自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(programmable logic controller，plc)取代传统继电器控制装置以来，plc快速发展在世界各地得到了广泛应用。随着工厂自动化程度的不断提高和plc市场容量基数的不断扩大，近年来plc在工业发达国家的增长速度放缓，但在中国等发展中国家的增长十分迅速，2017年plc市场在全球取得16.6%的增长。

与此同时，plc的功能也不断完善，随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，如今plc不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程i/o和通信网络、数据处理以及图像显示的发展，使plc向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。如何灵活配置plc真正实现工业互联智能化的背后支撑，本文以高性能模拟技术提供商adi公司的plc解决方案举例，说明如何借助adi公司的放大器、数据转换、信号处理和电源技术以及专业经验，实现高分辨率、低噪声的工业plc系统。

工业plc系统设计考虑和主要挑战

通常而言，plc系统由电源、cpu和多个模拟及数字i/o模块组成，可控制、执行和监控复杂的机器变量。plc设计用于多输入和输出配置，具有扩展的温度范围、卓越的电噪声抑制性能、抗震性和抗冲击能力。plc系统包括电源、控制和通信模块以及多种模拟输入、模拟输出、数字输入和数字输出模块。为了获得合适的plc系统设计，设计人员必须考虑许多不同的系统要求，包括精度、带宽和输入范围等。此外，还需要考虑以下系统因素：

1、对于tc (热电偶)和rtd，模拟输入类型和范围可低至±10 mv;对于执行器控制器可高至±10 v—或者过程控制系统中的4 ma至20 ma电流。

2、模拟输出类型和范围通常包括±5 v、±10 v、0 v至5 v、0 v至10 v、4 ma至20 ma和0 ma至20 ma，有时需要超量程能力。

3、输入/输出模块分辨率和精度的典型范围为12位至16位，工业温度范围内的精度为0.1%。

4、与不同现场总线连接。

5、隔离;系统电源模块和低功耗电子器件之间;输入和输出之间;i/o和中央控制单元之间;隔离等级范围为1 kv至2.5 kv。

6、模拟输入/输出和电源输入保护：故障条件电压或电流和emc考虑因素，包括电涌、快速脉冲瞬变和esd。

7、随着电路板尺寸的减小，功效比、热管理和散热将成为小型化器件一个日益重要的问题。

另外，更多的通道或节点需要置于相同的空间中，因而要求采用高密度系统，必须减小器件尺寸。这意味着外壳更小，从而带来电源管理和散热难题，因此需要通过集成动态电源控制实现智能电源管理的解决方案。

plc应用系统典型的信号链设计

高集成度高灵活性的plc系统应该这样设计

以前实现这类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。adi公司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。

此外，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新推出的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。

adi公司的精密+/-10v和0-20ma模数转换器可简化plc模块开发

在2019年的慕尼黑上海电子展上，adi便展示了一款基于ad4111的plc/dcs系统模拟输入解决方案。据adi工程师现场介绍，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。

adi基于ad4111的plc/dcs 系统模拟输入解决方案demo展示

adi新一代软件可配置技术通过打造灵活的系统来支持快速重新配置，把停机时间和资本投入处于最低水平，以及轻松地适应不断变化的需求。使每一个io实现软件可配置，降低adi产品复杂性的同时，也为客户创造出了许多直接的机会，同时为实现it/ot融合带来的规模优势奠定了基础。

本文小结

plc可谓是工业自动化控制的常青树，即使是在工业转型升级的智能制造年代，或者是工业4.0的时代，它仍然足够胜任各种控制要求和通信要求。同时plc也早已不再是三、四十年前只能完成逻辑控制、顺序控制的继电逻辑系统的替代物，它完成了由经典plc向现代plc的蜕变。继承了高性价比、高可靠性、高易用性的特点，同时在adi这类高性能模拟技术提供商的工业自动化领域创新技术加持下，典型的工业plc系统也具有了高集成度与高灵活性、软件分布式配置i/o、嵌入式智能和无缝联接的性能，辅以更强有力的plc软件平台支持，我们可以相信plc将持久不衰地活跃在工业自动化的世界中。

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