PLC中的硬件模塊與趨勢(shì)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）PLC，可編程邏輯控制器，是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)?？偟膩?lái)說(shuō)，PLC是由硬件，軟件和編譯器三部分組成，細(xì)分來(lái)看，其中涉及的內(nèi)容很多。硬件部分有I/O模塊、CPU模塊、端子板、背板、通訊模塊、電源等等，軟件部分有I/O軟件、CPU軟件、通訊模塊軟件等等、編譯器部分則有用戶(hù)編程界面、邏輯轉(zhuǎn)換、交叉編譯等。

當(dāng)然PLC并不僅限于這些組成部分，產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱處理等部分對(duì)PLC也起著至關(guān)重要的影響。作為工業(yè)場(chǎng)景里重要的基礎(chǔ)設(shè)備，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出，PLC控制各種類(lèi)型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。

PLC硬件結(jié)構(gòu)——I/O模塊

PLC一般都是通過(guò)背板通訊的方式從輸入模塊獲取現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)用戶(hù)程序運(yùn)算后將需要輸出的結(jié)果通過(guò)背板總線(xiàn)發(fā)送給輸出模塊，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)的動(dòng)作。上面說(shuō)到，PLC硬件結(jié)構(gòu)上主要有I/O模塊、CPU模塊、端子板、背板、通訊模塊、電源。24V電源用于給系統(tǒng)進(jìn)行供電， CPU模塊用于用戶(hù)程序的運(yùn)算，針對(duì)一些有高可靠性要求的現(xiàn)場(chǎng)， PLC 可能會(huì)需要用到冗余的CPU及電源。

以前的PLC系統(tǒng)里，I/O模塊一般被設(shè)計(jì)成CPU模塊下的子模塊，但是現(xiàn)在越來(lái)越多的PLC設(shè)備都I/O模塊獨(dú)立了出來(lái)。I/O 模塊用于獲取現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)以及控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通信模塊適配器用于擴(kuò)展本地或遠(yuǎn)程I/O。

I/O模塊的診斷功能級(jí)別是選型中需要考慮的，從最基本的基本診斷功能到模塊診斷功能到通道診斷功能。基本診斷功能和模塊診斷功能都是模塊級(jí)別的診斷，用于診斷模塊狀態(tài)和通道組態(tài)，通道診斷的級(jí)別最高，負(fù)責(zé)診斷通道組態(tài)和狀態(tài)。對(duì)PLC性能要求較高的場(chǎng)景需要I/O模塊對(duì)過(guò)采樣、PWM、集成計(jì)數(shù)等功能提供支持，這時(shí)候需要選擇帶高級(jí)別診斷功能的I/O模塊，如帶HF、HS的I/O模塊。

I/O模塊既連接現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)傳感器執(zhí)行器，也連接著PLC/適配器，通過(guò)一些常見(jiàn)的通訊協(xié)議將信息串聯(lián)起來(lái)，現(xiàn)在的PLC產(chǎn)品里I/O模塊已經(jīng)將各種工業(yè)場(chǎng)景可能出現(xiàn)的信號(hào)都定義好了，各種數(shù)字量的輸入輸出、模擬量的輸入輸出以及各種傳感器的信號(hào)等。

PLC硬件結(jié)構(gòu)——CPU模塊

CPU模塊是PLC硬件組成立核心中的核心，其處理核心的選擇對(duì)其性能影響甚大。小型的PLC出于成本和功能的考量，單獨(dú)選擇MCU作為處理核心就可以，中大型的PLC往往會(huì)選擇MPU或者M(jìn)CU加上FPGA。

MCU/MPU負(fù)責(zé)用戶(hù)程序的運(yùn)算，F(xiàn)PGA則需要對(duì)所有外部總線(xiàn)設(shè)備進(jìn)行譯碼，像EtherCAT、ProfiNet這些一般都使用并行總線(xiàn)接口，MCU/MPU可能并沒(méi)有那么多的片選信號(hào)提供，F(xiàn)PGA 可以比較靈活地提供更多的片選信號(hào)。

驅(qū)動(dòng)高速總線(xiàn)、數(shù)據(jù)交互、通信模塊與CPU之間的交互也交給了FPGA，如果是冗余設(shè)計(jì)的CPU模塊，還需要同步邏輯。和運(yùn)控算法相關(guān)的工作、高速UART的拓展、SPI的拓展也會(huì)交給FPGA去處理，F(xiàn)PGA還需要控制外部 ADC 進(jìn)行同步采樣，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理。

小型PLC設(shè)備的處理器選擇就很多樣了，基本上做工業(yè)場(chǎng)景MCU的廠(chǎng)商都有相應(yīng)的解決反方案，中大型PLC對(duì)處理器主頻、外設(shè)、控制能力的要求就比較高，尤其是運(yùn)控能力。脈沖輸出和高速脈沖計(jì)數(shù)是兩個(gè)很重要的運(yùn)控需求點(diǎn)，現(xiàn)在有些MCU的產(chǎn)品也能很好地實(shí)現(xiàn)大型PLC要求的運(yùn)控能力，不過(guò)如果場(chǎng)景對(duì)精度非常嚴(yán)苛，更常見(jiàn)的做法還是用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，也更穩(wěn)妥。

PLC趨勢(shì)

拋開(kāi)FPGA不談，MCU和MPU性能的拔高是大家有目共睹的，PLC在成本和性能上都不占優(yōu)勢(shì)，但是工業(yè)場(chǎng)景仍然十分信任PLC，或者說(shuō)用PLC的模式去進(jìn)行操作。PLC在易用性和靈活性上在工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)景更容易讓用戶(hù)接受。

在工業(yè)4.0的浪潮下，PLC也在朝著網(wǎng)聯(lián)化、智能化的方向發(fā)展，軟硬件功能綜合性能變得更全面，通信能力還在進(jìn)一步增強(qiáng)。近幾年非常看要的一點(diǎn)是新型PLC在選型過(guò)程中已經(jīng)十分看重通信安全和功能安全，對(duì)硬件加密單元的要求開(kāi)始涌現(xiàn)，廠(chǎng)商會(huì)更傾向于選擇有加密模塊的硬件和有安全規(guī)范的協(xié)議，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，PLC硬件功能安全和通信安全愈發(fā)重要。