化的工厂是一项巨大工程，有可能在还没有启动项目时就放弃了。

　　这使我们想起多年以前非洲的一位探险家，当他询问本地的一位部落男子："如何吃掉一头大象?"，这位男子惊讶地看着探险家回答到："我们吃大象就像吃别的任何东西一样，一次一口"。与其它大型系统开发一样，工业控制系统可以划分成许多小规模电路。下面我们就开始探讨这些细分后的电路。

　　过程控制流程

　　装配生产线是人类历史上相当新的发明创造，许多国家都在同一时期涌现出了类似的创新方案。我们将列举其中的几个示例，阐述如何演进到一个完整的自动化工厂。

　　Samuel Colt (美国的*制造商)在19世纪中叶展示了一种通用部件。早期的*需要独立制造每只枪的部件，然后进行组装。Colt先生展示了10只枪的通用部件，然后随机地从箱子里抓取这些部件并组装好一只枪。在20世纪初期，Henry Ford进一步拓展了大批量生产技术。他采用固定的装配厂，用卡车在工厂之间运输零部件。雇员只需要了解很少的装配知识，在以后的工作中也只进行这些操作。1954年，George Devol申请了美国专利2,988,237，这项专利标志着首台工业机器人的诞生，该机器人被命名为Unimate。20世纪60年代末期，General Motors?使用PLC (可编程逻辑控制器)组装汽车的自动变速器。被称为PLC之父的Dick Morley为GM生产了首个PLC。他的美国专利3,761,893是当前许多PLC的基础(有关上述四位发明家的详细信息，请参考：www.wikipedia.org/；相关专利请查询：http://patft.uspto.gov/netahtml/PTO/srchnum.htm)。

　　过程控制可以简单到何种程度? 图1给出了一个常见的家用加热器。

图1. 家用电子加热器，一个简单的过程控制示例。

　　加热器部件密封在一个容器内，简化系统通信。这个概念可以扩展到远端控制的恒温加热器，通信距离在几米左右，通常采用电压控制。

　　现在，我们可以考虑一个小型的简单过程控制系统，在图2所示工厂中需要哪些必要部件?

图2. 工厂的远程通信

　　长距离传输线的阻抗、EMI以及RFI (电磁及无线电干扰)使得电压控制方案的实施非常困难，这种情况下，电流环不失为简单、有效的解决方案。由基尔霍夫定律可知，电流环中任何一点的电流等于环路中其它所有点的电流之和，由此可以抵消传输线阻抗的影响。由于环路阻抗和带宽较低(几百欧姆，< 100Hz)，EMI和RFI的杂散拾取最小。

　　PLC基本原理

　　电流控制环的应用始于20世纪早期的电传打字机，最先使用的是0–60mA环路，后来改为0–20mA环路，PLC系统率先加入4–20mA环路。4–20mA电流环有很多优势，将4mA作为最低通信电流，传输线断开(开路)时很容易检测到这一故障，只需两条连线即可实现远端传感器供电，大约3.5mA。4–20mA环路可以采用模拟通信，也可以采用数字通信。

　　在传统的分立器件设计中需要仔细计算，而且电路占用较大空间。Maxim推出了几款20mA器件，能够大大简化系统设计。我们首先考虑典型的PLC功能，如图3所示。

图3. PLC简化框图

　　PLC用于完成某项工作或任务。我们先检测一个物理参数，对其处理并进行决策，然后命令某个物理设备进行动作。根据这一模型，左下框显示了信号调理输出，可以采用MAX15500/MAX15501集成电路。

　　MAX15500/MAX15501允许选择近程电压控制或远程电流控制。从图4可以看出，除了传统的分立方案中所具备的基本通信功能外，器件中又加入了新的监测和保护功能。

图4. MAX15500/MAX15501输出调理器系列产品，器件功能包括：为1kΩ提供的±12V加载感应输出、供给750Ω的±24mA电流、100µs的14位建立时间、40µs的12位建立时间。

　　工厂布线受运动、震动等因素的影响，可能导致与其它连接器之间的开路或短路。为了保证设备和人身安全，需要进行安全监测。电缆发生失效时，在系统彻底失效之前会有一段间隔时间。MAX15500系列能够智能化地进行监测，管理不同的失效状况。

考虑到工厂极端的EMI、RFI、电源浪涌条件，任何监控措施都必须可靠，能够不受外界环境的干扰。MAX15500系列包含了一个最小260ms的开路、短路超时周期，这个时间周期足以避免监测嘈杂环境引起的错误报警，而且也足够捕获短暂的电缆故障。此外，器件将锁存故障并触发一个独立的硬件中断引脚报警，从而使处理器快速响应电缆短路故障。处理器收到中断后可以读取MAX15500的寄存器内容，获取准确的故障信息，清除故障中