PLC中的硬件模块与趋势

电子发烧友网报道（文/李宁远）PLC，可编程逻辑控制器，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。总的来说，PLC是由硬件，软件和编译器三部分组成，细分来看，其中涉及的内容很多。硬件部分有I/O模块、CPU模块、端子板、背板、通讯模块、电源等等，软件部分有I/O软件、CPU软件、通讯模块软件等等、编译器部分则有用户编程界面、逻辑转换、交叉编译等。
 

PLC，ABB

 
当然PLC并不仅限于这些组成部分，产品的机械结构设计、散热处理等部分对PLC也起着至关重要的影响。作为工业场景里重要的基础设备，通过数字式或模拟式的输入输出，PLC控制各种类型的机械设备或生产过程。
 
PLC硬件结构——I/O模块
 
PLC一般都是通过背板通讯的方式从输入模块获取现场的信号，经过用户程序运算后将需要输出的结果通过背板总线发送给输出模块，从而驱动执行机构做出相应的动作。上面说到，PLC硬件结构上主要有I/O模块、CPU模块、端子板、背板、通讯模块、电源。24V电源用于给系统进行供电， CPU模块用于用户程序的运算，针对一些有高可靠性要求的现场， PLC 可能会需要用到冗余的CPU及电源。
 
以前的PLC系统里，I/O模块一般被设计成CPU模块下的子模块，但是现在越来越多的PLC设备都I/O模块独立了出来。I/O 模块用于获取现场传感器的信号以及控制执行机构，通信模块适配器用于扩展本地或远程I/O。
 
I/O模块的诊断功能级别是选型中需要考虑的，从最基本的基本诊断功能到模块诊断功能到通道诊断功能。基本诊断功能和模块诊断功能都是模块级别的诊断，用于诊断模块状态和通道组态，通道诊断的级别最高，负责诊断通道组态和状态。对PLC性能要求较高的场景需要I/O模块对过采样、PWM、集成计数等功能提供支持，这时候需要选择带高级别诊断功能的I/O模块，如带HF、HS的I/O模块。
 
I/O模块既连接现场各类传感器执行器，也连接着PLC/适配器，通过一些常见的通讯协议将信息串联起来，现在的PLC产品里I/O模块已经将各种工业场景可能出现的信号都定义好了，各种数字量的输入输出、模拟量的输入输出以及各种传感器的信号等。
 
PLC硬件结构——CPU模块
 
CPU模块是PLC硬件组成立核心中的核心，其处理核心的选择对其性能影响甚大。小型的PLC出于成本和功能的考量，单独选择MCU作为处理核心就可以，中大型的PLC往往会选择MPU或者MCU加上FPGA。
 
MCU/MPU负责用户程序的运算，FPGA则需要对所有外部总线设备进行译码，像EtherCAT、ProfiNet这些一般都使用并行总线接口，MCU/MPU可能并没有那么多的片选信号提供，FPGA 可以比较灵活地提供更多的片选信号。
 
驱动高速总线、数据交互、通信模块与CPU之间的交互也交给了FPGA，如果是冗余设计的CPU模块，还需要同步逻辑。和运控算法相关的工作、高速UART的拓展、SPI的拓展也会交给FPGA去处理，FPGA还需要控制外部 ADC 进行同步采样，并对数据进行简单的处理。
 
小型PLC设备的处理器选择就很多样了，基本上做工业场景MCU的厂商都有相应的解决反方案，中大型PLC对处理器主频、外设、控制能力的要求就比较高，尤其是运控能力。脉冲输出和高速脉冲计数是两个很重要的运控需求点，现在有些MCU的产品也能很好地实现大型PLC要求的运控能力，不过如果场景对精度非常严苛，更常见的做法还是用FPGA来实现，也更稳妥。
 
PLC趋势
 
抛开FPGA不谈，MCU和MPU性能的拔高是大家有目共睹的，PLC在成本和性能上都不占优势，但是工业场景仍然十分信任PLC，或者说用PLC的模式去进行操作。PLC在易用性和灵活性上在工业自动化场景更容易让用户接受。
 
在工业4.0的浪潮下，PLC也在朝着网联化、智能化的方向发展，软硬件功能综合性能变得更全面，通信能力还在进一步增强。近几年非常看要的一点是新型PLC在选型过程中已经十分看重通信安全和功能安全，对硬件加密单元的要求开始涌现，厂商会更倾向于选择有加密模块的硬件和有安全规范的协议，随着技术的进一步发展，PLC硬件功能安全和通信安全愈发重要。