工业4.0时代，企业数字化转型与智能制造成大势，自动化水平的日益提高，工业互联网的迅速发展交织着IT(信息技术)、OT(运营技术)与CT(通讯技术)三条主线的加速融合。可编程逻辑控制器(PLC)作为OT以及工业自动化关键设备以及工业互联网底层的重要组件，也随之得到了巨大的进步。同时，由于设备、机器和工厂变得“更智能”，工业现场控制对PLC以及DCS等设备提出了更高的要求。
智造“先行兵”，PLC助力工业控制实现自动化
众所知周，PLC 是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的新一代工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、计时计数等顺序控制功能，建立柔性的编程控制系统。目前，PLC 在传统功能的基础上增加了模拟量运算、PID 功能、通信功能以及更可靠的工业抗干扰技术等功能，广泛应用于工业生产的各个领域。
因此PLC可简单理解为一种用于特定工业环境下的计算机，并具备多种优良性能，其硬件结构与计算机基本相同，具备CPU、I/O 模块、电源模块、底板、外设以及通信联网设备，采用了可编程的存储器对逻辑运算、顺序控制、计时计数和算数运算进行存储，并通过数字的、模拟的输入输出指令控制各种类型的工业生产过程。与通用的计算机相比，PLC 在工业领域的使用场景多、适应面广，并具备可靠性高、抗干扰能力强和编程简单等优点。
下图显示在工业自动化和过程控制系统中使用PLC的简化信号链。PLC通常包括模拟和数字输入/输出(I/O)模块、中央处理器(CPU)和电源管理电路。
典型PLC信号链
在工业应用中，模拟输入模块可获取和监控恶劣环境中的远程传感器信号，例如存在极端温度和湿度、振动、爆炸化学物品的环境。典型信号包括具有5V、10V、±5V和±10V满量程范围的单端电压或差分电压，或者0mA至20mA、4mA至20mA、±20mA范围的环路电流。当遇到具有严重电磁干扰(EMI)的长电缆时，通常使用电流环路，因为它们本身具有良好的抗扰度。
从分立到集成，简化工业数据采集系统设计
以往实现这类I/O系统需要大量高性能分离式元件，由此产生的是庞大且昂贵的系统。近年来，集成技术的进步使得系统设计人员能够采用尺寸更小、功耗更低、成本更低的解决方案，
其性能与那些大型系统不相上下。持续的技术进步要求既能不断促进这些解决方案集成，同时还提高其性能和诊断能力。亚德诺半导体(ADI)提供面向市场定制的解决方案，以便简化设计过程。这些解决方案采用业界领先技术，并提供众多设计选项，从采用分立器件的实施方案到全集成式解决方案应有尽有。
● 分立式数据采集系统方案
工业设计人员可以使用分立式高性能组件，为PLC或类似数据采集系统构建模拟模块，如下图所示。主要设计考虑因素包括输入信号配置、整体系统速度、精度和精确性。此处所示的信号链采用ADG1208/ADG1209低泄漏多路复用器、 AD8251快速建立可编程增益仪表放大器(PGIA)、AD8475高速漏斗放大器、AD7982差分输入18位 PulSAR®ADC和 ADR4550超低噪声基准电压源。这种解决方案提供四个不同增益范围，但在±10 V的最大输入信号的情况下，设计人员必然会担心多路复用器的切换和建立时间，以及其他模拟信号调理问题。此外，在1 MSPS速率下实现真正的16位性能可能是一个严峻挑战，即便在使用这些高性能器件时也是如此。
AD7982具有满量程阶跃的290 ns瞬态响应性能。因此，要在1 MSPS速率下进行转换的同时保证指定性能，PGIA和漏斗放大器必须在710 ns时间内建立。但是，AD8251针对10 V阶跃达到16位转换精度(0.001%)的建立时间为785ns，因此该信号链的保证最大吞吐率将小于1 MSPS。
使用分立式元件的模拟输入信号链
● 集成式解决方案简化数据采集系统设计
16位1 MSPS ADAS3022数据采集系统IC采用专有高压工业工艺技术iCMOS®制造，集成8通道、低泄漏多路复用器、高阻抗PGIA(具有高共模抑制)、高精度低漂移4.096V基准电压源和缓冲器以及16位逐次逼近型ADC。
ADAS3022功能框图
该完整传感器数据采集解决方案占用的电路板空间仅为分立方案的三分之一，有助于工程师简化设计，同时减小高级工业数据采集系统的尺寸，缩短产品面市时间，节省成本。它使得我们无需对输入信号进行缓冲、电平转换、放大、衰减或其他调理，也消除了我们对共模抑制、噪声和建立时间的担忧，还解决了与设计高精度16位1 MSPS数据采集系统相关的诸多难题。它可在1 MSPS速率下(典型 SNR为91 dB)提供同类较佳的16位精度(典型INL为±0.6 LSB)、低失调电压、低温度漂移和优化噪声性能。
值得一提的是，目前很多传统工业自动化或者过程控制系统，其物理层的实现拥有大量的I/O的接口，包括了模拟和数字的输入输出。I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件，它是直接连接现场仪表和整个控制单元当中的纽带。而一旦客户新增需求或者设备替换生产数字或者系统发生变化，大量的I/O接口就需要整体调整或迁移，整个工作繁琐且耗时耗力。针对整个模块量输入模块，ADI的AD411X(AD4111，AD4112)系列产品，集成了多重保护功能，同时提供相应的电源解决方案。在应用过程中，基本上是24V输入、5V输出的电源架构。AD411X产品每个通道都可以任意地定义为数字量的输入输出，或者模拟量的输入输出，所以把它叫做软件定义I/O。
AD4111集成了低噪声、快速建立、24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)和模拟前端，支持全差分或单端、双极性±10 V电压输入和单端20 mA输入，用于工业自动化应用的可编程逻辑控制器和分布式控制系统(DCS)模块。
本文小结
下一代工业PLC模块需要高精度、可靠运行和功能灵活性，所有这些特性都必须通过外形小巧的低成本产品提供。基于PLC的系统采用多个传感器和执行器，可测量和控制模拟过程变量，被广泛应用于众多不同工业应用。此外，ADI提供的灵活模拟I/O解决方案，降低系统设计复杂性的同时，将加速工业自动化与实现IT/OT融合趋势带来的规模优势奠定基础。
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