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為何PLC能在工業應用領域屹立不搖?

2015年10月30日  | Steve Taranovich

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為何選擇光耦?

理由有許多。對於新手來說,它們可以提供真正的電流隔離,並且能在使用間隙為0.08mm的矽膠和聚醯亞胺帶的LED和檢測器之間實現很高的隔離度。


圖5 光耦提供的電流隔離性能可以滿足甚至超越諸如IEC 60747-5-5這樣的法規要求。
圖5 光耦提供的電流隔離性能可以滿足甚至超越諸如IEC 60747-5-5這樣的法規要求。

在採取電流隔離措施後,電荷承載粒子就無法從一個電路移動到另一個,雖然訊號資訊仍可以通過其他方式在電路之間進行交換,比如光學、電感耦合或電容耦合。


身為設計工程師,需要關注安全隔離標準一致性問題。IEC 60747-5-5是針對工業應用中光學隔離的元件級安全標準,與設備安全標準是不同的。許多技術將「滿足」基本標準要求,但光耦可以超過這些標準,為特殊情形提供一些有價值的空間。


注意,IEC 60747-5-5是需要強制性隔離認證的光耦的實際工業標準;如果單層隔離和雙層隔離具有相同的絕緣屬性,這就被稱為增強型隔離。雖然Micro850中的安華高元件,可滿足2.5k~3.75kV的額定耐壓,但光耦可以做得更好,其耐壓可達7.5kV。

儘管被懷疑隨著時間的推移具有不可接受的性能劣化,如前所述,但光耦實際上已被證明具有很長的壽命,在30年內性能的劣化幾乎察覺不到(圖6)。


圖6 製作優良、具備光學IC輸出的光耦具有30年以上的使用壽命,使得傳說其性能會隨時間劣化的流言不攻自破。
圖6 製作優良、具備光學IC輸出的光耦具有30年以上的使用壽命,使得傳說其性能會隨時間劣化的流言不攻自破。

這種擔心對於較早以前生產或是相對較廉價的光電電晶體可能成立,但不適用於提供光學IC輸出的高性能光耦。安華高已經在許多場合或透過技術論文,展示了在加速條件下LED的可靠性應力資料,呈現被期望的LED壽命性能。


圖7a Micro850數位I/O電路板上使用的HCPL-063L光耦技術的輸入隔離特性,並與較新版本的ACPL-064L進行了比較,結果表明前者具有低得多的驅動電流和功耗。
圖7a Micro850數位I/O電路板上使用的HCPL-063L光耦技術的輸入隔離特性,並與較新版本的ACPL-064L進行了比較,結果表明前者具有低得多的驅動電流和功耗。

圖7b Micro850中使用的HCPL-M456光耦的輸出隔離特性,並與較新版本的ACPL-M483元件做了比較,結果表明前者具有更小的LED驅動電流、更快的傳播速度和改進的共模抑制性能(CMR)。
圖7b Micro850中使用的HCPL-M456光耦的輸出隔離特性,並與較新版本的ACPL-M483元件做了比較,結果表明前者具有更小的LED驅動電流、更快的傳播速度和改進的共模抑制性能(CMR)。

光耦的另外一個優勢,比如HCPL-063L及其升級版本低LED驅動電流的ACPL-064L(圖7),是它們不需要供電電壓。雖然其它隔離元件具有通道密度的優勢—SiliconLabs的Si86xx產品線在緊湊的16接腳SOIC中提供6個通道—光耦在現場元件輸入側不需要額外的隔離型電源。這意味它們確實需要少量的計算,目的是選擇合適的輸出分壓電阻(input split resistor)來控制LED驅動電流。


有鑑於使用PLC的環境,值得注意的是,光耦也能防止電磁干擾(EMI)—這也是Rockwell選擇光耦的另外一個充分的理由。如圖7a和圖7b所示,光耦的技術水準還在繼續提升,將具有更高的效率(即更低的LED驅動電流)、更高的工作溫度和更小的外形尺寸。隨著法規標準變得越來越嚴格,絕緣和EMI可能變得越來越重要。


I/O電路板上的光耦旁邊,還有將多種功能糅合到一起的萊迪思(Lattice)400MHz、64個巨集單元(macrocell)的CPLD LC4064V,以及在電源供應器四周有一些安森美(ONSemiconductor)的電源元件。


PLC核心處理功能

主邏輯與處理電路板是PLC在功能、可程式設計性和使用者介面方面與PC/嵌入式電腦競爭的地方。Micro850來說,核心決策制定、系統管理、運作控制和使用者介面處理都是由飛思卡爾(Freescale)的Coldfire MCF5372 32位元無ROM微控制器(MCU)實現的。該MCU也執行CCW軟體,以便在需要時對PLC編程或重新編程。


圖8 Micro850上的主機板由負責系統管理、運作控制和使用者介面的飛思卡爾Coldfire MCF537232位元MCU、提供通訊和馬達控制以及一些專有功能的賽靈思Spartan XC351400A FPGA組成。
圖8 Micro850上的主機板由負責系統管理、運作控制和使用者介面的飛思卡爾Coldfire MCF537232位元MCU、提供通訊和馬達控制以及一些專有功能的賽靈思Spartan XC351400A FPGA組成。

賽靈思(Xilinx)的Spartan XC3S1400A FPGA最有可能專門支援特定邏輯功能、高速通訊控制以及降低總體擁有成本,方法是「透過更嚴格地控制速度、扭矩和加速度進行節能,同時提高效率支持更小更便宜的馬達」。根據PLC說明書的描述,Spartan FPGA是Micro850實現運動控制能力的核心,可支援並能夠充分利用多達3個具備PTO的軸。


為FPGA和MCU提供週邊支援的是Cypress的FM21L16 —2Mbit(128Kx6)FRAM(直接替代品現在是FM28V202A)、美光(Micron)的MT48LC8M 128Mbit(8Mbitx16)SDRAM以及ADI的15kV、具靜電放電保護功能與GreenIdle的序列埠收發器ADM3315EA。電壓監視功能由ADI的ADM7063V監視電路提供。


圖9 Micro850主機板的背面有主要的用戶I/O以及用於Micro800擴展模組的5個介面,可以用來根據需要擴展PLC功能,因此使得Micro850特別靈活。
圖9 Micro850主機板的背面有主要的用戶I/O以及用於Micro800擴展模組的5個介面,可以用來根據需要擴展PLC功能,因此使得Micro850特別靈活。

主機板的背面有乙太網路、非隔離型串列埠、USB編程埠,以及5個用於Micro800使用者可選模組的連接器。隨著應用要求隨時間的改變以及PLC需要適應更新的技術,這些模組可以實現I/O和通訊的靈活組合;而正是這種靈活性加上更強大的處理能力、簡易的可程式特性和堅固性,使得PLC始終屹立在工業控制平台的最前線。


結果是隨著時間的推移,要在以PLC為基礎或以PC/嵌入式電腦為基礎的系統之間做抉擇,越來越多與安裝量與設計工程師的熟悉程度—這將影響專案開發時間—以及傳統觀念有關,而不僅是技術或堅固性的差異。隨著我們邁向物聯網(IoT)以及工業4.0或4.2,新的工廠和系統在做抉擇時可能還會左右搖擺,但肯定的是這兩種架構還將共存許多年。



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