應(yīng)對(duì)可編程邏輯控制器的集成挑戰(zhàn)

工業(yè)制造正在部署最新的傳感器技術(shù)，采用新的控制架構(gòu)，并開始在稱為工業(yè)4.0的過渡中發(fā)現(xiàn)“大數(shù)據(jù)”和分析的潛力。制造業(yè)正在增加用于跟蹤環(huán)境和過程變量的傳感器數(shù)量。這反過來又加速了向分布式控制架構(gòu)的過渡，在分布式控制架構(gòu)中，工廠操作員通過將可編程邏輯控制器 （PLC） 移近他們控制的過程來減少瓶頸并縮短控制回路。在本應(yīng)用筆記中，我們將討論提高運(yùn)營(yíng)效率和產(chǎn)量的承諾將如何導(dǎo)致自PLC發(fā)明以來對(duì)工廠運(yùn)營(yíng)的最大改革，以及PLC和微型PLC中對(duì)更多模擬集成的需求。

介紹

在當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)激烈的全球經(jīng)濟(jì)中，制造工藝的微小改進(jìn)可以產(chǎn)生巨大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

這種心態(tài)正在推動(dòng)整個(gè)工廠車間的根本性變革。制造商正在部署最新的傳感器技術(shù)，采用新的控制架構(gòu)，并開始發(fā)現(xiàn)“大數(shù)據(jù)”和分析的潛力。通常被稱為工業(yè) 4.0，制造業(yè)正在發(fā)生的事情簡(jiǎn)直就是一場(chǎng)革命。

對(duì)于設(shè)備原始設(shè)備制造商來說，這是一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)。用于跟蹤環(huán)境和過程變量的傳感器數(shù)量不斷增加。這加速了向分布式控制架構(gòu)的過渡，在分布式控制架構(gòu)中，工廠操作員通過將可編程邏輯控制器 （PLC） 移近他們控制的過程來減少瓶頸并縮短控制回路。最終，提高運(yùn)營(yíng)效率和產(chǎn)量的承諾將導(dǎo)致自PLC發(fā)明以來對(duì)工廠運(yùn)營(yíng)進(jìn)行最大規(guī)模的改革。

這給PLC工程師帶來了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。為了在這個(gè)市場(chǎng)上獲勝，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要在不斷縮小的機(jī)箱中集成更多的I/O和更多功能。問題在于，從微處理器的數(shù)字縮放中獲得的空間相對(duì)較少。在當(dāng)今先進(jìn)的PLC模塊中，模擬和無源元件占用了大約85%的電路板空間。

工程師再也不能忽視他們電路板上的明顯問題了。許多在以前的系統(tǒng)中運(yùn)行良好的模擬和分立元件對(duì)于微型PLC和嵌入式控制器來說實(shí)在太大了。工業(yè)4.0的承諾只能通過在整個(gè)PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行更高水平的集成來實(shí)現(xiàn)。

下一次工業(yè)革命已經(jīng)到來

自 1969 年推出 Modicon 084 以來，PLC 一直處于工業(yè)轉(zhuǎn)型的紐帶。由于數(shù)字革命，它們多年來變得越來越強(qiáng)大，能夠處理更多的輸入、更大的單詞和更復(fù)雜的指令集。

如今，模擬和傳感器技術(shù)的創(chuàng)新正在幫助制造商充分利用工廠和云中可用的大量計(jì)算資源。工業(yè) 4.0 代表了將這種智能與無處不在的傳感、分布式控制和強(qiáng)大、無縫的連接相結(jié)合時(shí)可能實(shí)現(xiàn)的愿景。

PLC再次發(fā)現(xiàn)自己處于革命的中心。這為PLC OEM創(chuàng)造了新的商機(jī)，因?yàn)橹圃焐淘黾恿速Y本支出以利用這些技術(shù)。然而，這也給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了各種挑戰(zhàn)。

實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的承諾

由于摩爾定律的穩(wěn)步發(fā)展，我們現(xiàn)在擁有大量的處理能力。這種處理能力使企業(yè)能夠處理數(shù) TB 甚至數(shù) PB 的數(shù)據(jù)，以增強(qiáng)決策、生成新見解并優(yōu)化流程。

對(duì)于制造商來說，最大的挑戰(zhàn)是收集和處理這些數(shù)據(jù)。為了解決這個(gè)問題，出現(xiàn)了三個(gè)技術(shù)趨勢(shì)：

普適傳感：傳感器及其接口的成本持續(xù)下降，使制造商能夠跟蹤更多的變量和數(shù)據(jù)類型。

分布式控制：將過程控制器移近它們控制的機(jī)器可消除瓶頸并提高制造吞吐量和靈活性。

無縫連接：制造商正在將工廠車間連接到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，以釋放大數(shù)據(jù)和分析的潛力。這帶來了許多好處，但也在系統(tǒng)級(jí)別引發(fā)了許多安全問題。

解決新的集成問題

PLC中最大的問題是沒有人看到的問題。最近的一項(xiàng)市場(chǎng)研究表明，大多數(shù)工程師仍然認(rèn)為數(shù)字技術(shù)提供了節(jié)省空間的最佳機(jī)會(huì)。然而，數(shù)字芯片僅占用PLC模塊中15%至20%的電路板空間。

真正的問題是專用于模擬和分立元件的PCB數(shù)量。這些器件占用 PLC 模塊中高達(dá) 85% 的可用電路板空間（圖 3），但它們不像數(shù)字芯片那樣可擴(kuò)展。因此，PLC現(xiàn)在需要更高水平的集成，以節(jié)省PCB空間，同時(shí)提供所需的功能。

圖3.在這種典型的微型PLC中，模擬和分立元件占用了80%以上的電路板空間。

解決這一PCB空間問題需要一種新的模擬設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以選擇具有足夠規(guī)格的目錄零件，然后在布局上執(zhí)行英雄壯舉以使其適合PLC外殼的日子已經(jīng)一去不復(fù)返了。當(dāng)今的市場(chǎng)要求在空間和能源效率方面進(jìn)行階梯式功能改進(jìn)。為了取得成功，設(shè)計(jì)人員需要系統(tǒng)地尋找機(jī)會(huì)來簡(jiǎn)化模擬電路并降低功耗。

幸運(yùn)的是，隨著工業(yè)市場(chǎng)的發(fā)展，Maxim Integrated正在開發(fā)解決方案，以利用其集成能力。在單個(gè)IC中組合多個(gè)分立模擬功能可以為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供尺寸、功耗和成本方面的顯著優(yōu)勢(shì)。

Maxim的Micro-PLC技術(shù)演示平臺(tái)展示了模擬集成如何使PLC占位面積縮小10倍，運(yùn)行溫度降低50%，數(shù)字I/O吞吐量提高70倍。這些成就都是通過Maxim的智能集成方法和專有的工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

提高微型 PLC 中的 I/O 密度

I/O是PLC與工業(yè)4.0所需的無數(shù)傳感器和執(zhí)行器之間的重要環(huán)節(jié)。隨著制造商在工廠車間增加更多傳感器，設(shè)備設(shè)計(jì)人員必須將通道密度推得更高，即使PLC中的可用空間不斷縮小。

I/O隔離架構(gòu)提供了顯著節(jié)省空間的機(jī)會(huì)。傳統(tǒng)方法是每個(gè)通道使用一個(gè)光耦合器，并將每個(gè)光耦合器輸出連接到微控制器上的數(shù)字輸入。這種方法在器件數(shù)量、電路板空間和數(shù)字I/O引腳使用方面成本高昂。

如今，像MAX31911這樣的多通道串行器可以將傳感器和開關(guān)的24V數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換、調(diào)理和串行化至PLC微控制器所需的5V、CMOS兼容電平。這種方法將必要的隔離通道數(shù)量減少到僅三個(gè)（圖 5）。

更詳細(xì)的圖像。
圖5.MAX31911大大減少了用于數(shù)字輸入設(shè)計(jì)的光耦合器數(shù)量。

例如，MAX31911為8通道工業(yè)接口，支持SPI菊花鏈;來自多個(gè)串行器的大量輸入可以共享相同的三個(gè)隔離信號(hào)。圖6顯示了32通道實(shí)現(xiàn)在功耗、器件數(shù)量、整體PCB空間尺寸、光耦合器和成本方面的顯著節(jié)省。將其與非序列化方法進(jìn)行比較。

圖6.MAX31911提供的流線型隔離架構(gòu)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了諸多優(yōu)勢(shì)。

降低電源設(shè)計(jì)中的散熱

更高的I/O密度和更小的外形尺寸也以另一種基本方式增加了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，這是不可避免的功耗的結(jié)果。系統(tǒng)必須比以往任何時(shí)候都更節(jié)能，以防止PLC過熱，特別是在通常不接受風(fēng)扇和通風(fēng)口的應(yīng)用中。 PLC中經(jīng)常被忽視的熱源是I2直流配電饋電中的 R 損耗。通常，24V用于PLC背板，而12V用于板載配電。更好的方法是全板使用48V，因?yàn)檫@可將電流降低4倍，相應(yīng)地將PCB銅損降低16倍。

使用MAX17503等高壓負(fù)載點(diǎn)（POL）DC-DC轉(zhuǎn)換器，無需中間DC-DC轉(zhuǎn)換級(jí)。這些轉(zhuǎn)換器直接在高達(dá) 60V 的輸入下工作，可在低電壓下實(shí)現(xiàn)數(shù)字、模擬和混合信號(hào)負(fù)載的單級(jí)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換器釋放了寶貴的電路板空間，同時(shí)避免了間隙級(jí)的成本和能量損失。此外，由于其同步開關(guān)架構(gòu)，它們最大限度地減少了銅損，降低了連接器接觸電流額定值，提高了可靠性，并保持了低溫運(yùn)行（通常溫度降低 50%）（圖 7）。

圖7.Maxim的60V同步整流DC-DC，如MAX17503，可大幅降低熱量、尺寸和元件數(shù)量。

降低電源子系統(tǒng)的復(fù)雜性

當(dāng)今的信號(hào)調(diào)理、處理和通信電路需要一組不同的電源軌，通常相差幾伏或只有幾分之一伏。這加劇了本已復(fù)雜的電氣環(huán)境。除此之外，通過各種功率控制方法實(shí)現(xiàn)的日益復(fù)雜的節(jié)能方法以及電源子系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性只會(huì)進(jìn)一步增加。

Maxim的Beyond the Rails?產(chǎn)品簡(jiǎn)化了信號(hào)鏈，使設(shè)計(jì)（圖8）允許±10V雙極性輸入多路復(fù)用、放大、濾波和數(shù)字化，全部采用5V單電源供電。這種方法消除了對(duì)額外 ±15V 電源的需求;從而減少元件數(shù)量、系統(tǒng)成本、功耗和占位面積。

圖8.Beyond the Rails產(chǎn)品通過采用+5V單電源支持高達(dá)±10V的電源軌，簡(jiǎn)化了電源子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

集成針對(duì)新安全威脅的保護(hù)措施

當(dāng)工廠網(wǎng)絡(luò)對(duì)外部關(guān)閉時(shí)，IT安全問題通常涉及流氓員工和內(nèi)部數(shù)據(jù)盜竊。那些“美好的過去”已經(jīng)一去不復(fù)返了。當(dāng)今的互聯(lián)網(wǎng)連接 PLC 必須受到保護(hù)，以抵御多種威脅，包括黑客、惡意軟件和病毒。

系統(tǒng)級(jí)軟件提供初始級(jí)別的保護(hù)，但在許多情況下，這還不夠。需要基于硬件的安全性來防止：

克隆或偽造組件：假冒的現(xiàn)場(chǎng)傳感器和I/O模塊對(duì)您的底線構(gòu)成了真正的威脅。但還有一個(gè)更大的危險(xiǎn)：假冒現(xiàn)場(chǎng)傳感器可能被用來對(duì)工業(yè)環(huán)境進(jìn)行攻擊。使用安全認(rèn)證IC是保證傳感器讀數(shù)從關(guān)鍵組件發(fā)送到PLC的唯一方法。

惡意軟件注入：Stuxnet給行業(yè)敲響了警鐘。系統(tǒng)操作員必須確保構(gòu)建監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）或分布式控制（DCS）系統(tǒng)的所有設(shè)備都運(yùn)行正版軟件。安全啟動(dòng)和安全更新管理是保護(hù)設(shè)備免受惡意軟件注入的最佳方法。安全協(xié)處理器可用于實(shí)現(xiàn)加密設(shè)計(jì)，以最少的設(shè)計(jì)工作完全解決這些問題。

竊聽：隨著對(duì)工業(yè)間諜活動(dòng)的擔(dān)憂增加，制造商必須確保未經(jīng)授權(quán)的用戶無法從工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中竊取商業(yè)機(jī)密。加密和身份驗(yàn)證IC可以防止此類竊聽，并進(jìn)一步提供主動(dòng)篡改檢測(cè)，以防止對(duì)硬件組件的暴力攻擊。

Maxim在ATM、銷售點(diǎn)（POS）系統(tǒng)和打印機(jī)墨盒等耗材的硬件安全實(shí)施方面有著悠久的歷史。安全產(chǎn)品組合范圍從簡(jiǎn)單的身份驗(yàn)證引擎到實(shí)現(xiàn)基于標(biāo)準(zhǔn)的高級(jí)加密算法的復(fù)雜、安全的微控制器。

圖9.Maxim提供完整的硬件安全產(chǎn)品組合，以滿足各種安全需求和價(jià)位。

抓住PLC的集成優(yōu)勢(shì)

工業(yè) 4.0 正在從根本上改變?cè)?PLC 市場(chǎng)中獲勝所需的條件。當(dāng)今的成功需要新的戰(zhàn)略來管理對(duì)在更小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多功能的競(jìng)爭(zhēng)需求 - 更小的外形尺寸、更高的 I/O 密度和高級(jí)功能。

這個(gè)問題不能用摩爾定律來解決。這些系統(tǒng)中的大量模擬內(nèi)容意味著PLC工程師不能再忽視擺在他們面前的集成問題 - 當(dāng)成功取決于您可以在每厘米的空間中容納多少功能時(shí)。系統(tǒng)地尋求更高水平的組件集成的工程師將在制造商追求工業(yè)4.0承諾的好處時(shí)處于有利地位。

審核編輯：郭婷