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作者：Mulong Gao，高級工程師，Maxim Integrated 引言 增強生產(chǎn)力和效率——這些都是現在的所謂工業(yè)4.0或智能制造(SM)的焦點(diǎn)1。工廠(chǎng)被鼓勵“將工廠(chǎng)運營(yíng)效率提高10%(損耗/單位產(chǎn)品)”2，以較少的能源、水及其它自然資源產(chǎn)出更多產(chǎn)品。有人認為，這是滿(mǎn)足全球不斷增長(cháng)的需求的唯一途徑3。規劃工業(yè)4.0的目的是“連續提高整個(gè)價(jià)值鏈中的資源生產(chǎn)力和效率”4。為了使“產(chǎn)出最大化...重點(diǎn)就要提高資源生產(chǎn)力...和資源效率�！彼�，許多文獻和報告一致贊成如下主題：21世紀的制造工廠(chǎng)必須優(yōu)化系統生產(chǎn)力和效率，以20世紀生產(chǎn)相同產(chǎn)品所需的相同或更低成本生產(chǎn)更大量的產(chǎn)品。 現代自動(dòng)化工廠(chǎng)大都通過(guò)電子和信息技術(shù)來(lái)提高生產(chǎn)力，特別是可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(DCS)，已成為現代工廠(chǎng)中無(wú)處不在的眾多神經(jīng)系統的中樞控制。我們將工廠(chǎng)中廣泛分布并受控于相同PLC和DCS的每個(gè)模塊、子系統或元件稱(chēng)為“神經(jīng)系統”。您任何時(shí)候提高這些子系統的生產(chǎn)力和效率時(shí)，都將對整個(gè)工廠(chǎng)的運營(yíng)產(chǎn)生積極影響。 本文介紹如何使PLC的設計和實(shí)現達到更高的效率和生產(chǎn)力，也討論了預期——滿(mǎn)足將來(lái)不斷增長(cháng)的生產(chǎn)需要的系統的預期。本文介紹一款優(yōu)異的子系統參考設計Alameda，該參考設計利用高效率的反激式變換器的電源提供四路高效、極高精度模擬輸出。通過(guò)部署Alameda，自動(dòng)化工廠(chǎng)將立即看到其PLC系統生產(chǎn)力的大飛躍，提前滿(mǎn)足將來(lái)SM工廠(chǎng)的效率要求。 四路模擬輸出，無(wú)常見(jiàn)噪聲 過(guò)去，PLC和DCS的模擬輸出參考系統專(zhuān)注于模擬性能；更高的效率和系統生產(chǎn)力往往被忽略。如果某個(gè)設計者試圖通過(guò)集成電源來(lái)提高系統效率，則仍然需要解決系統噪聲問(wèn)題。 現在，有一種途徑既可實(shí)現四路高精度模擬輸出又可以解決噪聲問(wèn)題：Alameda (MAXREFDES24#) 4通道模擬輸出子系統參考設計(圖1)。Alameda具有四路高精度(<±0.1%)的靈活模擬輸出、一個(gè)高效率電隔離電源，以及自動(dòng)故障檢測和過(guò)熱保護。完備的硬件和固件設計文件以及實(shí)驗室測量數據，能夠幫助快速設計原型及開(kāi)發(fā)。 
圖1. Alameda子系統設計方框圖 元件數量較少，具有更大通用性 高度集成是這里的關(guān)鍵，集成提高了通用性、避免了噪聲問(wèn)題，并且減少了器件數量。我們首先了解一下硬件(圖2)。
圖2. Alameda參考設計電路板(MAXREFDES24#)。 MAX5134四通道、16位、帶緩沖電壓輸出、高線(xiàn)性度DAC是該系統的核心。器件具有4路通道、極低死區(最大0.02V)、滿(mǎn)擺幅輸出，所以無(wú)需DAC負電源。器件提供電壓輸出，驅動(dòng)四片MAX15500信號調理器的輸入。同時(shí)也要注意，DAC輸出直接驅動(dòng)調理器輸入，無(wú)外部元件，使得接口非常簡(jiǎn)單。 每片MAX15500為單通道、低成本、高精度模擬電流/電壓輸出調理器，專(zhuān)為滿(mǎn)足PLC及DCS要求而開(kāi)發(fā)。信號調理器工作在±24V電源范圍，產(chǎn)生用戶(hù)可編程、單極性和雙極性、高精度電流或電壓輸出。電流輸出驅動(dòng)高達1kΩ負載，電壓輸出驅動(dòng)低至1kΩ的負載。MAX15500具有過(guò)流和短路保護，也監測過(guò)熱和掉電情況，并提供全面的錯誤報告。 MAX6126超高精度電壓基準驅動(dòng)模擬輸出調理器和DAC的基準輸入，初始精度為0.02%，最大溫度系數(tempco)為3ppm/℃。 對于數據隔離，MAX14850對現場(chǎng)測和系統控制器側的數據通信進(jìn)行隔離。合成的電源和數據隔離為600VRMS。 電源由隔離、寬直流輸入范圍、反激式變換器提供。峰值電流模式反激式控制器MAX17498B高效驅動(dòng)隔離變壓器，支持+18V至+32V單直流電壓輸入，產(chǎn)生±24V和+8V輸出。MAX17498B電路的最高工作效率為85%。正確安裝的1000pF、2000V電容耦合兩個(gè)隔離地，同時(shí)仍然維持隔離，減小模擬輸出噪聲。MAX1659低壓差(LDO)線(xiàn)性穩壓器將+8V輸出調節至+5V低噪聲輸出。整個(gè)系統只需要24V輸入作為電源。 針對LX9和ZedBoard平臺開(kāi)發(fā) Alameda設計經(jīng)過(guò)LX9和ZedBoard平臺驗證。Alameda具有簡(jiǎn)單板載Pmod兼容連接器，可連接至Pmod兼容的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)/微控制器開(kāi)發(fā)板。目前提供這兩種平臺的項目文件、器件驅動(dòng)器以及示例代碼�？赏ㄟ^(guò)以下網(wǎng)址下載完整的源代碼和文件：http://www.maximintegrated.com/alameda。 性能測量 微分非線(xiàn)性(DNL)、積分非線(xiàn)性(INL)和總計不調整誤差(TUE)是PLC及其它過(guò)程控制系統的最重要技術(shù)指標。MAX15500高度靈活、可配置，滿(mǎn)足不同應用的需求。數據在+25℃下獲得。下圖中，由于編碼0至320在MAX5134的死區范圍(0至0.02V)，所以前320個(gè)DAC編碼的DNL、INL和TUE標為0。 -10V至+10V電壓輸出模式、20%過(guò)量程下的DNL、INL和TUE測量結果分別如圖3、4和5所示。單極性電壓(0至5V)，雙極性電流(-20mA至20mA)和單極性電流(0至20mA)的測量數據可參見(jiàn)以下網(wǎng)址：http://www.maximintegrated.com/alameda。
圖3. DNL，-10V至+10V輸出范圍，20%過(guò)量程。
圖4. INL，-10V至+10V輸出范圍，20%過(guò)量程。
圖5. 輸出誤差，-10V至+10V輸出范圍，20%過(guò)量程。 結論 工業(yè)4.0和智能制造倡導全新的第四代工業(yè)制造，這些概念代表現代化工廠(chǎng)提高生產(chǎn)力和效率的一個(gè)全新的21世紀�，F在，Alameda子系統的出現使得當今的預期生產(chǎn)力和效率更加可行。Alameda提供高性能模擬輸出和優(yōu)異的電源效率，適用于PLC和DCS內的IO模塊；解決了相關(guān)的噪聲問(wèn)題，并加快工業(yè)系統設計。如開(kāi)篇所述，Alameda將對整個(gè)工廠(chǎng)的運營(yíng)產(chǎn)生積極影響。 參考 1. 新一代制造生產(chǎn)在德國稱(chēng)為工業(yè)4.0，在其它地方則稱(chēng)為智能制造系統。請參見(jiàn)：Securing the future of German manufacturing industry, Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0, Final report of the Industrie 4.0 Working Group,Industry 4.0 Working Group, Acatech National Academy of Science and Engineering, April 2013, http://www.acatech.de/fileadmin/ ... _4.0_accessible.pdf。下文中統稱(chēng)為工業(yè)4.0。盡管工業(yè)4.0報告針對的是德國，但德國研究和調查的意義被其它國家的工業(yè)領(lǐng)域廣泛認可。請參見(jiàn)：Ferber, Stefan, “Industry 4.0 – Germany takes the first steps toward the next industrial revolution,” Bosch Software Group, Blogging theInternet of Things, October 16, 2013, http://blog.bosch-si.com/industr ... ustrial-revolution/。 關(guān)于智能制造前沿的資源有很多，在以下網(wǎng)址可查閱主題和事項匯總報告：Smart Manufacturing Leadership Coalition Committee Working Meeting, Minneapolis, MN, U.S., Thursday, October 20, 2011, https://smart-process-manufactur ... LC%2010-20-11v3.pdf。也可參見(jiàn)：Implementing 21st Century Smart Manufacturing, Workshop Summary Report, Smart Manufacturing Leadership Coalition, June 24, 2011, https://smart-process-manufactur ... uring%206_24_11.pdf。利用網(wǎng)絡(luò )搜索引擎，很容易找到大量的參考資料。 2. Implementing 21st Century Smart Manufacturing, Workshop Summary Report, op. cit., pg. 11. 3. Industrie 4.0, pg. 62 says, “Together with the private sector, it [manufacturing industry] is also the principal consumer of primary energy and electricity…Consequently, industry is undertaking major efforts to reduce its consumption of energy and resources or find alternative sources.” |
