使PLC的设计实现更高的效率和生产力 生产力, 价值链, 产品, 工业, 能源

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作者：Mulong Gao，高级工程师，Maxim Integrated

引言

增强生产力和效率——这些都是现在的所谓工业4.0或智能制造(SM)的焦点1。工厂被鼓励“将工厂运营效率提高10%(损耗/单位产品)”2，以较少的能源、水及其它自然资源产出更多产品。有人认为，这是满足全球不断增长的需求的唯一途径3。规划工业4.0的目的是“连续提高整个价值链中的资源生产力和效率”4。为了使“产出最大化...重点就要提高资源生产力...和资源效率。”所以，许多文献和报告一致赞成如下主题：21世纪的制造工厂必须优化系统生产力和效率，以20世纪生产相同产品所需的相同或更低成本生产更大量的产品。

现代自动化工厂大都通过电子和信息技术来提高生产力，特别是可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)，已成为现代工厂中无处不在的众多神经系统的中枢控制。我们将工厂中广泛分布并受控于相同PLC和DCS的每个模块、子系统或元件称为“神经系统”。您任何时候提高这些子系统的生产力和效率时，都将对整个工厂的运营产生积极影响。

本文介绍如何使PLC的设计和实现达到更高的效率和生产力，也讨论了预期——满足将来不断增长的生产需要的系统的预期。本文介绍一款优异的子系统参考设计Alameda，该参考设计利用高效率的反激式变换器的电源提供四路高效、极高精度模拟输出。通过部署Alameda，自动化工厂将立即看到其PLC系统生产力的大飞跃，提前满足将来SM工厂的效率要求。

四路模拟输出，无常见噪声

过去，PLC和DCS的模拟输出参考系统专注于模拟性能；更高的效率和系统生产力往往被忽略。如果某个设计者试图通过集成电源来提高系统效率，则仍然需要解决系统噪声问题。

现在，有一种途径既可实现四路高精度模拟输出又可以解决噪声问题：Alameda (MAXREFDES24#) 4通道模拟输出子系统参考设计(图1)。Alameda具有四路高精度(<±0.1%)的灵活模拟输出、一个高效率电隔离电源，以及自动故障检测和过热保护。完备的硬件和固件设计文件以及实验室测量数据，能够帮助快速设计原型及开发。



图1. Alameda子系统设计方框图

元件数量较少，具有更大通用性

高度集成是这里的关键，集成提高了通用性、避免了噪声问题，并且减少了器件数量。我们首先了解一下硬件(图2)。



图2. Alameda参考设计电路板(MAXREFDES24#)。

MAX5134四通道、16位、带缓冲电压输出、高线性度DAC是该系统的核心。器件具有4路通道、极低死区(最大0.02V)、满摆幅输出，所以无需DAC负电源。器件提供电压输出，驱动四片MAX15500信号调理器的输入。同时也要注意，DAC输出直接驱动调理器输入，无外部元件，使得接口非常简单。

每片MAX15500为单通道、低成本、高精度模拟电流/电压输出调理器，专为满足PLC及DCS要求而开发。信号调理器工作在±24V电源范围，产生用户可编程、单极性和双极性、高精度电流或电压输出。电流输出驱动高达1kΩ负载，电压输出驱动低至1kΩ的负载。MAX15500具有过流和短路保护，也监测过热和掉电情况，并提供全面的错误报告。

MAX6126超高精度电压基准驱动模拟输出调理器和DAC的基准输入，初始精度为0.02%，最大温度系数(tempco)为3ppm/℃。

对于数据隔离，MAX14850对现场测和系统控制器侧的数据通信进行隔离。合成的电源和数据隔离为600VRMS。

电源由隔离、宽直流输入范围、反激式变换器提供。峰值电流模式反激式控制器MAX17498B高效驱动隔离变压器，支持+18V至+32V单直流电压输入，产生±24V和+8V输出。MAX17498B电路的最高工作效率为85%。正确安装的1000pF、2000V电容耦合两个隔离地，同时仍然维持隔离，减小模拟输出噪声。MAX1659低压差(LDO)线性稳压器将+8V输出调节至+5V低噪声输出。整个系统只需要24V输入作为电源。

针对LX9和ZedBoard平台开发

Alameda设计经过LX9和ZedBoard平台验证。Alameda具有简单板载Pmod兼容连接器，可连接至Pmod兼容的现场可编程门阵列(FPGA)/微控制器开发板。目前提供这两种平台的项目文件、器件驱动器以及示例代码。可通过以下网址下载完整的源代码和文件：http://www.maximintegrated.com/alameda。

性能测量

微分非线性(DNL)、积分非线性(INL)和总计不调整误差(TUE)是PLC及其它过程控制系统的最重要技术指标。MAX15500高度灵活、可配置，满足不同应用的需求。数据在+25℃下获得。下图中，由于编码0至320在MAX5134的死区范围(0至0.02V)，所以前320个DAC编码的DNL、INL和TUE标为0。

-10V至+10V电压输出模式、20%过量程下的DNL、INL和TUE测量结果分别如图3、4和5所示。单极性电压(0至5V)，双极性电流(-20mA至20mA)和单极性电流(0至20mA)的测量数据可参见以下网址：http://www.maximintegrated.com/alameda。



图3. DNL，-10V至+10V输出范围，20%过量程。



图4. INL，-10V至+10V输出范围，20%过量程。



图5. 输出误差，-10V至+10V输出范围，20%过量程。

结论

工业4.0和智能制造倡导全新的第四代工业制造，这些概念代表现代化工厂提高生产力和效率的一个全新的21世纪。现在，Alameda子系统的出现使得当今的预期生产力和效率更加可行。Alameda提供高性能模拟输出和优异的电源效率，适用于PLC和DCS内的IO模块；解决了相关的噪声问题，并加快工业系统设计。如开篇所述，Alameda将对整个工厂的运营产生积极影响。

参考

1. 新一代制造生产在德国称为工业4.0，在其它地方则称为智能制造系统。请参见：Securing the future of German manufacturing industry, Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0, Final report of the Industrie 4.0 Working Group,Industry 4.0 Working Group, Acatech National Academy of Science and Engineering, April 2013, http://www.acatech.de/fileadmin/ ... _4.0_accessible.pdf。下文中统称为工业4.0。尽管工业4.0报告针对的是德国，但德国研究和调查的意义被其它国家的工业领域广泛认可。请参见：Ferber, Stefan, “Industry 4.0 – Germany takes the first steps toward the next industrial revolution,” Bosch Software Group, Blogging theInternet of Things, October 16, 2013, http://blog.bosch-si.com/industr ... ustrial-revolution/。

关于智能制造前沿的资源有很多，在以下网址可查阅主题和事项汇总报告：Smart Manufacturing Leadership Coalition Committee Working Meeting, Minneapolis, MN, U.S., Thursday, October 20, 2011,https://smart-process-manufactur ... LC%2010-20-11v3.pdf。也可参见：Implementing 21st Century Smart Manufacturing, Workshop Summary Report, Smart Manufacturing Leadership Coalition, June 24, 2011, https://smart-process-manufactur ... uring%206_24_11.pdf。利用网络搜索引擎，很容易找到大量的参考资料。

2. Implementing 21st Century Smart Manufacturing, Workshop Summary Report, op. cit., pg. 11.

3. Industrie 4.0, pg. 62 says, “Together with the private sector, it [manufacturing industry] is also the principal consumer of primary energy and electricity…Consequently, industry is undertaking major efforts to reduce its consumption of energy and resources or find alternative sources.”