引言

增強(qiáng)生產(chǎn)力和效率——這些都是現(xiàn)在的所謂工業(yè)4.0或智能制造（SM）的焦點(diǎn)1。工廠被鼓勵(lì)“將工廠運(yùn)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(rèn)為，這是滿足全球不斷增長(zhǎng)的需求的唯一途徑3。規(guī)劃工業(yè)4.0的目的是“連續(xù)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。”所以，許多文獻(xiàn)和報(bào)告一致贊成如下主題：21世紀(jì)的制造工廠必須優(yōu)化系統(tǒng)生產(chǎn)力和效率，以20世紀(jì)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(xiàn)代自動(dòng)化工廠大都通過(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(tǒng)（DCS），已成為現(xiàn)代工廠中無(wú)處不在的眾多神經(jīng)系統(tǒng)的中樞控制。我們將工廠中廣泛分布并受控于相同PLC和DCS的每個(gè)模塊、子系統(tǒng)或元件稱為“神經(jīng)系統(tǒng)”。您任何時(shí)候提高這些子系統(tǒng)的生產(chǎn)力和效率時(shí)，都將對(duì)整個(gè)工廠的運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生積極影響。

本文介紹如何使PLC的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)達(dá)到更高的效率和生產(chǎn)力，也討論了預(yù)期——滿足將來(lái)不斷增長(zhǎng)的生產(chǎn)需要的系統(tǒng)的預(yù)期。本文介紹一款優(yōu)異的子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)Alameda，該參考設(shè)計(jì)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)化工廠將立即看到其PLC系統(tǒng)生產(chǎn)力的大飛躍，提前滿足將來(lái)SM工廠的效率要求。

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(tǒng)專注于模擬性能；更高的效率和系統(tǒng)生產(chǎn)力往往被忽略。如果某個(gè)設(shè)計(jì)者試圖通過(guò)集成電源來(lái)提高系統(tǒng)效率，則仍然需要解決系統(tǒng)噪聲問(wèn)題。

現(xiàn)在，有一種途徑既可實(shí)現(xiàn)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(tǒng)參考設(shè)計(jì)（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(cè)和過(guò)熱保護(hù)。完備的硬件和固件設(shè)計(jì)文件以及實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)，能夠幫助快速設(shè)計(jì)原型及開(kāi)發(fā)。

圖1. Alameda子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖

元件數(shù)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(shù)量。我們首先了解一下硬件（圖2）。

圖2. Alameda參考設(shè)計(jì)電路板（MAXREFDES24#）。

MAX5134四通道、16位、帶緩沖電壓輸出、高線性度DAC是該系統(tǒng)的核心。器件具有4路通道、極低死區(qū)（最大0.02V）、滿擺幅輸出，所以無(wú)需DAC負(fù)電源。器件提供電壓輸出，驅(qū)動(dòng)四片MAX15500信號(hào)調(diào)理器的輸入。同時(shí)也要注意，DAC輸出直接驅(qū)動(dòng)調(diào)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(diào)理器，專為滿足PLC及DCS要求而開(kāi)發(fā)。信號(hào)調(diào)理器工作在±24V電源范圍，產(chǎn)生用戶可編程、單極性和雙極性、高精度電流或電壓輸出。電流輸出驅(qū)動(dòng)高達(dá)1kΩ負(fù)載，電壓輸出驅(qū)動(dòng)低至1kΩ的負(fù)載。MAX15500具有過(guò)流和短路保護(hù)，也監(jiān)測(cè)過(guò)熱和掉電情況，并提供全面的錯(cuò)誤報(bào)告。

MAX6126超高精度電壓基準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)模擬輸出調(diào)理器和DAC的基準(zhǔn)輸入，初始精度為0.02%，最大溫度系數(shù)（tempco）為3ppm/℃。

對(duì)于數(shù)據(jù)隔離，MAX14850對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)和系統(tǒng)控制器側(cè)的數(shù)據(jù)通信進(jìn)行隔離。合成的電源和數(shù)據(jù)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(qū)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）線性穩(wěn)壓器將+8V輸出調(diào)節(jié)至+5V低噪聲輸出。整個(gè)系統(tǒng)只需要24V輸入作為電源。

針對(duì)LX9和ZedBoard平臺(tái)開(kāi)發(fā)

Alameda設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)LX9和ZedBoard平臺(tái)驗(yàn)證。Alameda具有簡(jiǎn)單板載Pmod兼容連接器，可連接至Pmod兼容的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）/微控制器開(kāi)發(fā)板。目前提供這兩種平臺(tái)的項(xiàng)目文件、器件驅(qū)動(dòng)器以及示例代碼。可通過(guò)以下網(wǎng)址下載完整的源代碼和文件：。

性能測(cè)量

微分非線性（DNL）、積分非線性（INL）和總計(jì)不調(diào)整誤差（TUE）是PLC及其它過(guò)程控制系統(tǒng)的最重要技術(shù)指標(biāo)。MAX15500高度靈活、可配置，滿足不同應(yīng)用的需求。數(shù)據(jù)在+25℃下獲得。下圖中，由于編碼0至320在MAX5134的死區(qū)范圍（0至0.02V），所以前320個(gè)DAC編碼的DNL、INL和TUE標(biāo)為0。

-10V至+10V電壓輸出模式、20%過(guò)量程下的DNL、INL和TUE測(cè)量結(jié)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(cè)量數(shù)據(jù)可參見(jiàn)以下網(wǎng)址：。

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(jié)論

工業(yè)4.0和智能制造倡導(dǎo)全新的第四代工業(yè)制造，這些概念代表現(xiàn)代化工廠提高生產(chǎn)力和效率的一個(gè)全新的21世紀(jì)?，F(xiàn)在，Alameda子系統(tǒng)的出現(xiàn)使得當(dāng)今的預(yù)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(nèi)的IO模塊；解決了相關(guān)的噪聲問(wèn)題，并加快工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如開(kāi)篇所述，Alameda將對(duì)整個(gè)工廠的運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生積極影響。