PLC在工业自动化的应用及解决方案

完整的工业自动化PLC

解决方案

可编程逻辑控制器（PLC）是工业自动化中的核心设备之一，是让工厂能够以自动化方式运行的关键应用。PLC通常是由多个模块组成的模块化系统，专门用来进行逻辑控制、顺序控制、定时控制、计数控制等操作。本文将为您介绍PLC在工业自动化的应用，以及由ST（意法半导体）专为PLC应用推出的相关解决方案。

通过逻辑控制工业自动化设备的运行

PLC被广泛应用于各种自动化系统中，以控制单元（通常称为中央处理单元，CPU）和多个输入／输出或其他功能模块（扩展模块）为例，控制单元通过专用总线（通常是名为底板接口的客户特定总线）与扩展模块通信。控制单元按周期运行，并与扩展模块定期交换数据。输入／输出模块与工厂处理侧建立接口／连接，在一侧提供由传感器检测到的各种物理变量的信息，并通过在另一侧驱动不同的执行器，允许与自动化流程交互。每个模块均需要集成到完整的自动化系统中，从而为各种现场总线和工业以太网提供连接功能。

PLC在工业自动化领域的主要功能包括通过逻辑控制，来根据预先编写的逻辑程序来控制设备的运行，例如根据传感器输入决定启动或停止机器。在顺序控制方面，在自动化生产在线，PLC可按一定的顺序执行操作，确保各工序按时完成。

此外，PLC内部的定时器和计数器功能可以用来进行精确的时间控制和物料计数，现代PLC还具备模拟量输入输出功能，可以处理如温度、压力等模拟信号。PLC还可以通过各种通信协议与其他设备进行数据交换，实现远程监控和控制，并能够检测并诊断系统故障，并在可能的情况下自动恢复运行。

PLC可控制各类自动化设备的协同运作

PLC广泛应用于自动化生产线中，控制各类设备的协同运作，提高生产效率。在化工、食品饮料等行业中，PLC可用于控制生产过程中的各项参数，如温度、压力、液位等。此外，PLC可用于机械设备的运行控制，如数控机床、包装机械等，确保其精确运行。

PLC还可应用于楼宇自动化中，控制空调、照明、安全系统等。在水处理和污水处理系统中，PLC可用于控制水泵、阀门和其他设备，实现自动化运行。在能源管理系统中，PLC可用来监控和控制能源的分配和消耗，达到节能效果。PLC的灵活性和可靠性使其成为工业自动化中不可或缺的组件，能够适应各种复杂的控制需求。

在现场总线和工业以太网应用中，有线通信技术广泛用于工业 4.0 和工业 IoT 应用，这项技术在不断发展，并在从传统的现场总线发展为基于以太网的总线，以便连接人机界面（HMI）、可编程逻辑控制器、机器、I/O、驱动器、执行器和传感器。

人机界面可帮助我们有效控制设备以及根据机器反馈制定决策，该界面可以是直接装配在机器上并用于工厂自动化的简单显示屏，也可以是用于控制整条生产线的多点触控显示面板。此外，为实现工业4.0，PLC可将IO-Link通信网络（IEC 61131-9）用于双向点对点数据连接（一直到致动器和传感器级别），支持数据预处理、传感器参数调整和高级诊断。

在数字I/O模块应用方面，输入／输出（I/O）模块从输入设备（包括接近、压力、温度传感器和按钮）收集数据，并控制致动器，如阀门、继电器和灯具（输出设备）。这些模块可以添加到PLC控制柜中，也可以集成到工厂的制造设备中。

在 PLC 中，PLC 控制单元是处理来自输入设备的数据并控制输出的主要构建单元，它可以与 I/O模块集成，以提供所需的功能。PLC 控制单元还支持连接到各种现场总线（包括 PROFIBUS、Modbus 和 CAN open）、工业以太网（如Profinet、EtherCAT）、无线技术，以及连接到系统的背板总线。

具有高性价比与高能效

处理能力的微处理器

ST针对工业自动化应用，推出了基于STM32MP135的PLC解决方案，STM32MP135是一款高性能微处理器（MPU），具有32位Arm Cortex-A7@1GHz、2个以太网、2个CAN-FD等，以及用于数字输出的8通道隔离高侧智能电源开关（IPS）与4通道隔离低侧IPS，以及12路隔离数字输入。通过使用基于ThreadX RTOS的LogicLAB PLC运行时，PLC参考解决方案可面向高性能应用和市场。该参考平台提供了流行的工业领域总线，如1个EtherCAT主站端口、1个以太网端口、RS-232 /RS-485 /ModBus接口、CAN接口与USB、MicroSD卡接口等。

STM32MP135微处理器产品系列还具有一个专用的LCD-TFT并行显示接口，一个16位并行摄像头接口和双以太网端口，具有高性价比，具备高能效处理能力，而且其安全性已通过认证。STM32MP135系列具有高级安全加密特性，包括加密加速器，可提升硬件可靠性，以及内存保护，可防止非法访问控制，此外还支持代码隔离机制，可提供运行时保护，拥有多种功能可确保在产品生命周期内平台通过验证，具有完整的安全生态系统。

STM32MP135 MPU专门面向入门级Linux、裸机或RTOS系统设计，并已预先集成Microsoft Azure RTOS。STM32MP135系列提供3种不同的封装，支持实现高性价比PCB架构。STM32MP1系列是一种面向多重市场的通用型微处理器，适用于各种工业应用，包括工业和工厂自动化、计量、智能家居、销售终端、医疗保健、电动汽车充电器等。

针对PLC应用，由软件合作伙伴 ―― 上海翌控基于LogicLAB Runtime量身定制的STM32MP135 PLC 参考设计平台，是一款为客户提供开放式、高实时，高性能的解决方案。STM32MP135 PLC 参考设计平台支持 IEC61131-3 五种编程语言，包括梯形图（LD）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）、顺序功能图（SFC）、指令表（IL），另外还有多个 PLC 存储器，包括 16MB 程序区、32MB 数据区、128KB 掉电保持区，其 PLC 基础指令执行性能仅需 4ns，PLC 高速IO中断响应能力小于 1µs，PLC 中断任务响应能力小于10µs，EtherCAT 主站推荐最小周期（开启 DC）为 250µs（小于 8 从站）、500µs（小于 16 从站）、1ms（小于 32 从站），运动控制最大轴数为 32 轴（含脉冲轴与虚拟轴），支持 IEC61131-3 标准函数与功能块库、高性能PID库、总线通讯库、PLCopen 运动控制库、MQTT 客户端库、JSON 格式库、COM 串口自由协议库、TCPUDP 自由协议库、CAN 自由协议库、文件系统库等功能指令库。

STM32MP1系列MPU还可搭配STPMIC1这颗专用电源管理IC（PMIC）和电池供电应用的配套芯片。STPMIC1可用于微型处理器单元的高度集成电源管理集成电路，是一款完全集成的电源管理IC，专门面向基于高度集成的应用处理器设计方案的产品，可满足其低功耗和高效率需求。该器件集成了先进的低功耗特性，可由主机处理器通过I²C和IO接口进行控制。

STPMIC1 稳压器旨在为应用处理器以及外部系统外设（如：DDR、闪存和其他系统器件）供电。升压转换器最多可为 3 个 USB 端口供电（两个 500 mA主机 USB 和一个 100 mA USB OTG）。该转换器采用先进的旁路架构，可从电池以及低成本消费类 5 V AC-DC 适配器平稳调节USB端口的 VBUS。

STPMIC1 的 4 个降压 SMPS 已经过优化，可实现从 PFM 到 PWM 平稳过渡的低功率模式，以及具有集成 PLL 的先进 PWM 同步技术，旨在实现更好的抗噪性能（EMI 性能），从而在更宽松的操作条件下实现出色的瞬态响应和输出电压精度，以及高全量程效率（η高达90%）。

具有NPU加速器的高性能微处理器

此外，ST 还有一款基于 STM32MP257 的 PLC 解决方案，这是一款最新的高性能MPU，具有双64位Arm Cortex-A35@1.5GHz、32位Cortex-M33@400MHz、3x以太网（2+1开关）、3xFD-CAN等，具有用于数字输出的8通道隔离高侧IPS与4通道隔离低侧IPS，以及12路隔离数字输入。通过使用基于主流CodeSys PLC运行时在Linux操作系统上，PLC参考解决方案针对中高性能应用和市场。该参考平台提供了流行的工业领域总线，如1个EtherCAT主站端口、2个以太网端口、RS-232 /RS-485 /ModBus接口、CAN接口与USB、microSD卡接口等。

STM32MP257应用处理器共拥有3个以太网端口、3个FD-CAN接口、H.264编解码器、3D GPU、AI/NN功能、LVDS/DSI显示接口以及安全功能。STM32MP257还提供专用评估板STM32MP257F-EV1，可帮助客户顺利开始设计。该产品具有NPU加速器并能灵活地在CPU、GPU或NPU上运行AI应用，可提供出色的边缘AI能力。此外，本产品还通过其多媒体功能支持机器视觉等高端边缘计算应用，这一切都得益于ST全面的边缘AI生态系统。

STM32MP2系列这款通用微处理器用途广泛，可满足不同细分市场和工业应用的需求，包括电动汽车充电器、工业和工厂自动化、智能家居与计量等应用市场。

STM32MP2系列具有更高的安全性，这些获得认证的高级安全功能，支持实现IoT和工业应用的安全功能（目标通过SESIP3认证，基于Cortex-A和Cortex-M的TrustZone技术，边缘加密计算的安全隔离），还支持丰富的生态系统，帮助客户加快开发进程，借助基于Yocto的主流开源Linux发行版OpenSTLinux，可快速、轻松地移植应用软件。

STM32MP2 系列还推出 Android 发行版，提供 STM32Cube 工具集，包括 STM32CubeMX（引脚和时钟配置、DRAM接口调整工具、基于 Arm Cortex-A35 的 Linux 和基于 Arm Cortex-M33 的 STM32Cube 固件生成代码）、基于 GCC 的 IDE 和带签名工具的 STM32CubeProgrammer。

STM32MP2系列由于集成度高，封装兼容低成本PCB技术（低至4层电镀通孔的PTH-PCB），以及采用专用电源管理IC（PMIC），用户可获得最优化的物料清单（BOM）。STM32MP2系列并拥有广泛的第三方生态系统，通过合作伙伴实现Buildroot和OpenWRT支持，合作伙伴提供的基于STM32MP2系列的模块上系统（SoM），ST的授权合作伙伴包括UI工具供应商、安全软件供应商、培训和软件服务。

结语

PLC作为工业自动化系统的核心组件，为各类工业应用提供了高效、稳定且灵活的解决方案。通过其强大的逻辑控制、顺序控制、模拟量处理与数据通信功能，PLC不仅实现了生产过程的自动化，还显著提高了生产效率和产品质量。随着工业4.0和智能制造的推进，PLC将在未来的工业自动化中发挥更加关键的作用，助力企业实现数字化转型与持续发展。由ST推出的高性能微处理器PLC解决方案，具有高性价比、完整的功能与效能，将是您开发PLC相关应用的理想选择。