从模拟前端看PLC技术应用趋势

随着工业4.0的浪潮席卷全球，可编程逻辑控制器（PLC）作为工业自动化领域的核心设备，正经历着前所未有的技术革新。PLC以其高可靠性、强大的数据处理能力和灵活的编程方式，成为实现智能制造和工业自动化的关键。本文将详细介绍工业PLC的发展历程、技术特点以及恩智浦公司在工业PLC领域的技术创新和产品应用，探讨其如何推动工业4.0的深入发展。

自上世纪60年代末诞生以来，PLC凭借其独特的逻辑控制功能和可靠性，迅速成为工业自动化领域的核心设备。随着技术的进步和工业需求的变化，PLC经历了从简单逻辑控制到复杂过程控制、从单机控制到网络控制、从模拟控制到数字控制的演进过程。

在工业4.0时代，PLC面临着更高的要求和挑战。工业生产需要更高的生产效率、更低的成本、更短的交货周期和更高的灵活性。这就要求PLC必须具备更高的处理能力、更快的响应速度和更强的适应能力。同时，随着物联网、大数据、云计算等技术的快速发展，PLC也需要与这些新技术进行深度融合，实现智能化、网络化、集成化的控制和管理。

PLC通常由主微控制器、模拟I/0卡、数字I/0卡和通信卡组成。如果必须修改生产线，还必须更改I/0。图中显示了传统PLC设计中使用的I/O卡示例。

生产线所需的每种类型的输入和输出都有类似的卡片。例如，如果生产过程发生变化以满足新的客户要求，则必须更换整个PLC，或者至少必须更换各种I/0卡以满足新配置。这需要时间和精力，并带来了及时提供正确的PLC或I/O卡的挑战，这与当今工业4.0所需的快速变化不兼容。

工业4.0 PLC必须非常灵活，其输入和输出可以通过软件进行数字配置，而无需手动干预。这种灵活性允许快速更改、提高效率和降低成本。随着最新的半导体创新，I/O的软件可配置性现在通过使用完全可配置的模拟输入和输出前端IC来实现。这些IC允许在任何时间点对输入和输出进行动态配置，从设计到在工厂车间部署PLC之后允许用具有软件可配置功能的单个通用I/O模块取代各种类型的模拟输入和输出块。

当转换为通用I/O系统时，一个重要的设计考虑因素是评估这种系统是否会影响性能。恩智浦的NAFE系列为许多类型的输入提供了动态配置，如电流、电压、RTD和热电偶，同时提高了整体系统级性能。

NAFE系列是一种高度可配置的工业级多通道通用输入和输出模拟前端（AFE），满足高精度测量要求。该装置集成了低泄漏，高电压（HV）快速多路复用器、低偏移和低漂移可编程增益放大器（PGA）和缓冲器、高数据速率、24位delta-sigma模数转换器（ADC）、精确的电压和电流激励源和低漂移参考电压。

恩智浦NAFE系列的另一个重要功能是高度集成的紧凑设计。PLC模拟输入暴露于各种信号。确保I/O模块的可靠性对于维护安全高效的工业环境至关重要。模拟输入非常容易受到浪涌事件的影响。添加大电阻器以限制电流或添加TVS二极管的传统方法既不有效也不节省空间，并且由于泄漏电流而恶化了测量精度。

相反，恩智浦的NAFE系列集成了连接到HVDD和HVSS的保护二极管，如图所示。建议为每个高压输入引脚安装一个带有1nF或10nF电容器的外部串联2.5kQ电阻器，以通过内部二极管可靠性限制电流。如图2所示，集成箝位电路可保护NAFE输入免受现场安装系统时照明引起的可能浪涌电压以及制造过程和印刷电路板(PCB)组装过程中发生的ESD事件的影响。

拥有这些内部保护二极管有助于节省每块板上宝贵的不动产，从而实现紧的设计。另一个重要的系统考虑因素是校准支持。对模拟!/0模块的校准支持有助于制造商减少开发PLC模拟输入设计的资本支出。

校准支持:每当传感器连接到AFE的输入端时，AFE不得引入任何影响传感器读数准确性的增益或偏移异常。为此，传感器到ADC的信号路径将需要通过执行系统校准来将任何偏移和增益失配归零。校准PLC需要昂贵的测试设备，并延长了生产测试时间。

此外，恩智浦的工业PLC还可以与云计算、大数据等技术进行深度融合，实现生产数据的实时采集、分析和优化。通过对生产数据的分析，企业可以了解生产线的运行状况、设备性能、产品质量等信息，并根据这些信息制定更加科学的生产计划和管理策略。这不仅可以提高生产效率和质量水平，还可以降低生产成本和资源浪费。

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