可編程邏輯控制器 （PLC） 可節(jié)省過(guò)程控制系統(tǒng)的時(shí)間、金錢(qián)和能源。它們簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。制造工藝的簡(jiǎn)史為如何使用現(xiàn)代IC取代分立元件奠定了基礎(chǔ)。這些 IC 允許輕松進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)并擴(kuò)展監(jiān)控，以提高設(shè)備和人員的安全性。MAX15500/MAX15501、MAX5661和MAX5134–MAX5139可作為過(guò)程控制中的IC示例。

介紹

工業(yè)控制、工廠自動(dòng)化和 PLC（可編程控制邏輯）——做得好，可以節(jié)省時(shí)間、材料、能源和金錢(qián)。但是我們從哪里開(kāi)始呢？建立一個(gè)完整的自動(dòng)化工廠是一項(xiàng)艱巨的工作，有些人可能會(huì)在開(kāi)始之前放棄。

我們想起了多年前非洲的探險(xiǎn)家，他問(wèn)土著部落居民：“怎么吃大象？部落成員驚訝地看著這位著名的探險(xiǎn)家，回答說(shuō)：“我們吃它就像吃其他東西一樣，一次一口。與大多數(shù)大型系統(tǒng)一樣，工業(yè)控制由許多較小的電路組成。我們將探索其中的一些小“叮咬”。

過(guò)程控制過(guò)程

裝配線(xiàn)是人類(lèi)歷史上相對(duì)較新的發(fā)明。許多國(guó)家可能有許多平行的發(fā)明。我們將在成為全自動(dòng)工廠的演變的簡(jiǎn)史中提及其中的幾個(gè)。

美國(guó)槍支制造商塞繆爾·柯?tīng)柼兀⊿amuel Colt）在1800年代中期展示了可互換的零件。以前，每把槍都是用單獨(dú)制作的零件組裝的，這些零件被銼削以適應(yīng)。柯?tīng)柼叵壬故玖耸尩乃槠缓笏麖睦渲须S機(jī)抓取碎片組裝了一把槍。二十世紀(jì)初，亨利·福特?cái)U(kuò)大了大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)。他使用固定的裝配站，汽車(chē)在位置之間移動(dòng)。員工們只學(xué)習(xí)了一些裝配任務(wù)，并連續(xù)幾天執(zhí)行這些任務(wù)。1954年，George Devol申請(qǐng)了美國(guó)專(zhuān)利2，988，237，誕生了第一個(gè)名為Unimate的工業(yè)機(jī)器人。到1960年代后期，通用汽車(chē)使用PLC（可編程邏輯控制器）來(lái)組裝汽車(chē)自動(dòng)變速器。被稱(chēng)為PLC之父的Dick Morley參與了通用汽車(chē)的第一個(gè)PLC，Modicon的生產(chǎn)。他的美國(guó)專(zhuān)利3，761，893是當(dāng)今許多PLC的基礎(chǔ)。

過(guò)程控制有多簡(jiǎn)單？圖1所示為普通家用空間加熱器。

圖1.家用電加熱器，過(guò)程控制的簡(jiǎn)單示例。

加熱器的組件封裝在一個(gè)容器內(nèi)，使系統(tǒng)通信變得容易。擴(kuò)展這個(gè)概念可能是帶有遠(yuǎn)程恒溫器的家用強(qiáng)制空氣加熱器。通信路徑只有幾米，通常使用電壓控制。

現(xiàn)在考慮超越一個(gè)小的、相對(duì)簡(jiǎn)單的過(guò)程控制系統(tǒng)。如圖 2 所示的工廠需要什么？

圖2.更遠(yuǎn)距離的工廠通信。

長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)的電阻以及EMI和RFI（電磁和射頻干擾）使得電壓模式控制變得不切實(shí)際。電流環(huán)路是一種簡(jiǎn)單但優(yōu)雅的解決方案。導(dǎo)線(xiàn)電阻從方程中去除，因?yàn)榛鶢柣舴蚨筛嬖V我們，環(huán)路中任何地方的電流等于環(huán)路中的所有其他點(diǎn)。由于環(huán)路阻抗和帶寬較低（幾百歐姆<100Hz），EMI和RFI雜散拾取問(wèn)題降至最低。

PLC 的基礎(chǔ)知識(shí)

電流控制回路是從二十世紀(jì)初的電傳打字沖擊式打印機(jī)演變而來(lái)的，首先是0-60mA環(huán)路，然后是0-20mA環(huán)路。PLC系統(tǒng)的進(jìn)步增加了4-20mA環(huán)路。4–20mA環(huán)路有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。使用4mA作為最低通信電流意味著可以輕松檢測(cè)到斷線(xiàn)（開(kāi)路），并且傳感器只需在兩根線(xiàn)上即可通過(guò)~3.5mA遠(yuǎn)程供電。4–20mA 通信可以是模擬或數(shù)字通信。

過(guò)去，分立元件設(shè)計(jì)需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，而且相對(duì)較大。Maxim推出了幾款20mA器件，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先，考慮圖3中的典型PLC功能。

圖3.簡(jiǎn)化的 PLC 框圖。

PLC是關(guān)于完成一項(xiàng)任務(wù)或完成一項(xiàng)工作。我們首先感知一個(gè)物理參數(shù)，處理并決定一個(gè)行動(dòng)方案，然后命令一些東西來(lái)控制物理設(shè)備。在此模型之后，左下角的模塊是輸出信號(hào)調(diào)理器，可以是MAX15500/MAX15501集成電路。

MAX15500/MAX15501允許選擇短距離電壓控制或長(zhǎng)距離電流控制。圖4顯示，除了以前使用分立元件完成的基本通信外，現(xiàn)在還包括新的監(jiān)控和安全功能。

圖4.MAX15500/MAX15501輸出調(diào)理器系列器件特性包括：±12V 力檢測(cè)輸出至 1kΩ;±24mA電流至750Ω;100μs建立時(shí)間至14位;40μs建立時(shí)間至12位。

工廠中的布線(xiàn)會(huì)受到移動(dòng)和振動(dòng)的影響，隨著時(shí)間的推移，這將導(dǎo)致電線(xiàn)與其他導(dǎo)體斷開(kāi)或短路。設(shè)備和人員必須保持安全，這需要仔細(xì)監(jiān)控。當(dāng)電纜發(fā)生故障時(shí)，在完全失效之前通常會(huì)有一段時(shí)間的間歇性操作。MAX15500系列具有智能監(jiān)測(cè)功能，可處理這些不同的問(wèn)題。

由于極端的工廠EMI、RFI和電涌條件，任何監(jiān)控都必須可靠，并且不會(huì)受到干擾跳閘的影響。因此，MAX15500系列具有最小260ms的開(kāi)路和短路超時(shí)。這足夠長(zhǎng)以避免由惡劣環(huán)境引起的錯(cuò)誤報(bào)告，并且足夠短以捕獲短的機(jī)械電纜錯(cuò)誤。此外，錯(cuò)誤被鎖存并呈現(xiàn)給單獨(dú)的硬件中斷引腳。這使微處理器有時(shí)間對(duì)短時(shí)間的電纜中斷做出反應(yīng)。然后，處理器可以輪詢(xún)MAX15500寄存器以獲取確切條件，并清除錯(cuò)誤條件中斷。提供額外的安全性來(lái)監(jiān)控電纜狀況以外的更多內(nèi)容;芯片溫度以及溫度范圍內(nèi)的環(huán)境也受到監(jiān)控。具有可調(diào)閾值的掉電對(duì)系統(tǒng)可靠性非常重要。該掉電閾值可在 ±10V 至 ±24V 之間以 2V 步長(zhǎng)進(jìn)行編程。

為安全起見(jiàn)，MAX15500/MAX15501的輸出具有過(guò)流、接地短路或高達(dá)±35V電源電壓的保護(hù)。為滿(mǎn)足客戶(hù)要求，MAX15500/MAX15001提供可編程超量程能力。某些客戶(hù)使用 105% 和 120% 的滿(mǎn)量程超量程進(jìn)行測(cè)試或緊急操作，盡管存在部分故障或高噪聲條件。MAX15500/MAX15501采用32引腳、5mm2TQFN封裝，帶裸露焊盤(pán)，可最大限度地提高熱性能。

MAX15500/MAX15501輸出調(diào)理器符合HART標(biāo)準(zhǔn)。HART（高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器）協(xié)議用于在4–20mA控制線(xiàn)上搭載雙向數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。它類(lèi)似于 1200 波特、貝爾 202 協(xié)議，用于在固定電話(huà)上通信來(lái)電顯示。?

MAX15500/MAX15501還具有獨(dú)特的SPI附件。?總線(xiàn)，可減少通過(guò)光隔離器提供電流接地隔離所需的元件數(shù)量。這是一種特殊的自定時(shí)SPI，菊花鏈協(xié)議。當(dāng)必須通過(guò)電流隔離柵控制多個(gè)SPI器件時(shí)，它減少了所需的控制線(xiàn)和光隔離器的數(shù)量。

在更小的 PCB（印刷電路板）面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多功能

產(chǎn)生分立的可選電壓（雙極性和單極性）或電流輸出調(diào)理電路可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。當(dāng)人們開(kāi)始理解為雙極性和單極性電壓以及0mA和4mA電流提供滿(mǎn)量程增益變化和多個(gè)復(fù)位電平控制的必要性時(shí)，尤其如此。圖5簡(jiǎn)化了這些功能，甚至更多功能，因?yàn)樗鼈兗稍贛AX5661電流和電壓輸出DAC中。

圖5.MAX5661的簡(jiǎn)化功能框圖

MAX5661利用可編程性解決了分立設(shè)計(jì)難題，使設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。可輕松選擇以下參數(shù)：M

電壓輸出

單極性范圍：0 至 +10.24V ±25%

雙極性范圍：±10.24V ±25%

電流輸出

單極性低范圍：0 至 20.45mA

單極性高范圍：3.97mA 至 20.45mA

滿(mǎn)量程輸出增益

調(diào)整高達(dá) ±25% 的超量程 具有 10 位分辨率或粒度

異步復(fù)位或清零或任何預(yù)設(shè)的 16 位數(shù)字

所有這些功能均采用靈活的模擬電源提供，電壓輸出±13.48V至±15.75V，電流輸出+13.48V至+40V。差分電壓輸出遙感是通過(guò)電壓輸出放大器上的力檢測(cè)連接提供的。故障輸出中斷引腳指示開(kāi)路電流輸出、短路電壓輸出或清除狀態(tài)。這是由電壓輸出電流限制驅(qū)動(dòng)的;對(duì)于電流，壓差檢測(cè)器檢測(cè)失控電流輸出。提供/LDAC引腳，以允許異步DAC更新并同步系統(tǒng)中的多個(gè)DAC。

MAX5661的所有功能都包含在10mm x 10mm LQFP小封裝中。

提供多個(gè)帶電壓或電流調(diào)節(jié)功能的 PLC 輸出

顯然，可以使用多個(gè)MAX5661 16位器件來(lái)提供這種額外的功能，但假設(shè)PLC系統(tǒng)需要更少的分辨率和更低的成本？Maxim提供分辨率從6位到16位的精密DAC，具有2500多種獨(dú)立的器件編號(hào)變化。選擇包括從 1 到 4 以及 8、16 和 32 的通道數(shù)。接口包括并行和高速串行 SPI 和 I2C 選擇。提供的替代方案包括快速建立時(shí)間（< 1μs）、小尺寸（SOT23、QFN、μMAX）和高精度（≤ 1 LSB INL）。?

Maxim精密DAC系列的最新成員包括MAX5134–MAX5137和MAX5138/MAX5139。這些DAC包括2個(gè)帶選擇的緩沖電壓輸出器件。所有器件均采用+7.5V至+25.3V低功耗電源和<>線(xiàn)SPI/QSPI供電。?-/微絲?-/DSP 兼容串行接口。

MAX5134–MAX5137為引腳兼容、軟件兼容的16位和12位DAC。MAX5134為四通道16位器件，INL為±8。MAX5135同樣為四通道器件，為12位DAC，INL為±1。MAX5136為雙通道16位器件，INL為±8，MAX5137也是具有INL ±12的雙通道1位器件。每個(gè) DAC 均采用超小型 （4mm2）、24引腳TQFN封裝，額定溫度范圍為-40°C至+105°C擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍。

MAX5138/MAX5139也是單通道、引腳兼容和軟件兼容的DAC，采用更小（3mm2）、16 引腳 TQFN 封裝。MAX5138為16位DAC，典型INL為±2，MAX5139為12位DAC，典型INL為±0.25。

高性能MAX5134–MAX5139可選擇精密10ppm/°C內(nèi)部基準(zhǔn)或用于軌到軌輸出工作的外部基準(zhǔn)。一個(gè)硬件輸入引腳控制在上電或復(fù)位時(shí)將DAC輸出復(fù)位至零或中間電平。此功能為驅(qū)動(dòng)閥門(mén)或其他傳感器的應(yīng)用提供了額外的安全性，這些傳感器需要在上電期間關(guān)閉。硬件負(fù)載DAC（/LDAC）引腳提供多個(gè)DAC的同時(shí)更新。串行接口具有低電平有效READY輸出，便于多個(gè)MAX5134–MAX5139、MAX15500/MAX15501和MAX5661器件的菊花鏈連接。

具有四路輸出的PLC的一個(gè)高性?xún)r(jià)比應(yīng)用示例包括一個(gè)MAX5135四路12位DAC和四個(gè)MAX15500輸出調(diào)理器。

總結(jié)

Maxim DAC和輸出調(diào)理器具有高線(xiàn)性度，非常適合精密控制和儀器儀表應(yīng)用。因此，Maxim器件以簡(jiǎn)單而優(yōu)雅的方式相輔相成，為電路設(shè)計(jì)人員提供了選擇，而不必?fù)?dān)心復(fù)雜、大型、分立的電路模塊。簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)意味著電壓或電流驅(qū)動(dòng)器的選擇是無(wú)壓力的。這使忙碌的工程師能夠?qū)Ｗ⒂谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)的有利部分。減少浪費(fèi)和精確控制的效率提高確實(shí)改善了我們的環(huán)境。

審核編輯：郭婷