現(xiàn)今的可程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)涉及兩個爭議，其主題恰好分處控制系統(tǒng)范疇對立的兩端：一是對數(shù)字I/O隔離和保護(hù)適用之理想技術(shù)的爭議；另一個爭議則處于更高的架構(gòu)層級—是以PLC為基礎(chǔ)的控制比較好？還是基于PC/嵌入式計算機(jī)的控制比較優(yōu)？

有鑒于工廠、工業(yè)和制造自動化的重要性越來越高，我們終于找到機(jī)會拆解了一款流行的PLC —Allen-Bradley Micro850，探究其設(shè)計中做出的一些選擇，希望能以此闡明其核心I/O隔離選項以及該知名PLC設(shè)計所采用的一些零組件。

PLC擁有悠久的歷史，早在1971年推出當(dāng)時被叫做「可程控器(programmable controller)」的產(chǎn)品時，Allen-Bradley就自創(chuàng)了「PLC」這個名詞；后來Allen-Bradley被Rockwell Automation公司收購，PLC這個名詞很快就像是個人計算機(jī)的縮寫「PC」一樣確立了地位(有關(guān)PLC起源及演變的更多背景，可參考Segovin和Theorin編著的《PLC和DCS發(fā)展史》)。

任何一個剛開始學(xué)習(xí)梯形邏輯的人都能證明，PLC在當(dāng)時是解決某個老問題的簡潔方案：讓控制系統(tǒng)可重新配置，無須人工重新布線或重新連接硬件。這種可程序化基礎(chǔ)使之很快與進(jìn)入工廠生產(chǎn)線，并與PC和后來的嵌入式計算機(jī)直接競爭。

對于工業(yè)控制和自動化領(lǐng)域來說，這些基于Windows的PC機(jī)和嵌入式計算機(jī)可以提供更強(qiáng)大的處理能力、更高的程序設(shè)計靈活性、更好的生態(tài)系統(tǒng)支持和更低的成本。

在此同時，PLC具備其核心優(yōu)勢 —堅固、簡易、可靠、耐用和「可信任」；在當(dāng)機(jī)時可能導(dǎo)致數(shù)千到數(shù)百萬美元損失的應(yīng)用情況下，可信任度是一個非常關(guān)鍵的因素，控制工程師和技術(shù)人員了解到他們可以依賴PLC，并因此能在發(fā)生錯誤時簡單快速地排除故障。

雖然PC可能已經(jīng)占領(lǐng)工廠生產(chǎn)線，PLC也沒有停止發(fā)展。在1990年代和21世紀(jì)初，PC似乎贏得了戰(zhàn)爭，但PLC也在變得越來越強(qiáng)大，并采用更標(biāo)準(zhǔn)化的操作系統(tǒng)和程序設(shè)計語言與方法，比如C語言，同時也變得越來越開放。

我們所拆解的Micro850就是此類案例，它采用的簡單機(jī)械整合軟件平臺(Connected Components Workbench，CCW)，是以經(jīng)驗證的Rockwell Automation微軟(Microsoft)Visual Studio技術(shù)為基礎(chǔ)。這種CCW軟件采用可視化接口，透過用戶自定義的功能模塊、卷標(biāo)配置和屏幕設(shè)計來降低成本并縮短開發(fā)時間。

具體來說，我們拆解的是Micro8502080-LC5048QBB，一款28V至24V直流/交流輸入、20~24V直流源輸出的控制器，從不同供貨商的報價來看大概在500美元左右(如圖1)。（圖1 Allen-BradleyMicro850PLC價格約500美元，是高度堅固、可配置、隔離性和易用性等方面的標(biāo)竿，盡管有PC/嵌入式運算設(shè)備的競爭，仍在工業(yè)自動化領(lǐng)域保持強(qiáng)勢地位。）

這種基本48點控制器提供100kHz的高速計數(shù)器(HSC)輸入、透過USB編程接口實現(xiàn)的嵌入式通訊、1個非隔離型串行端口(用于RS-232和RS-485通訊)和1個以太網(wǎng)絡(luò)端口。Micro850還透過支持多達(dá)3個具備脈沖序列輸出(PTO)的軸提供嵌入式運動控制功能，并能透過以太網(wǎng)絡(luò)/IP網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通訊。

與大多數(shù)PLC一樣，Micro850的設(shè)計是可獨立運作，但也能方便地針對客制化應(yīng)用進(jìn)行配置，利用其對最多5個Micro800插件模塊、最多4個Micro850擴(kuò)展I/O模塊的支持提供更多的I/O，并能配置到最多132個I/O節(jié)點。Micro850的工作溫度范圍是-20~+65℃(-4~+149℉)，其靈活性、通訊和I/O功能支持廣泛應(yīng)用，包括：輸送帶、切割、材料加工、分類機(jī)、包裝、熱收縮膜設(shè)備、太陽能板定位機(jī)、及垂直成形/填充/封口機(jī)等等。

打開Micro850就可以看到主要的數(shù)字I/O電路板，這是討論優(yōu)化輸入和輸出訊號隔離技術(shù)的一個很好的起點(圖 2)。輸入端連接到現(xiàn)場組件，如近接、壓力和溫度傳感器或按鈕，輸出則連接到指示燈、馬達(dá)啟動器和電磁閥等設(shè)備。

這些現(xiàn)場設(shè)備一般工作在電氣噪聲很大的環(huán)境中，容易受到瞬時高壓浪涌、串?dāng)_、干擾和電源突波(power glitches)的影響，因此要求采取隔離措施來維持現(xiàn)場設(shè)備和I/O模塊控制器之間的有效通訊，防止出現(xiàn)損壞。

許多年來，光耦(Optocoupler)一直是主流的隔離技術(shù)，雖然最近來自Silicon Labs、TI和亞德諾(ADI)等公司的數(shù)字隔離器逐漸被升格為便宜、靈活且小尺寸的替代品。其它更傳統(tǒng)的小型替代品包括電磁性和電容性隔離。選用數(shù)字隔離器和其他種類隔離器的理由是，隨著時間的推移，由于LED效率下降，光耦可能變得不可靠，進(jìn)而導(dǎo)致其輸出不穩(wěn)定。