基于plc控制系统的设计趋势

工业控制中使用的设备，如可编程逻辑控制器(PLC)，具有越来越高的连通性和嵌入式处理水平。此外，人们希望使机器在功能上安全操作。表1总结了一小部分自动化供应商的关键功能产品规范，说明了对连接性、嵌入式处理和功能安全性特性的重视。

深入研究这些系统中I/O模块的架构和设计，我们观察到自动化的进步和电子技术的扩散之间存在一个相互加强的循环。让我们来研究一下这些自动化趋势及其对底层电子设备的相应影响。

连接

从简单的工业控制系统到大型加工厂，自动化基础设施通常分为三个层次(图1)。顶层是运营和企业级。接下来是控制层，由用于控制工厂车间的机械和过程的主要处理单元组成。最后，实际的传感器和执行器位于现场级。这些级别之间有很高的连通性，今天的潜在主题是需要在现场设备中嵌入智能，并与它们进行控制和通信，以提高效率和规划。

自动化的趋势:以前，现场设备、控制器和其他设备之间的主要通信模式是4-20 mA环路或工业现场总线。虽然这些将继续使用多年，以太网正在工业控制系统中采用，有几个现场总线协议有相应的工业以太网版本。变体包括Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Sercos, Powerlink等等。事实上，确定性协议正在运动控制等性能关键型应用中得到采用。其好处包括提高吞吐量、节点密度和标准硬件。来自生产车间的数据可用于运营规划软件，具有相应的好处。除了以太网，您还可以看到人们对HART和IO-Link等协议重新产生了兴趣，这些协议允许与现场设备进行数字通信。最后，无线技术正在取得进展，有时作为辅助选择来增加控制回路，用于监控罐液位等过程变量。

设计/架构的趋势:电子元件实现连接性的关键趋势是可编程性和灵活性。鉴于工业以太网协议的多样性，IC(集成电路)制造商现在提供可编程硬件和固件，使系统设计人员能够灵活地用同一处理器支持多种协议。事实上，一些处理器和fpga包括硬件引擎，以实现工业以太网协议所需的周期到周期确定性。此外，IC制造商提供工业级产品，为上述许多现场总线提供模拟接口，其中一些接口作为外围组件集成到处理器中。最后，无线芯片和收发器包括加密引擎和增加的闪存，以存储各种通信接口所需的协议栈。

嵌入式处理

自动化的趋势:连通性的进步导致了两个系统趋势:每个系统的通道数量不断增加，远程定位系统的数量也在增加。例如，来自Phoenix Contact的数字内联I/O模块最多可达32个通道。增加的通道需要增加处理能力，并且为了支持远程I/O，目前大多数产品的外形尺寸都要小得多。目前使用的控制算法非常复杂，也需要强大的处理能力。例如，Emerson的DeltaV系列包括Charms I/O卡，可以实现远程I/O。DeltaV还通过模糊逻辑、神经网络和多变量预测控制等技术推广嵌入式智能控制。这些处理复杂性和大小的改进是通过嵌入式处理实现的。此外，有一种趋势是将处理从中央控制器转移到分布式本地控制。最后，现场设备本身的嵌入式智能水平不断提高，可以与控制网络通信，并执行诊断和预防性维护。

设计/架构的趋势:实现这些趋势的关键驱动因素是集成、封装和低功耗。这种集成在今天的微控制器和微处理器中可用的集成功能的不断增加中表现得最为明显。ARM架构的简单性、普及性和IP授权模式，再加上其较低的功耗，使得IC制造商提供的嵌入式处理器系列取得了重大进展。晶体管尺寸不断缩小的半导体工艺技术是另一个贡献因素。这些进步使得外围组件和连接选项可以大量集成到这些处理器上，从而实现了今天所看到的嵌入式智能水平。

除了处理器之外，模拟半导体芯片的集成水平也有所提高。为了理解所实现的集成级别，让我们看看图2所示的用于模拟输入模块设计的典型体系结构的系统框图。

今天，大多数IC供应商提供集成模拟多路复用器、放大器、模数转换器(ADC)、基准电压和缓冲器的产品。基本上，这个方框图左边的大多数关键组件都可以在一个小于40平方英尺的包中获得。此外，封装技术的进步允许很大一部分电源管理集成到模块中，在某些情况下甚至可以集成到单个包中。这种集成度，再加上加工技术的进步，可以实现小尺寸的产品，如罗克韦尔自动化的MicroLogix PLC系列。

除了集成，还有功耗需要考虑。图3显示了典型模拟输出模块的系统框图。一个这样的模块有四个有源通道(图中只显示了三个通道)，每个通道驱动一个满量值20 mA信号到轻负载上，模块本身的耗散可达1.5 W。这在很小的空间里是很大的能量。然而，一些巧妙的设计技术以及集成和封装方面的进步将允许数模转换器(DAC)、放大器以及潜在的很大一部分电源管理在一个单一的封装中可用。

实现更高通道密度的其他例子是最近的半导体芯片，它允许在单个IC中聚合大量的数字I/O。与其他电子设备一样，集成和增加嵌入式处理的趋势预计将持续到未来。

功能安全

自动化的趋势:增加的连通性和更高级别的嵌入式处理导致了正在开发的自动化系统的巨大复杂性。因此，一旦发生故障，机器和人员的成本都要高得多。与此同时，监管机构已经开始要求更高的安全性。例如，欧洲颁布了关于与机械有关的健康和安全要求的机械指令2006/42/EG。这些标准对认证很重要，通常包括特定的评级。例如，IEC标准包括安全综合等级(SIL)评级。为了满足这些需求，许多工业以太网协议都为与安全相关的数据提供了补充的安全扩展。例如，Profisafe将安全性集成到现有的Profibus和Profinet现场总线中。为了满足所有这些要求，自动化供应商已经开始整合更多与安全相关的诊断功能，以实现机械的功能安全。例如，西门子提供符合各种安全标准的认证产品，Simatic系列安全集成系统将安全集成到标准控制器中，避免了对单独安全控制器的需求。 Several manufacturers offer redundant channels to ensure fail-safe operation. On top of safety, these options provide the added benefit of reduced risk of downtime in machinery.

设计/架构的趋势:实现功能安全的主要趋势是电子元件中的集成诊断和安全支持功能。步调一致的双核处理器已经应用于汽车应用，并将很好地迁移到工业安全领域。尽管大多数应用程序都设想有两个冗余通道，但第二个通道可以使用成本较低的处理器，只处理与安全相关的数据。除了处理器，外围电子设备中还有重要的诊断和故障安全选项。一些以太网收发器可以承受工业温度范围，并与嵌入式处理器一起支持诊断功能，如时域反射测量(TDR)，以检测故障并执行电缆诊断，这在工厂环境中非常重要。最后，许多用于现场总线协议的接口ic具有使用SymPol技术免疫交叉线连接、更高电压保护和许多其他功能以防故障的选项。下一波产品将包括对许多这些产品进行自检的选项，这样它们就可以与系统的其他部分隔离开来，从而实现错误检查并提高系统的可靠性。

自动化的进步和相应的电子技术的扩散创造了一个相互加强的循环，如图4所示。在新的PLC I/O产品中，对连接性、嵌入式处理和功能安全性的关注导致了更高的通道密度和远程I/O。这使得IC制造商提供可编程的集成解决方案，具有更低的功耗和创新的诊断功能。

值得关注的一个相关自动化趋势是亚洲市场推动的低成本解决方案的潜在出现。自动化趋势和底层电子之间的相互强化预计将随着自动化的进步而进一步发展，推动新的电子设计，反之亦然。

Navin Venkata Kommaraju是德州仪器公司终端设备解决方案营销业务发展经理。

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