PLC中的硬件模塊與趨勢

電子發燒友網報道（文/李寧遠）PLC，可編程邏輯控制器，是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作電子系統?？偟膩碚f，PLC是由硬件，軟件和編譯器三部分組成，細分來看，其中涉及的內容很多。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編程界面、邏輯轉換、交叉編譯等。

當然PLC并不僅限于這些組成部分，產品的機械結構設計、散熱處理等部分對PLC也起著至關重要的影響。作為工業場景里重要的基礎設備，通過數字式或模擬式的輸入輸出，PLC控制各種類型的機械設備或生產過程。

PLC硬件結構——I/O模塊

PLC一般都是通過背板通訊的方式從輸入模塊獲取現場的信號，經過用戶程序運算后將需要輸出的結果通過背板總線發送給輸出模塊，從而驅動執行機構做出相應的動作。上面說到，PLC硬件結構上主要有I/O模塊、CPU模塊、端子板、背板、通訊模塊、電源。24V電源用于給系統進行供電， CPU模塊用于用戶程序的運算，針對一些有高可靠性要求的現場， PLC 可能會需要用到冗余的CPU及電源。

以前的PLC系統里，I/O模塊一般被設計成CPU模塊下的子模塊，但是現在越來越多的PLC設備都I/O模塊獨立了出來。I/O 模塊用于獲取現場傳感器的信號以及控制執行機構，通信模塊適配器用于擴展本地或遠程I/O。

I/O模塊的診斷功能級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?；驹\斷功能和模塊診斷功能都是模塊級別的診斷，用于診斷模塊狀態和通道組態，通道診斷的級別最高，負責診斷通道組態和狀態。對PLC性能要求較高的場景需要I/O模塊對過采樣、PWM、集成計數等功能提供支持，這時候需要選擇帶高級別診斷功能的I/O模塊，如帶HF、HS的I/O模塊。

I/O模塊既連接現場各類傳感器執行器，也連接著PLC/適配器，通過一些常見的通訊協議將信息串聯起來，現在的PLC產品里I/O模塊已經將各種工業場景可能出現的信號都定義好了，各種數字量的輸入輸出、模擬量的輸入輸出以及各種傳感器的信號等。

PLC硬件結構——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其性能影響甚大。小型的PLC出于成本和功能的考量，單獨選擇MCU作為處理核心就可以，中大型的PLC往往會選擇MPU或者MCU加上FPGA。

MCU/MPU負責用戶程序的運算，FPGA則需要對所有外部總線設備進行譯碼，像EtherCAT、ProfiNet這些一般都使用并行總線接口，MCU/MPU可能并沒有那么多的片選信號提供，FPGA 可以比較靈活地提供更多的片選信號。

驅動高速總線、數據交互、通信模塊與CPU之間的交互也交給了FPGA，如果是冗余設計的CPU模塊，還需要同步邏輯。和運控算法相關的工作、高速UART的拓展、SPI的拓展也會交給FPGA去處理，FPGA還需要控制外部 ADC 進行同步采樣，并對數據進行簡單的處理。

小型PLC設備的處理器選擇就很多樣了，基本上做工業場景MCU的廠商都有相應的解決反方案，中大型PLC對處理器主頻、外設、控制能力的要求就比較高，尤其是運控能力。脈沖輸出和高速脈沖計數是兩個很重要的運控需求點，現在有些MCU的產品也能很好地實現大型PLC要求的運控能力，不過如果場景對精度非常嚴苛，更常見的做法還是用FPGA來實現，也更穩妥。

PLC趨勢

拋開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勢，但是工業場景仍然十分信任PLC，或者說用PLC的模式去進行操作。PLC在易用性和靈活性上在工業自動化場景更容易讓用戶接受。

在工業4.0的浪潮下，PLC也在朝著網聯化、智能化的方向發展，軟硬件功能綜合性能變得更全面，通信能力還在進一步增強。近幾年非?？匆囊稽c是新型PLC在選型過程中已經十分看重通信安全和功能安全，對硬件加密單元的要求開始涌現，廠商會更傾向于選擇有加密模塊的硬件和有安全規范的協議，隨著技術的進一步發展，PLC硬件功能安全和通信安全愈發重要。