可编程逻辑控制器(PLC)

可编程逻辑控制器(PLC)是非常成熟的计算机技术，其架构适用于多输入、多输出信号处理，用于监测、控制工业设备和环境。PLC的复杂度及成本千差万别，具体取决于所要处理的信号、数据对控制范围、速度的要求。为PLC设计选择IC时，可靠性、功耗、速度、精度等是关键因素。

PLC输入信号具有不同的数量和类型，包括：通/断开关；信号范围从mV级到几十伏特或者是mA到几个安培的弱信号/强信号模拟输入。PLC输出通常控制执行器、电机、继电器等。设计考虑包括：缩短响应时间、自检/自校准，可适当处理瞬变、EMI/RFI、电压故障，提供设备保护电路以应对连线错误及其它极端的外界环境，以确保较长的工作寿命。

设计PLC时需要非常特殊的IC，以帮助用户达到，甚至优于系统规格的要求。点击上述框图中的相应功能框，了解Maxim IC为您提供的设计方案。此外，为了加速用户设计，我们还提供完整的子系统参考设计平台，方便评估Maxim的信号链和电源通道方案。

电路图

 

4-Channel Analog Output

This four-channel, 16-bit, high-accuracy analog output design is fully isolated and provides all typical bipolar current and voltage output ranges, and appropriate subsets, with less than ±0.1% typical total unadjusted error. Input is digital SPI. Requires input voltage of 18 to 32VDC.

 

Digital-Input Micro PLC Card

 

  MAXREFDES64

This eight channel digital input reference design is in the micro PLC form factor. The on-board microcontroller receives the serialized digital input data, which can be read through a terminal program. The design features isolated power and data.

Digital-Output Micro PLC Card

This eight channel digital output reference design is in the micro PLC form factor. The on-board microcontroller controls the digital outputs, which can be configured through a terminal program. The design features isolated power and data.

 

Accurate RTD-to-Digital Temperature Sensor Interface IC

 

  MAX31865

A simple and complete solution, this RTD-to-Digital converter quickly provides a digital temperature reading, ideal for industrial and medical applications.

RS-485 Communications Micro PLC Card

This high-speed RS-485 communications reference design is in the micro PLC form factor. The on-board microcontroller allows the user to transmit and receive data, using a terminal program. The design features isolated power and data.

 

Analog Output Micro PLC

 

MAXREFDES60

This single channel analog output reference design is in the micro PLC form factor. The on-board microcontroller controls a 16-bit DAC to produce a high accuracy 0-10V output. The design features isolated power and data.

 

60V In, Low parts count Switching Regulator provides 500mA

 

  MAX17501F

A compact step-down DC-DC converter, this high-voltage device is able to deliver up to 500mA of output current and is a highly efficient solution.

 

Four-Channel Analog Input Micro PLC Card

 

MAXREFDES61

This is a four channel analog input reference design based on the Micro PLC form factor. It accepts 4-20mA inputs and +10 to -10 V inputs, offers a 16-bit signal chain, and provides both SPI and I2C digital outputs as well as a USB output.

Switching Regulator Provides 2.5A 

MAX17503

This high-efficiency buck converter is one-of-a-kind in the industry, featuring internal compensation and operating over a wide 4.5V to 60V input voltage.

 

High Voltage Input Serializer

 

 MAX31913

This industrial translator/serializer is a strong solution with eight high-voltage input channels, perfect for low-power applications.

 

High Accuracy Multi-Input Isolated Analog Front End (AFE)

 

MAXREFDES5

This 16-bit high-accuracy industrial analog front end (AFE) accepts -10V to +10V, 0 to 10V, and 4–20mA current loop signals while providing a completely isolated digital SPI output. This design requires only 5V input and provide isolated +-12 power rails to handle positive and negative input voltage signals.

 

Isolated +-15Volt Power Supply with Wide Input Range

 

MAXREFDES9

This design uses a step-up controller, a 36V H-bridge transformer driver, and a pair of low dropout (LDO) linear regulators to create an isolated ±15V (±12V) output power supply from a wide range of input voltages.

 

Isolated Industrial Octal Digital Input Translator/Serializer

 

MAXREFDES12#

This design accepts 8 high-voltage inputs (36V, max) and provides a isolated serialized digital SPI output. The design provides complete data signal path isolation as well as power isolation.

 

High Voltage Hot Swap Controller

 

MAX5932

This hot-swap controller is a positive, high-voltage device featuring a programmable foldback-current limit.

 

High Accuracy Isolated Analog Input Board

 

MAXREFDES4

This 16-bit high-accuracy industrial analog input design accepts a 4–20mA current loop or a 0.2V to 4.096V voltage signal as input and provides a digital SPI output. The data path and power is fully isolated.

 

IO-Link master transceiver

 

MAX14824

This IO-Link master transceiver is integrated with an auxiliary digital input and two linear regulators and is scalable to 16 channels.

 

High Voltage Input Serializer

 

MAX31913

This industrial translator/serializer is a strong solution with eight high-voltage input channels, perfect for low-power applications.

 

IO-Link master transceiver

 

MAX14824

This IO-Link master transceiver is integrated with an auxiliary digital input and two linear regulators and is scalable to 16 channels.

 

High Accuracy Multi-Input Isolated Analog Front End (AFE)

 

MAXREFDES11#

This 16-bit high-accuracy industrial analog front end (AFE) accepts 0 to 10V signals and provides a completely isolated digital SPI output. This design requires 5V input and provides isolated/regulated +5.5V, +5V, and -3V power rails.

框图 

 

 

 

该原理图提供PLC供电需求的简化架构。

PLC包括几组供电电源：主电源、背板电源、模块电源、信号采集板主电源等。Maxim提供特定的稳压器件满足每一组的供电需求。

主电源输入范围从24VDC至240VAC，甚至更高电压。供给背板的电源必须稳定、干净，并经过滤波，提供电压监测及保护功能，避免瞬变的影响。需要建立多路背板稳压电源，并结合电池备份功能。主电源模块的总功率输出可能达到几百瓦特(微型PLC)到2kW(大型PLC)。

CPU模块和不同的I/O模块的供电通常由多路低压电源组成，这些电压从背板直流电源产生。大多提供以下电源电压：24V、±12V、5V、3.3V以及用于CPU供电的更低电压。CPU板的典型功率为50W至200W，而其它模块的耗电通常为20W。信号隔离电源一般从I/O模块的中等电压产生，功耗大多低于10W。

 

 

 

在复杂的自动化系统中，分布式控制系统(DCS)中会采用多路PLC，每个PLC有多路连接。一个或多个PLC与HMI(人机界面)进行通信时，通常采用非确定性时间的通信协议，例如标准以太网；PLC之间通信时，则采用确定性时间通信协议，工业以太网。PLC与智能传感器或执行装置通信时，通常采用“现场总线”，多数情况下，它们不是点到点通信，允许一个PLC现场总线接口连接多个传感器和执行器，构成菊链网络，这种架构相对于点到点或星型配置可大幅节省连线。

目前，市场上存在多种现场总线，每种标准都有其特定的应用场合。

常见的标准现场总线包括：基于RS-485的Profibus、Interbus、Modbus RTU和ControNet；基于CAN的DeviceNet和CANOpen。

 

 

 

PLC的数字输入和输出通常在一块电路板上，具体取决于数量、类型、额定功率等。PLC的数字输出提供高、低电平两种物理状态，但电平电压会因采用的数字标准的不同而相差甚远。

有些数字输入和输出为高压、慢变化信号，代表开关或继电器的状态，表示按键按下、继电器驱动信号或电机激励信号。这些信号的范围可能从0V至60V(或更高)，典型情况下为0V至24V。

数字I/O模块还用于检测交流电压是否连接及其开关状态，交流电压范围从几十伏特到几百伏特。电源电压的切换通常利用隔离装置实现。

其它数字输入和输出为高速信号，具有特定的协议，设计用于机器间通信。这些信号承载更多的信息，例如，带数字接口的智能传感器会将收到的数字信号转换成模拟信号。这类通信是以I/O link为代表的点到点串行数字通信标准，设计用作智能传感器和PLC之间工业通信标准。这些数字智能化通信标准可以从传感器或其它类型的智能节点接收信息，也可以向它们发送信息，因为同一模块内既包含了输入，也包含了输出，用于支持数字通信。

 

 

PLC中的计算模块需要高性能的处理功能以及强大的I/O，该模块既要管理多个I/O模块复用的多路实时通信数据流，还要计算实时控制环路方程，有效管理复杂的工业过程。

Maxim针对计算模块领域提供众多首屈一指的IC，提高系统的性能、稳定性及安全性。

 

 

PLC模拟输入模块可以接受电压和电流模式输入信号，一些特殊模块还可以直接连接RTD或热电偶等传感器。标准的电压输入范围包括：0至5V、0至10V、±10V，传感器类型、传感器内部的放大器增益等决定了信号幅度。如果是热电偶输入模块，信号范围可能是正/负几十mV。

RTD模块则必须接受接近于0Ω至数千Ω的阻抗。

同样，4-20mA电流环也是一个工业标准输入接口。电流环通信具有较高的EMI/RFI抗干扰能力，模拟信号经过长线(长达数千米)传输后没有损耗，在工业领域得到广泛应用。

模拟输入电路的选择取决于多个因素：需要处理的输入通道数、输入类型，是否需要单独隔离或分区隔离，是否提供传感器激励和/或偏置，多路传感器是否要求同步采样，信号频率的范围，是否需要抗混叠滤波，要求AD转换器的分辨率以及采样速率。

 

 

 

PLC模拟输出模块通常用于驱动高压模拟执行装置(例如，比例控制阀)以及电流环驱动执行器和各种仪表。每块板子根据输出类型的不同，通常支持多个通道。这些输出通道可单独隔离或分组隔离。

在上述框图中，我们给出了一个基本的串行架构，利用I2C或SPI串行总线，通过隔离器将板上处理器的控制信息串行发送到指定通道的DAC，转换成模拟输出。如果需要分别隔离每路输出，则需要为每个通道提供一路输出DAC；如果允许分组隔离，DAC后续分配器的保持电容可以在下次DAC刷新之前保持输出。DAC之后，通常还会有额外的校准电路和输出缓冲器，用于信号微调，提供必要的电压或电流驱动。