过程控制和PLC教程

可编程逻辑控制器 （PLC） 可节省过程控制系统的时间、金钱和能源。它们简化了系统。制造工艺的简史为如何使用现代IC取代分立元件奠定了基础。这些 IC 允许轻松进行系统设计并扩展监控，以提高设备和人员的安全性。MAX15500/MAX15501、MAX5661和MAX5134–MAX5139可作为过程控制中的IC示例。

介绍

工业控制、工厂自动化和 PLC（可编程控制逻辑）——做得好，可以节省时间、材料、能源和金钱。但是我们从哪里开始呢？建立一个完整的自动化工厂是一项艰巨的工作，有些人可能会在开始之前放弃。

我们想起了多年前非洲的探险家，他问土著部落居民：“怎么吃大象？部落成员惊讶地看着这位著名的探险家，回答说：“我们吃它就像吃其他东西一样，一次一口。与大多数大型系统一样，工业控制由许多较小的电路组成。我们将探索其中的一些小“叮咬”。

过程控制过程

装配线是人类历史上相对较新的发明。许多国家可能有许多平行的发明。我们将在成为全自动工厂的演变的简史中提及其中的几个。

美国枪支制造商塞缪尔·柯尔特（Samuel Colt）在1800年代中期展示了可互换的零件。以前，每把枪都是用单独制作的零件组装的，这些零件被锉削以适应。柯尔特先生展示了十支枪的碎片，然后他从垃圾箱中随机抓取碎片组装了一把枪。二十世纪初，亨利·福特扩大了大规模生产技术。他使用固定的装配站，汽车在位置之间移动。员工们只学习了一些装配任务，并连续几天执行这些任务。1954年，George Devol申请了美国专利2，988，237，诞生了第一个名为Unimate的工业机器人。到1960年代后期，通用汽车使用PLC（可编程逻辑控制器）来组装汽车自动变速器。被称为PLC之父的Dick Morley参与了通用汽车的第一个PLC，Modicon的生产。他的美国专利3，761，893是当今许多PLC的基础。

过程控制有多简单？图1所示为普通家用空间加热器。

图1.家用电加热器，过程控制的简单示例。

加热器的组件封装在一个容器内，使系统通信变得容易。扩展这个概念可能是带有远程恒温器的家用强制空气加热器。通信路径只有几米，通常使用电压控制。

现在考虑超越一个小的、相对简单的过程控制系统。如图 2 所示的工厂需要什么？

图2.更远距离的工厂通信。

长导线的电阻以及EMI和RFI（电磁和射频干扰）使得电压模式控制变得不切实际。电流环路是一种简单但优雅的解决方案。导线电阻从方程中去除，因为基尔霍夫定律告诉我们，环路中任何地方的电流等于环路中的所有其他点。由于环路阻抗和带宽较低（几百欧姆<100Hz），EMI和RFI杂散拾取问题降至最低。

PLC 的基础知识

电流控制回路是从二十世纪初的电传打字冲击式打印机演变而来的，首先是0-60mA环路，然后是0-20mA环路。PLC系统的进步增加了4-20mA环路。4–20mA环路有几个优点。使用4mA作为最低通信电流意味着可以轻松检测到断线（开路），并且传感器只需在两根线上即可通过~3.5mA远程供电。4–20mA 通信可以是模拟或数字通信。

过去，分立元件设计需要仔细的设计计算，而且相对较大。Maxim推出了几款20mA器件，大大简化了系统设计。首先，考虑图3中的典型PLC功能。

图3.简化的 PLC 框图。

PLC是关于完成一项任务或完成一项工作。我们首先感知一个物理参数，处理并决定一个行动方案，然后命令一些东西来控制物理设备。在此模型之后，左下角的模块是输出信号调理器，可以是MAX15500/MAX15501集成电路。

MAX15500/MAX15501允许选择短距离电压控制或长距离电流控制。图4显示，除了以前使用分立元件完成的基本通信外，现在还包括新的监控和安全功能。

图4.MAX15500/MAX15501输出调理器系列器件特性包括：±12V 力检测输出至 1kΩ;±24mA电流至750Ω;100μs建立时间至14位;40μs建立时间至12位。

工厂中的布线会受到移动和振动的影响，随着时间的推移，这将导致电线与其他导体断开或短路。设备和人员必须保持安全，这需要仔细监控。当电缆发生故障时，在完全失效之前通常会有一段时间的间歇性操作。MAX15500系列具有智能监测功能，可处理这些不同的问题。

由于极端的工厂EMI、RFI和电涌条件，任何监控都必须可靠，并且不会受到干扰跳闸的影响。因此，MAX15500系列具有最小260ms的开路和短路超时。这足够长以避免由恶劣环境引起的错误报告，并且足够短以捕获短的机械电缆错误。此外，错误被锁存并呈现给单独的硬件中断引脚。这使微处理器有时间对短时间的电缆中断做出反应。然后，处理器可以轮询MAX15500寄存器以获取确切条件，并清除错误条件中断。提供额外的安全性来监控电缆状况以外的更多内容;芯片温度以及温度范围内的环境也受到监控。具有可调阈值的掉电对系统可靠性非常重要。该掉电阈值可在 ±10V 至 ±24V 之间以 2V 步长进行编程。

为安全起见，MAX15500/MAX15501的输出具有过流、接地短路或高达±35V电源电压的保护。为满足客户要求，MAX15500/MAX15001提供可编程超量程能力。某些客户使用 105% 和 120% 的满量程超量程进行测试或紧急操作，尽管存在部分故障或高噪声条件。MAX15500/MAX15501采用32引脚、5mm2TQFN封装，带裸露焊盘，可最大限度地提高热性能。

MAX15500/MAX15501输出调理器符合HART标准。HART（高速可寻址远程传感器）协议用于在4–20mA控制线上搭载双向数字数据。它类似于 1200 波特、贝尔 202 协议，用于在固定电话上通信来电显示。®

MAX15500/MAX15501还具有独特的SPI附件。™总线，可减少通过光隔离器提供电流接地隔离所需的元件数量。这是一种特殊的自定时SPI，菊花链协议。当必须通过电流隔离栅控制多个SPI器件时，它减少了所需的控制线和光隔离器的数量。

在更小的 PCB（印刷电路板）面积内实现更多功能

产生分立的可选电压（双极性和单极性）或电流输出调理电路可能是一项艰巨的任务。当人们开始理解为双极性和单极性电压以及0mA和4mA电流提供满量程增益变化和多个复位电平控制的必要性时，尤其如此。图5简化了这些功能，甚至更多功能，因为它们集成在MAX5661电流和电压输出DAC中。

图5.MAX5661的简化功能框图

MAX5661利用可编程性解决了分立设计难题，使设计变得简单。可轻松选择以下参数：M

电压输出

单极性范围：0 至 +10.24V ±25%

双极性范围：±10.24V ±25%

电流输出

单极性低范围：0 至 20.45mA

单极性高范围：3.97mA 至 20.45mA

满量程输出增益

调整高达 ±25% 的超量程 具有 10 位分辨率或粒度

异步复位或清零或任何预设的 16 位数字

所有这些功能均采用灵活的模拟电源提供，电压输出±13.48V至±15.75V，电流输出+13.48V至+40V。差分电压输出遥感是通过电压输出放大器上的力检测连接提供的。故障输出中断引脚指示开路电流输出、短路电压输出或清除状态。这是由电压输出电流限制驱动的;对于电流，压差检测器检测失控电流输出。提供/LDAC引脚，以允许异步DAC更新并同步系统中的多个DAC。

MAX5661的所有功能都包含在10mm x 10mm LQFP小封装中。

提供多个带电压或电流调节功能的 PLC 输出

显然，可以使用多个MAX5661 16位器件来提供这种额外的功能，但假设PLC系统需要更少的分辨率和更低的成本？Maxim提供分辨率从6位到16位的精密DAC，具有2500多种独立的器件编号变化。选择包括从 1 到 4 以及 8、16 和 32 的通道数。接口包括并行和高速串行 SPI 和 I2C 选择。提供的替代方案包括快速建立时间（< 1μs）、小尺寸（SOT23、QFN、μMAX）和高精度（≤ 1 LSB INL）。®

Maxim精密DAC系列的最新成员包括MAX5134–MAX5137和MAX5138/MAX5139。这些DAC包括2个带选择的缓冲电压输出器件。所有器件均采用+7.5V至+25.3V低功耗电源和<>线SPI/QSPI供电。™-/微丝™-/DSP 兼容串行接口。

MAX5134–MAX5137为引脚兼容、软件兼容的16位和12位DAC。MAX5134为四通道16位器件，INL为±8。MAX5135同样为四通道器件，为12位DAC，INL为±1。MAX5136为双通道16位器件，INL为±8，MAX5137也是具有INL ±12的双通道1位器件。每个 DAC 均采用超小型 （4mm2）、24引脚TQFN封装，额定温度范围为-40°C至+105°C扩展工业温度范围。

MAX5138/MAX5139也是单通道、引脚兼容和软件兼容的DAC，采用更小（3mm2）、16 引脚 TQFN 封装。MAX5138为16位DAC，典型INL为±2，MAX5139为12位DAC，典型INL为±0.25。

高性能MAX5134–MAX5139可选择精密10ppm/°C内部基准或用于轨到轨输出工作的外部基准。一个硬件输入引脚控制在上电或复位时将DAC输出复位至零或中间电平。此功能为驱动阀门或其他传感器的应用提供了额外的安全性，这些传感器需要在上电期间关闭。硬件负载DAC（/LDAC）引脚提供多个DAC的同时更新。串行接口具有低电平有效READY输出，便于多个MAX5134–MAX5139、MAX15500/MAX15501和MAX5661器件的菊花链连接。

具有四路输出的PLC的一个高性价比应用示例包括一个MAX5135四路12位DAC和四个MAX15500输出调理器。

总结

Maxim DAC和输出调理器具有高线性度，非常适合精密控制和仪器仪表应用。因此，Maxim器件以简单而优雅的方式相辅相成，为电路设计人员提供了选择，而不必担心复杂、大型、分立的电路模块。简单的设计实现意味着电压或电流驱动器的选择是无压力的。这使忙碌的工程师能够专注于系统设计的有利部分。减少浪费和精确控制的效率提高确实改善了我们的环境。

审核编辑：郭婷