为何PLC能在工业应用领域屹立不摇?

作者:Steve Taranovich

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,并采用更标准化的操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。

有了这样的想法,在打开Micro850时就会产生认知上的一种失落,因为我们看到在工业PLC这种环境要求最严、电气I/O应用寿命很长的应用中,居然只有光耦作为唯一的隔离机制。

具体来说,直流输入端是用6个安华高(Avago)的10MBaud(高速)HCPL-063L双通道光耦,和4个比特率在10KBaud至100KBaud之间的东芝(Toshiba)标准低速TLP280-4四通道光耦进行隔离的。直流输出端则采用了4个安华高HCPL-M456单通道(高速)光耦和4个东芝TLP281单通道及3个东芝TLP281-4(标准)四通道光耦进行隔离。

为了理解为何Rockwell Automation选择光耦作为其PLC的输入输出隔离组件,理解应用要求以及光耦特性是很有帮助的。

对于新手来说,电压瞬时变化和突波在工业环境中是一个普遍的问题。一般来源包括传感器和马达启动器等现场设备。这些讯号可能是突然的、快速的,并且具有足够高的强度损坏驱动电路、控制逻辑甚至伤害到操作人员,因此这是一个非常重要的安全性问题(图3a)。


图3 在工业应用中,要求采取隔离措施阻隔可能危及逻辑电路或操作人员的瞬态电压(a),并消除可能导致讯号错误的共模瞬态讯号(b)。

另外在PLC中,不同电路之间使用的不同隔离接地可能产生共模问题(图3b)。这更像是讯号完整性问题而不是安全性问题,因为结果是不可靠的讯号或变差的噪声抑制性能。引起电路问题的另外两个来源是接地回路和电路工作在不同电压值时的情形(图4)。


图4 当设计良好时,隔离可以用来避免系统中不同接地点之间的电位差引起的接地回路。

在接地回路中,电气系统共享路径的两个点之间会有多余的电流,但每个点的接地电位水平之阻抗有限且有所不同。当两个电路以危险的不同电压水平非常靠近地运作,高压安全性隔离是必需的,而且在使用电平转移导致电路在不同电压水平不一致时,也会需要高压安全性隔离。

为何选择光耦?
理由有许多。对于新手来说,它们可以提供真正的电流隔离,并且能在使用间隙为0.08mm的硅胶和聚酰亚胺带的LED和检测器之间实现很高的隔离度。


图5 光耦提供的电流隔离性能可以满足甚至超越诸如IEC 60747-5-5这样的法规要求。

在采取电流隔离措施后,电荷承载粒子就无法从一个电路移动到另一个,虽然讯号信息仍可以通过其他方式在电路之间进行交换,比如光学、电感耦合或电容耦合。

身为设计工程师,需要关注安全隔离标准一致性问题。IEC 60747-5-5是针对工业应用中光学隔离的组件级安全标准,与设备安全标准是不同的。许多技术将「满足」基本标准要求,但光耦可以超过这些标准,为特殊情形提供一些有价值的空间。

注意,IEC 60747-5-5是需要强制性隔离认证的光耦的实际工业标准;如果单层隔离和双层隔离具有相同的绝缘属性,这就被称为增强型隔离。虽然Micro850中的安华高组件,可满足2.5k~3.75kV的额定耐压,但光耦可以做得更好,其耐压可达7.5kV。

尽管被怀疑随着时间的推移具有不可接受的性能劣化,如前所述,但光耦实际上已被证明具有很长的寿命,在30年内性能的劣化几乎察觉不到(图6)。


图6 制作优良、具备光学IC输出的光耦具有30年以上的使用寿命,使得传说其性能会随时间劣化的流言不攻自破。

这种担心对于较早以前生产或是相对较廉价的光电晶体管可能成立,但不适用于提供光学IC输出的高性能光耦。安华高已经在许多场合或透过技术论文,展示了在加速条件下LED的可靠性应力数据,呈现被期望的LED寿命性能。


图7a Micro850数字I/O电路板上使用的HCPL-063L光耦技术的输入隔离特性,并与较新版本的ACPL-064L进行了比较,结果表明前者具有低得多的驱动电流和功耗。

图7b Micro850中使用的HCPL-M456光耦的输出隔离特性,并与较新版本的ACPL-M483组件做了比较,结果表明前者具有更小的LED驱动电流、更快的传播速度和改进的共模抑制性能(CMR)。

光耦的另外一个优势,比如HCPL-063L及其升级版本低LED驱动电流的ACPL-064L(图7),是它们不需要供电电压。虽然其它隔离组件具有信道密度的优势—SiliconLabs的Si86xx产品线在紧凑的16接脚SOIC中提供6个通道—光耦在现场组件输入侧不需要额外的隔离型电源。这意味它们确实需要少量的计算,目的是选择合适的输出分压电阻(input split resistor)来控制LED驱动电流。

有鉴于使用PLC的环境,值得注意的是,光耦也能防止电磁干扰(EMI)—这也是Rockwell选择光耦的另外一个充分的理由。如图7a和图7b所示,光耦的技术水准还在继续提升,将具有更高的效率(即更低的LED驱动电流)、更高的工作温度和更小的外形尺寸。随着法规标准变得越来越严格,绝缘和EMI可能变得越来越重要。

I/O电路板上的光耦旁边,还有将多种功能糅合到一起的莱迪思(Lattice)400MHz、64个宏单元(macrocell)的CPLD LC4064V,以及在电源供应器四周有一些安森美(ONSemiconductor)的电源组件。

PLC核心处理功能
主逻辑与处理电路板是PLC在功能、可程序设计性和用户接口方面与PC/嵌入式计算机竞争的地方。Micro850来说,核心决策制定、系统管理、运作控制和用户接口处理都是由飞思卡尔(Freescale)的Coldfire MCF5372 32位无ROM微控制器(MCU)实现的。该MCU也执行CCW软件,以便在需要时对PLC编程或重新编程。


图8 Micro850上的主板由负责系统管理、运作控制和用户接口的飞思卡尔Coldfire MCF537232位MCU、提供通讯和马达控制以及一些专有功能的赛灵思Spartan XC351400A FPGA组成。

赛灵思(Xilinx)的Spartan XC3S1400A FPGA最有可能专门支持特定逻辑功能、高速通讯控制以及降低总体拥有成本,方法是「透过更严格地控制速度、扭矩和加速度进行节能,同时提高效率支持更小更便宜的马达」。根据PLC说明书的描述,Spartan FPGA是Micro850实现运动控制能力的核心,可支持并能够充分利用多达3个具备PTO的轴。

为FPGA和MCU提供外围支持的是Cypress的FM21L16 —2Mbit(128Kx6)FRAM(直接替代品现在是FM28V202A)、美光(Micron)的MT48LC8M 128Mbit(8Mbitx16)SDRAM以及ADI的15kV、具静电放电保护功能与GreenIdle的串行端口收发器ADM3315EA。电压监视功能由ADI的ADM7063V监视电路提供。


图9 Micro850主板的背面有主要的用户I/O以及用于Micro800扩展模块的5个接口,可以用来根据需要扩展PLC功能,因此使得Micro850特别灵活。

主板的背面有以太网络、非隔离型串行埠、USB编程埠,以及5个用于Micro800用户可选模块的连接器。随着应用要求随时间的改变以及PLC需要适应更新的技术,这些模块可以实现I/O和通讯的灵活组合;而正是这种灵活性加上更强大的处理能力、简易的可程序特性和坚固性,使得PLC始终屹立在工业控制平台的最前线。

结果是随着时间的推移,要在以PLC为基础或以PC/嵌入式计算机为基础的系统之间做抉择,越来越多与安装量与设计工程师的熟悉程度—这将影响项目开发时间—以及传统观念有关,而不仅是技术或坚固性的差异。随着我们迈向物联网(IoT)以及工业4.0或4.2,新的工厂和系统在做抉择时可能还会左右摇摆,但肯定的是这两种架构还将共存许多年。

文章来源:电子技术设计