过程控制和plc设计指南

　　摘要：可编程逻辑控制器（plc）在过程控制系统中能够有效节省时间，降低成本和能耗，简化系统设计。从制造业发展进程可以了解到如何用现代ic替代分立电路。这些ic能够简化系统设计，扩展设备监测功能并保障操作人员的安全。max15500/max15501、max5661以及max5134–max5139是过程控制应用中的典型ic。

　　简介

　　工业控制、工厂自动化以及plc （可编程逻辑控制器）是发展成熟的技术，能够有效地节约时间、材料、能源和金钱。但从何入手呢？ 设计一个完全自动化的工厂是一项巨大工程，有可能在还没有启动项目时就放弃了。

　　这使我们想起多年以前非洲的一位探险家，当他询问本地的一位部落男子：“如何吃掉一头大象？”，这位男子惊讶地看着探险家回答到：“我们吃大象就像吃别的任何东西一样，一次一口”。与其它大型系统开发一样，工业控制系统可以划分成许多小规模电路。下面我们就开始探讨这些细分后的电路。

　　过程控制流程

　　装配生产线是人类历史上相当新的发明创造，许多国家都在同一时期涌现出了类似的创新方案。我们将列举其中的几个示例，阐述如何演进到一个完整的自动化工厂。

　　samuel colt （美国的枪支制造商）在19世纪中叶展示了一种通用部件。早期的枪支需要独立制造每只枪的部件，然后进行组装。colt先生展示了10只枪的通用部件，然后随机地从箱子里抓取这些部件并组装好一只枪。在20世纪初期，henry ford进一步拓展了大批量生产技术。他采用固定的装配厂，用卡车在工厂之间运输零部件。雇员只需要了解很少的装配知识，在以后的工作中也只进行这些操作。1954年，george devol申请了美国专利2，988，237，这项专利标志着首台工业机器人的诞生，该机器人被命名为unimate。20世纪60年代末期，general motors®使用plc （可编程逻辑控制器）组装汽车的自动变速器。被称为plc之父的dick morley为gm生产了首个plc。他的美国专利3，761，893是当前许多plc的基础（有关上述四位发明家的详细信息，请参考：www.wikipedia.org/；相关专利请查询：http://patft.uspto.gov/netahtml/pto/srchnum.htm）。

　　过程控制可以简单到何种程度？ 图1给出了一个常见的家用加热器。

　　图1. 家用电子加热器，一个简单的过程控制示例。

　　加热器部件密封在一个容器内，简化系统通信。这个概念可以扩展到远端控制的恒温加热器，通信距离在几米左右，通常采用电压控制。

　　现在，我们可以考虑一个小型的简单过程控制系统，在图2所示工厂中需要哪些必要部件？

　　图2. 工厂的远程通信

　　长距离传输线的阻抗、emi以及rfi （电磁及无线电干扰）使得电压控制方案的实施非常困难，这种情况下，电流环不失为简单、有效的解决方案。由基尔霍夫定律可知，电流环中任何一点的电流等于环路中其它所有点的电流之和，由此可以抵消传输线阻抗的影响。由于环路阻抗和带宽较低（几百欧姆，《 100hz），emi和rfi的杂散拾取 小。