完整的工業自動化PLC

解決方案

可編程邏輯控制器（PLC）是工業自動化中的核心設備之一，是讓工廠能夠以自動化方式運行的關鍵應用。PLC通常是由多個模塊組成的模塊化系統，專門用來進行邏輯控制、順序控制、定時控制、計數控制等操作。本文將為您介紹PLC在工業自動化的應用，以及由ST（意法半導體）專為PLC應用推出的相關解決方案。

通過邏輯控制工業自動化設備的運行

PLC被廣泛應用于各種自動化系統中，以控制單元（通常稱為中央處理單元，CPU）和多個輸入／輸出或其他功能模塊（擴展模塊）為例，控制單元通過專用總線（通常是名為底板接口的客戶特定總線）與擴展模塊通信。控制單元按周期運行，并與擴展模塊定期交換數據。輸入／輸出模塊與工廠處理側建立接口／連接，在一側提供由傳感器檢測到的各種物理變量的信息，并通過在另一側驅動不同的執行器，允許與自動化流程交互。每個模塊均需要集成到完整的自動化系統中，從而為各種現場總線和工業以太網提供連接功能。

PLC在工業自動化領域的主要功能包括通過邏輯控制，來根據預先編寫的邏輯程序來控制設備的運行，例如根據傳感器輸入決定啟動或停止機器。在順序控制方面，在自動化生產在線，PLC可按一定的順序執行操作，確保各工序按時完成。

此外，PLC內部的定時器和計數器功能可以用來進行精確的時間控制和物料計數，現代PLC還具備模擬量輸入輸出功能，可以處理如溫度、壓力等模擬信號。PLC還可以通過各種通信協議與其他設備進行數據交換，實現遠程監控和控制，并能夠檢測并診斷系統故障，并在可能的情況下自動恢復運行。

PLC可控制各類自動化設備的協同運作

PLC廣泛應用于自動化生產線中，控制各類設備的協同運作，提高生產效率。在化工、食品飲料等行業中，PLC可用于控制生產過程中的各項參數，如溫度、壓力、液位等。此外，PLC可用于機械設備的運行控制，如數控機床、包裝機械等，確保其精確運行。

PLC還可應用于樓宇自動化中，控制空調、照明、安全系統等。在水處理和污水處理系統中，PLC可用于控制水泵、閥門和其他設備，實現自動化運行。在能源管理系統中，PLC可用來監控和控制能源的分配和消耗，達到節能效果。PLC的靈活性和可靠性使其成為工業自動化中不可或缺的組件，能夠適應各種復雜的控制需求。

在現場總線和工業以太網應用中，有線通信技術廣泛用于工業 4.0 和工業 IoT 應用，這項技術在不斷發展，并在從傳統的現場總線發展為基于以太網的總線，以便連接人機界面（HMI）、可編程邏輯控制器、機器、I/O、驅動器、執行器和傳感器。

人機界面可幫助我們有效控制設備以及根據機器反饋制定決策，該界面可以是直接裝配在機器上并用于工廠自動化的簡單顯示屏，也可以是用于控制整條生產線的多點觸控顯示面板。此外，為實現工業4.0，PLC可將IO-Link通信網絡（IEC 61131-9）用于雙向點對點數據連接（一直到致動器和傳感器級別），支持數據預處理、傳感器參數調整和高級診斷。

在數字I/O模塊應用方面，輸入／輸出（I/O）模塊從輸入設備（包括接近、壓力、溫度傳感器和按鈕）收集數據，并控制致動器，如閥門、繼電器和燈具（輸出設備）。這些模塊可以添加到PLC控制柜中，也可以集成到工廠的制造設備中。

在 PLC 中，PLC 控制單元是處理來自輸入設備的數據并控制輸出的主要構建單元，它可以與 I/O模塊集成，以提供所需的功能。PLC 控制單元還支持連接到各種現場總線（包括 PROFIBUS、Modbus 和 CAN open）、工業以太網（如Profinet、EtherCAT）、無線技術，以及連接到系統的背板總線。

具有高性價比與高能效

處理能力的微處理器

ST針對工業自動化應用，推出了基于STM32MP135的PLC解決方案，STM32MP135是一款高性能微處理器（MPU），具有32位Arm Cortex-A7@1GHz、2個以太網、2個CAN-FD等，以及用于數字輸出的8通道隔離高側智能電源開關（IPS）與4通道隔離低側IPS，以及12路隔離數字輸入。通過使用基于ThreadX RTOS的LogicLAB PLC運行時，PLC參考解決方案可面向高性能應用和市場。該參考平臺提供了流行的工業領域總線，如1個EtherCAT主站端口、1個以太網端口、RS-232 /RS-485 /ModBus接口、CAN接口與USB、MicroSD卡接口等。

STM32MP135微處理器產品系列還具有一個專用的LCD-TFT并行顯示接口，一個16位并行攝像頭接口和雙以太網端口，具有高性價比，具備高能效處理能力，而且其安全性已通過認證。STM32MP135系列具有高級安全加密特性，包括加密加速器，可提升硬件可靠性，以及內存保護，可防止非法訪問控制，此外還支持代碼隔離機制，可提供運行時保護，擁有多種功能可確保在產品生命周期內平臺通過驗證，具有完整的安全生態系統。

STM32MP135 MPU專門面向入門級Linux、裸機或RTOS系統設計，并已預先集成Microsoft Azure RTOS。STM32MP135系列提供3種不同的封裝，支持實現高性價比PCB架構。STM32MP1系列是一種面向多重市場的通用型微處理器，適用于各種工業應用，包括工業和工廠自動化、計量、智能家居、銷售終端、醫療保健、電動汽車充電器等。

針對PLC應用，由軟件合作伙伴 ―― 上海翌控基于LogicLAB Runtime量身定制的STM32MP135 PLC 參考設計平臺，是一款為客戶提供開放式、高實時，高性能的解決方案。STM32MP135 PLC 參考設計平臺支持 IEC61131-3 五種編程語言，包括梯形圖（LD）、功能塊圖（FBD）、結構化文本（ST）、順序功能圖（SFC）、指令表（IL），另外還有多個 PLC 存儲器，包括 16MB 程序區、32MB 數據區、128KB 掉電保持區，其 PLC 基礎指令執行性能僅需 4ns，PLC 高速IO中斷響應能力小于 1μs，PLC 中斷任務響應能力小于10μs，EtherCAT 主站推薦最小周期（開啟 DC）為 250μs（小于 8 從站）、500μs（小于 16 從站）、1ms（小于 32 從站），運動控制最大軸數為 32 軸（含脈沖軸與虛擬軸），支持 IEC61131-3 標準函數與功能塊庫、高性能PID庫、總線通訊庫、PLCopen 運動控制庫、MQTT 客戶端庫、JSON 格式庫、COM 串口自由協議庫、TCPUDP 自由協議庫、CAN 自由協議庫、文件系統庫等功能指令庫。

STM32MP1系列MPU還可搭配STPMIC1這顆專用電源管理IC（PMIC）和電池供電應用的配套芯片。STPMIC1可用于微型處理器單元的高度集成電源管理集成電路，是一款完全集成的電源管理IC，專門面向基于高度集成的應用處理器設計方案的產品，可滿足其低功耗和高效率需求。該器件集成了先進的低功耗特性，可由主機處理器通過I2C和IO接口進行控制。

STPMIC1 穩壓器旨在為應用處理器以及外部系統外設（如：DDR、閃存和其他系統器件）供電。升壓轉換器最多可為 3 個 USB 端口供電（兩個 500 mA主機 USB 和一個 100 mA USB OTG）。該轉換器采用先進的旁路架構，可從電池以及低成本消費類 5 V AC-DC 適配器平穩調節USB端口的 VBUS。

STPMIC1 的 4 個降壓 SMPS 已經過優化，可實現從 PFM 到 PWM 平穩過渡的低功率模式，以及具有集成 PLL 的先進 PWM 同步技術，旨在實現更好的抗噪性能（EMI 性能），從而在更寬松的操作條件下實現出色的瞬態響應和輸出電壓精度，以及高全量程效率（η高達90%）。

具有NPU加速器的高性能微處理器

此外，ST 還有一款基于 STM32MP257 的 PLC 解決方案，這是一款最新的高性能MPU，具有雙64位Arm Cortex-A35@1.5GHz、32位Cortex-M33@400MHz、3x以太網（2+1開關）、3xFD-CAN等，具有用于數字輸出的8通道隔離高側IPS與4通道隔離低側IPS，以及12路隔離數字輸入。通過使用基于主流CodeSys PLC運行時在Linux操作系統上，PLC參考解決方案針對中高性能應用和市場。該參考平臺提供了流行的工業領域總線，如1個EtherCAT主站端口、2個以太網端口、RS-232 /RS-485 /ModBus接口、CAN接口與USB、microSD卡接口等。

STM32MP257應用處理器共擁有3個以太網端口、3個FD-CAN接口、H.264編解碼器、3D GPU、AI/NN功能、LVDS/DSI顯示接口以及安全功能。STM32MP257還提供專用評估板STM32MP257F-EV1，可幫助客戶順利開始設計。該產品具有NPU加速器并能靈活地在CPU、GPU或NPU上運行AI應用，可提供出色的邊緣AI能力。此外，本產品還通過其多媒體功能支持機器視覺等高端邊緣計算應用，這一切都得益于ST全面的邊緣AI生態系統。

STM32MP2系列這款通用微處理器用途廣泛，可滿足不同細分市場和工業應用的需求，包括電動汽車充電器、工業和工廠自動化、智能家居與計量等應用市場。

STM32MP2系列具有更高的安全性，這些獲得認證的高級安全功能，支持實現IoT和工業應用的安全功能（目標通過SESIP3認證，基于Cortex-A和Cortex-M的TrustZone技術，邊緣加密計算的安全隔離），還支持豐富的生態系統，幫助客戶加快開發進程，借助基于Yocto的主流開源Linux發行版OpenSTLinux，可快速、輕松地移植應用軟件。

STM32MP2 系列還推出 Android 發行版，提供 STM32Cube 工具集，包括 STM32CubeMX（引腳和時鐘配置、DRAM接口調整工具、基于 Arm Cortex-A35 的 Linux 和基于 Arm Cortex-M33 的 STM32Cube 固件生成代碼）、基于 GCC 的 IDE 和帶簽名工具的 STM32CubeProgrammer。

STM32MP2系列由于集成度高，封裝兼容低成本PCB技術（低至4層電鍍通孔的PTH-PCB），以及采用專用電源管理IC（PMIC），用戶可獲得最優化的物料清單（BOM）。STM32MP2系列并擁有廣泛的第三方生態系統，通過合作伙伴實現Buildroot和OpenWRT支持，合作伙伴提供的基于STM32MP2系列的模塊上系統（SoM），ST的授權合作伙伴包括UI工具供應商、安全軟件供應商、培訓和軟件服務。

結語

PLC作為工業自動化系統的核心組件，為各類工業應用提供了高效、穩定且靈活的解決方案。通過其強大的邏輯控制、順序控制、模擬量處理與數據通信功能，PLC不僅實現了生產過程的自動化，還顯著提高了生產效率和產品質量。隨著工業4.0和智能制造的推進，PLC將在未來的工業自動化中發揮更加關鍵的作用，助力企業實現數字化轉型與持續發展。由ST推出的高性能微處理器PLC解決方案，具有高性價比、完整的功能與效能，將是您開發PLC相關應用的理想選擇。