本文深入探討了可編程邏輯控制器(PLC)，文中回顧了PLC在工廠自動化中的應用歷史和所扮演的角色，討論了PLC的基本工作原理，分析了工業控制系統的核心電路：模擬輸入、模擬輸出、分布式控制(現場總線)接口、數字輸入和輸出(I/O)、CPU以及隔離電源，每個章節都給出了相應的功能框圖和推薦器件。

引言

數十年以來，可編程邏輯控制器(PLC)始終是工廠自動化和工業過程控制有機組成的一部分。從簡單的照明功能到環境系統、再到化學加工等各種應用，都離不開PLC控制。這些系統具備許多功能，提供各種模擬和數字輸入/輸出接口、信號處理、數據轉換以及各種不同的通信協議。PLC的所有元件和功能都以控制器為中心，而控制器則針對某項具體任務進行編程。



基本的PLC組件必須足夠靈活并可配置，以滿足不同工廠和應用的需求。輸入激勵(無論是模擬還是數字信號)來自機器裝置、傳感器或過程事件，表現為電壓或電流。PLC必須準確地為CPU提供解析并轉換激勵信號，CPU進而確定一組發給輸出系統的指令，而后者控制著安裝在工廠或另一工業環境的執行機構。

現代PLC起源于上世紀60年代，在隨后的幾十年中，通用功能和信號通道發生了少許變化。然而，21世紀的過程控制為PLC提出了更加艱巨的新要求：更高性能、更小體積和更大的功能靈活性。必須內置保護功能，防止潛在的破壞性靜電放電(ESD)、電磁干擾和射頻干擾(RFI/EMI)，以及惡劣的工業環境中常見的大幅值瞬態脈沖。

可靠設計

PLC需要在工業環境中無故障工作數年，而這種環境對于為PLC提供卓越靈活性和精密性的微電子元件有較大損害。Maxim比任何一家混合信號IC廠商都更能理解這一狀況，因為我們在成立之初就以卓越的產品可靠性和創新方案領先于同行業競爭者，確保高性能電子器件免受惡劣環境的損害，包括高ESD、高瞬態電壓擺幅和EMI/RFI。設計人員已經普遍認可Maxim的產品，因為這些產品解決了模擬、混合信號設計的難題，并將年復一年堅持不懈地解決這類問題。

更高集成度

PLC具有4至數百路輸入/輸出(I/O)通道，支持各種不同規格的應用，因此，尺寸和功率也像系統精度、可靠性一樣重要。Maxim堅持在IC中集成正確的功能，始終保持同行業的領先地位，從而減小了總體系統的空間和功率需求，得到更加緊湊的設計。Maxim能夠以最小尺寸提供數百款低功耗、高精度IC，使得系統設計人員能夠構建完全滿足苛刻的空間、功耗要求的精密產品。

工廠自動化—新發明

裝配生產線是人類歷史上相當新的發明創造，許多國家都在同一時期涌現出了類似的創新方案。我們在此列舉了美國的幾個示例。

Samuel Colt (美國槍支制造商)在19世紀中葉展示了一種通用部件。早期的槍支需要獨立制造每桿槍的部件，然后再分別進行組裝。為了實現自動裝配，Colt先生嘗試把10只槍的所有部件分別放置在不同箱子內，然后隨機地從箱子里抓取這些部件并組裝成一只槍。20世紀初期，Henry Ford進一步拓展了大批量生產技術。他設立了固定裝配廠，汽車在生產線上傳遞到不同車間。雇員只需要了解很少的裝配知識，在以后的工作中也只進行這類工作。1954年，George Devol申請了美國專利2,988,237，這項專利標志著首個工業機器人的誕生，該機器人命名為Unimate。20世紀60年代末期，General Motors?使用PLC組裝汽車的自動變速器。Dick Morley—PLC之父，為GM?開發了首款PLC (Modicon)，他的美國專利3,761,893是當今許多PLC的基礎(有關上述四位發明家的詳細信息。

基本的PLC操作

過程控制可以簡單到何種程度? 我們以一個常見的家用加熱器為例進行說明。

加熱器部件密封在一個容器內，便于系統通信。這個概念可以擴展到遠端控制的家用恒溫加熱器，通信距離在幾米左右，通常采用電壓控制。

現在，我們在這個小型簡單過程控制系統的基礎上加以拓展，一個工廠需要哪些控制和配置?

遠距離傳輸線的阻抗、EMI和RFI使得電壓控制方案的實施非常困難，這種情況下，電流環不失為簡單、有效的解決方案。由基爾霍夫定律可知，電流環中任何一點的電流等于環路中其它所有點的電流，由此可以抵消傳輸線阻抗的影響。由于環路阻抗和帶寬較低(幾百歐姆，并且< 100Hz)，EMI和RFI的雜散拾取被降至最小。PLC系統對于適當的控制非常有用，例如工廠生產系統。


家用電熱器，一個簡單的過程控制示例。


工廠遠程通信

PLC的電流環傳輸

電流控制環的應用始于20世紀早期的電傳打字機，最早使用的是0–60mA環路，后來改為0–20mA環路，PLC系統率先采用了4–20mA環路。

4–20mA電流環有很多優勢。在傳統的分立器件設計中需要仔細計算，而且與當前的集成4–20mA IC相比，電路占用很大空間。Maxim推出了幾款20mA器件，包括MAX15500和MAX5661，可有效簡化4–20mA PLC系統設計。

測量到的任何電流值都代表一定的信息。實際應用中，4–20mA電流環路工作在0mA至24mA電流范圍。但0mA至4mA和20mA至24mA電流范圍用于診斷和系統校準。由于低于4mA和高于20mA的電流用于診斷，可以認為介于0mA和4mA之間的讀數表示系統中傳輸線斷開。同樣，介于20mA和24mA之間的讀數可以表示系統中出現潛在的短路故障。

4–20mA通信的增強版稱為高速可尋址遠端傳感器(HART?系統)，該系統向下兼容4–20mA儀表。在HART系統中，采用基于微處理器的智能化集成現場器件能夠實現雙向通信。根據HART協議，能夠在同一4–20mA模擬電流信號線對上承載附加的數字信息，用于過程控制。

PLC的功能可劃分成幾個功能組。許多PLC廠商將這些功能集成為獨立模塊，每個模塊所具備的功能隨具體應用而有所不同。很多模塊具有多種功能，可與多種傳感器接口連接。然而，多數情況下會針對特殊應用設計專用模塊或擴展模塊，例如：電阻溫度檢測器(RTD)、傳感器或熱電偶傳感器。通常，所有模塊具備相同的核心功能：模擬輸入、模擬輸出、分布式控制(例如現場總線)、接口、數字輸入和輸出(I/O)、CPU以及電源。我們將逐一說明這些核心功能，傳感器和傳感器接口將在其它章節分別介紹。


PLC簡化框圖