智能测量放大器对比PLC控制器

通过与PLC控制器进行比较，了解现代测量放大器的技术可能性。测量技术将走向何方？关键点和潜在障碍是什么？如果想取得长期成功，有哪些是需要特别注意的？

新理念不可或缺

过去，测试台或生产系统组件之间的交互只能通过复杂的传输通道和接口转换器实现。为了提高这些日益复杂系统的效率，近年来不断向模块化组件和标准接口转变。产品开发人员和生产人员正在寻找灵活的系统，这些系统仅需对新员工进行简单的培训，并且易于集成到新技术中。自动化生产和产品开发任务之间有一些基本的区别。产品开发需要高采样率、精确的数据采集，但自动化应用更需要的是实时数据，以保持序列和机器处于最佳工作状况。对于后者，实际测量数据意义不大，诊断数据具有更高的优先级。
在机电系统中，这些曾经截然不同的概念已经结合到了一起。因此，理想组件的要求是足够灵活，可以在生产和测试环境中使用。

现代组件正在将以前只有智能手机和平板电脑才具有的增强用户体验引入测量技术领域

PLC 的作用是什么？

可编程逻辑控制器（PLC）是一种对机器或系统进行控制或调整，并可进行数字编程的设备。在最简单的情况下，PLC带有输入、输出、操作系统（固件）和连接到用户程序的接口。用户程序根据输入确定如何切换输出。PLC具有很高的确定性，其周期时间定义为精确的毫秒级，在毫秒内处理机器的应用程序和控制序列。但 PLC 对序列的更改总是需要一名专家来调整或修改并验证操作程序。这需要对程序员进行长期而彻底的培训。

传感器和致动器用于将PLC连接到机器或工厂，此外，还带有状态显示。传感器连接到PLC的输入，并传达机器或工厂中发生的情况。传感器包括按钮、挡光板、增量编码器、限位开关或温度传感器、液位传感器等。致动器连接到PLC的输出，并提供控制机器或设备的可能性。致动器包括用于打开电机的接触开关、液压或压缩空气的电动阀，以及用于驱动控制的模块（运动控制、受控加速或减速的速度控制、步进电机控制）。

基于模块化的差异

1）模块化 PLC

对于模块化PLC，控制系统由单个组件组成，每个组件执行不同的任务。最基本的例子是由中央处理器和至少一个输入和一个输出组件组成的PLC。这些系统可以通过添加额外的模块来扩展，例如输入或输出。使用专用模块，例如串行端口，还可以集成气象站等组件。可以根据需要添加模拟输入信号处理、复杂控制模块和许多其他模块。

2）紧凑型PLC

紧凑型PLC不可扩展或只能在有限的范围内扩展，一般只需要更少的空间和投资。它们提供与模块化PLC相同的基本功能。

应用领域和PLC的限制

可编程逻辑控制器可将来自传感器和致动器的简单测量值以及数字信号进行组合。PLC按照先前确定的操作程序同步工作，从而控制机器和系统。 这些操作程序的创建和修改需要训练有素的专家，因为可编程逻辑控制器的调整和补充非常耗时，没有专门的编程专家是无法实现的。这同样适用于小型紧凑型控制器，如果没有必要的技术知识，这些控制器是不可能运行的。 

由于其预定的结构，PLC很快达到处理数据量的极限。因此，对于具有大数据量和测量信号精确曲线的测量和控制任务，PLC将无法胜任。 此外，从输入/输出模块测量的信号的准确性来说，PLC通常不足以对工厂中的信号和过程做出准确的决定。生产或测试过程的效率降低是不可避免的。因此，PLC必须被视为一个独立的系统。它通过相应的接口“连接到外部世界”的可用性有限。然而，全连通性是数字化和物联网的基本要求，除了控制系统外，还需要基于云的存储、评估和可视化，以实现预期的生产力的飞跃。

模块化PLC

运营技术（OT）和信息技术（IT）正在融合

测试和控制软件也有类似的情况。必须使用合适的软件保存和分析测试现场的测量数据。由于涉及大量数据，该软件基于PC，并通过以太网接口传输到测量计算机。在下一步中，评估软件将控制技术结合，并用于生产环境。此外，生产环境中的机电系统通常需要高度实时行为，以确保所有组件之间的顺利交互而不出现任何错误。 
我们为产品开发和生产本身提供广泛的传感器和测量采集系统。通常，现有基础设施无法跟上现代、高度动态生产线的要求和数据量。 成功使用此类测量系统的重要标准包括实时数据传输和高存储容量。对于不同的员工和操作员来说，测量设置的简单化及测量数据的可视化也很重要。

现代测量链：从传感器到仪表再到输出
1）作为测量数据采集器的仪器和工业放大器测量数据以20 kHz的采样率准确采集且无噪声。TEDS传感器识别简化了放大器配置和测量模式。它不仅可以自动识别连接的传感器并调整测量和功能范围来实现快速配置。此外，测量值状态还可用于通道诊断，并用于现场选择性访问或在出现问题时进行远程控制。
2）具有内部计算功能的工业放大器（智能功能）为了以稳定的方式运行自动化系统，传输通道不得“堵塞”。因此，应尽可能多地预处理测量数据。一般通过分散方式实现这一点，因此组件必须具有内部计算通道。实时执行监控功能。然后在内部对信号进行进一步处理，并通过模拟输出或基于以太网的现场总线输出到自动化系统。这不会使机器和系统控制器过载，因此可以实现较短、快速的控制周期。 集成智能功能（例如，智能计算通道）的工业放大器对于机器制造商来说是经济的，因为它们不需要编写大量代码的内部软件开发人员。任何机电工程师都可以直观地操作这些智能功能。

通过新的通讯方式进行直观操作

用户和工厂运营商每天都可从智能设备中获益。现代自动化组件现在正在为测量技术带来同样的增强用户体验。除了熟悉的软件和处理外，标准化的界面还可以通过任何支持互联网的终端设备方便地访问，进行参数配置、操作和分析。其结果是：为用户带来极高的投资安全性。

通过边缘控制器联网

当现代测量技术被用作边缘设备时，通过工业4.0向机器制造商开放。输入/输出模块允许通过模拟和数字方式对额外信号进行采样，从而实现预测性维护和其他功能。 

边缘控制器支持各种通信协议（SMB、OPC UA、TSN、MQTT），通过这些协议，所有必要的单元可以水平和垂直连接，以形成智能工厂。云连接可以以同样的方式实现，如果可以通过所有系统接口访问组件而不产生任何影响，那么任何未来协议的集成都不会成为障碍。

需要新的接口

需要一种新的数据格式来有效地将计划和诊断数据传输到云端。OPC-UA就是这样一种数据格式。其前身OPC是标准化的，并被定义为全球标准。OPC统一架构（OPC UA）是一种工业M2M通信协议。 

作为OPC的最新规范，OPC UA与其前身有很大不同，尤其是它不仅能够移动机器数据（控制变量、测量值和参数等），而且还可以以机器可读的形式对其进行语义描述。该技术基于以太网，具有巨大的经济潜力和投资安全性。采集的数据也通过以太网传输，但不采用现场总线系统中使用的快周期。

基于计量的自动化组件的应用领域和限制

工业放大器，如HBM的ClipX和PMX，即使在部分负载范围内也能提供高测量精度和高测量速率。但请注意，只有当由传感器和放大器组成的整个测量链满足必要的要求时，才可能做出定性声明。为此，所有使用的测量硬件必须具有适当的测量和信号质量。

传统的可编程逻辑控制器（PLC）无法提供所需的质量。这只能通过测量放大器来实现，例如ClipX或PMX，其具有高信号分辨率（24位）。为此，建议使用载频（TF）测量方法，然后才将其放大。这消除了与系统相关的干扰，如电源嗡嗡声和热电电压。值得注意的是，所有测量通道均以19200 Hz的采样率并行采集。 

随着新的网络和通信技术在智能测量放大器中的实施，过程变得更加精简和透明。生产和测试台控制变得更容易，因为它们可以在很大程度上实现自动化和远程控制。不再需要密集部署工作人员和员工培训。设备报告其自身的健康和状况，以便于优化维护。 

PMX测量放大器系统具有极高的灵活性，因为根据IEC61131，它本身就是一个集成CODESYS软PLC的控制系统。同时，它可以将其测量和评估数据传输并存储到计算机或云中。这会自动将PMX转变为自动化和数据采集系统。 

ClipX和PMX测量系统也可以选择性地配备Profinet、EtherCAT或以太网/IP现场总线类型，以将其连接到生产系统。传感器和致动器也可以连接到这些系统。通过附加诊断监测连接，因此可以实时发出故障信号。此外，测量数据可以实时预处理。这意味着工厂的许多系统负载已经在ClipX或PMX放大器中处理，PLC负载被释放。 

当工厂数据可以集中存储和使用时，出现了重大的新应用可能性。正如我们已经熟悉的云解决方案，如谷歌地图，这现在正在转移到制造业。一方面，可以具体满足特殊要求。另一方面，故障被检测、及时发出信号。生产变得更高效、更具成本效益，并且在很大程度上实现了自动化。不需要手动操作，并可以根据需要提供控制服务。