由于PLC又常見又可靠,在工業(yè)自動化領(lǐng)域中不可或缺,所以現(xiàn)在無論是IT還是OT的人對PLC都充滿好奇,為何它能這么“?!保诤芏鄨龊隙紵o可替代?
為了揭開PLC的神秘面紗,小編特意拿今年剛剛發(fā)布的施耐德電氣ModiconM262來做一個內(nèi)部拆解,看看這個代表最先進技術(shù)的PLC究竟有哪些特殊的設(shè)計,為何既能做到性能優(yōu)異又能做得超級穩(wěn)定可靠的?
先來說一下ModiconM262這個PLC
說到PLC,可能有人會問這是誰發(fā)明的。其實,PLC就是這個Modicon(莫迪康)公司在50多年前發(fā)明的,后來Modicon被施耐德電氣收購,成為施耐德電氣的PLC品牌。ModiconM262是施耐德電氣繼M580、M340、M241等大中小型PLC之后發(fā)布的一款集邏輯控制和運動控制于一體的PLC,不但性能優(yōu)異,而且還具有直接上云等物聯(lián)網(wǎng)的功能,可謂是當前新一代PLC的代表之作。所以看看這樣的一個PLC的內(nèi)部設(shè)計也更能讓你對PLC有最新的認識。
這就是這次要解剖的施耐德電氣最新PLC——ModiconM262,和Iphone手機大小類似,兼具邏輯控制和運動控制功能,還具有直接上云等物聯(lián)網(wǎng)特性。
再來了解一下PLC的基本組成
在正式開始解剖之前,先來回顧一下PLC的基本組成。通常PLC由CPU、電源、輸入電路、輸出電路、存儲器和通信接口電路等六大部分組成,原理圖如下所示:
簡單理解,PLC就像一臺小型的電腦,CPU負責處理數(shù)據(jù),包括邏輯的運算、計時、計數(shù)、算數(shù)運算和傳送、通信聯(lián)網(wǎng),對編制的程序進行編譯、執(zhí)行命令,把結(jié)果傳送到輸出端。PLC的內(nèi)存(存儲器)包括兩部分,一個是存放系統(tǒng)程序的ROM,這個只讀存儲器里的內(nèi)容PLC出廠前已將其固化,用戶不能更改,另一個是存放用戶程序和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的可讀寫RAM存儲器。
然后還有輸入輸出單元以及I/O擴展接口,這些是負責和外部設(shè)備連接的。最后還有一個電源模塊,將外部的輸入電源經(jīng)過處理后,轉(zhuǎn)化成PLC的CPU、存儲器、輸入輸出接口等內(nèi)部電路工作所需要的直流電源,例如24V。
下面,重點來了, PLC內(nèi)部究竟有哪些設(shè)計,使得它自誕生之日起就受到控制工程師的青睞呢?
相比其他控制設(shè)備,PLC最大的特點是即堅固、簡單、可靠、耐用,所以PLC在處理器和內(nèi)存的選用、PCB板電路排布、電源單元和通信回路設(shè)計、以及結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面都要遵從這些特點。可以說,一個PLC是否能夠長期穩(wěn)定可靠的運行就決定了其品質(zhì)的好壞。所以,我們主要來看PLC的可靠性方面是怎么設(shè)計的。
首先,我們把M262翻過來,可以看到底部有4個螺釘,不過是內(nèi)六角的,常見的一字和十字螺絲刀無法擰開,這也可以避免一些人隨意打開PLC。我們用專門的內(nèi)六角螺絲刀輕松擰開了4個螺釘。
不過,雖然4個螺釘都擰下來了,但M262的底蓋和上蓋之間仍然用一圈卡扣緊緊固定在一起。只能用一字螺絲刀一個個頂進去然后用力掰開底蓋。
一圈的卡扣都一一松開后,就順利分開底蓋和上蓋了。
打開后蓋后,就可以看到M262的主板背面了,采用的綠色的PCB板,做工精良,顏色均勻,表面光滑、平整,沒有任何氣味。密密麻麻的焊點布置整齊,而且做過專門的固定處理,不像普通商業(yè)電腦主板那樣都有毛刺,摸上去一點也不剌手。特別值得一提的是,上蓋內(nèi)側(cè)附有一個不銹鋼薄板,其上有2個卡扣供軌道安裝時使用,這一整張不銹鋼板不僅可以防止灰塵等進入PLC,而且可以很好的屏蔽EMI電磁干擾,這一點對PLC穩(wěn)定性來說十分重要,一會打開上蓋會看到同樣的設(shè)計。
打開底蓋后,就可以直接取下上蓋了。取下之后,可以看到PLC上面和兩個側(cè)面都同樣用一塊薄鋼板包著,這樣,除了用于散熱的兩個側(cè)面外,PLC的4個面都有屏蔽EMI設(shè)計了。
下面把M262上面的屏蔽鋼板拆下來,這塊鋼板是通過編碼器接口邊上的兩個外六角螺柱和中間兩側(cè)的兩個內(nèi)六角螺釘固定的,需要用外六角螺絲刀或者尖嘴鉗來擰開。擰開這4個螺釘后,就可以取下屏蔽罩,M262的廬山真面目就全暴露在我們的眼前了。
我們可以看到,整個M262設(shè)計的十分緊湊、規(guī)整。采用了模塊化結(jié)構(gòu),易于實現(xiàn)分布式的配置,共由一塊主板和4塊立式擴展板組成,5塊板通過一個金屬框架固定,結(jié)構(gòu)堅固,抗震動沖擊性能很強。4塊擴展板依次為網(wǎng)絡(luò)通信模塊、輸入和SD存儲卡模塊、電源模塊和輸入模塊。
我們可以直接從底部拔出M262的主板。主板上可以看到一個碩大的鋁制散熱片,下面是這個PLC的CPU,在PLC中當然絕不會使用風扇來散熱的。板子四周都有沉金,既能加強了板子的平整度,而且也保證了板子良好的接地。板子的厚度達到了2mm,剛度非常好,雙手使勁掰也沒有絲毫變形。
這是M262的輸入輸出模塊電路板,有I/O輸入輸出,編碼器接口以及擴展接口,整個板子和主板一樣,設(shè)計的十分規(guī)整,做工考究。
這是電源模塊。支持24V直流供電,同時帶一個常開的看門狗信號。在這塊板上最明顯的是有2個大電容,而且用了多塊發(fā)泡膠進行了抗震加固。這是用來做電源濾波的鋁電解電容,規(guī)格是35V、1500μf。
這是停止開關(guān)和SD卡、miniUSB接口模塊。在這里最明顯的是有一個藍色的超級電容(supercapacitor),這是在PLC突然斷電的時候給PLC繼續(xù)供電以保持數(shù)據(jù)不會丟失和維持時鐘用的。以前往往是用電池來作為備用電源的,現(xiàn)在用超級電容更穩(wěn)健可靠。
這是通信網(wǎng)絡(luò)的電路板,共有3個以太網(wǎng)口,其中最右邊的同時支持Sercos實時運動控制總線。在右小角還有一個黑色的PULSE公司HX5008千兆工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)濾波器,在其背面是一個千兆網(wǎng)絡(luò)擴展口。
最后進行一下總結(jié)
從這次施耐德電氣的ModiconM262內(nèi)部解剖來看,PLC作為工業(yè)自動化領(lǐng)域重要的控制設(shè)備,無論是內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路板材的做工,還是電子器件的選用都遵循了控制器穩(wěn)定性和可靠性作為第一重要的原則。再加上PLC可重復編程、免去人工重新布線或重新連接硬件的特性,使得PLC從誕生伊始就成為了離散控制的首選。
當然,回到這次拆解的ModiconM262控制器本身,無論是做工還是CPU、存儲器等部件的選用都是十分高端和領(lǐng)先的,高性能處理器、大內(nèi)存、高帶寬通信網(wǎng)絡(luò)、低功耗,這都代表著當前PLC的發(fā)展趨勢。