- 为何PLC能在工业应用领域屹立不摇？

有了这样的想法，在打开Micro850时就会产生认知上的一种失落，因为我们看到在工业PLC这种环境要求最严、电气I/O应用寿命很长的应用中，居然只有光耦作为唯一的隔离机制。

具体来说，直流输入端是用6个安华高(Avago)的10MBaud(高速)HCPL-063L双通道光耦，和4个比特率在10KBaud至100KBaud之间的东芝(Toshiba)标准低速TLP280-4四通道光耦进行隔离的。直流输出端则采用了4个安华高HCPL-M456单通道(高速)光耦和4个东芝TLP281单通道及3个东芝TLP281-4(标准)四通道光耦进行隔离。

为了理解为何Rockwell Automation选择光耦作为其PLC的输入输出隔离组件，理解应用要求以及光耦特性是很有帮助的。

对于新手来说，电压瞬时变化和突波在工业环境中是一个普遍的问题。一般来源包括传感器和马达启动器等现场设备。这些讯号可能是突然的、快速的，并且具有足够高的强度损坏驱动电路、控制逻辑甚至伤害到操作人员，因此这是一个非常重要的安全性问题(图3a)。

图3 在工业应用中，要求采取隔离措施阻隔可能危及逻辑电路或操作人员的瞬态电压(a)，并消除可能导致讯号错误的共模瞬态讯号(b)。

另外在PLC中，不同电路之间使用的不同隔离接地可能产生共模问题(图3b)。这更像是讯号完整性问题而不是安全性问题，因为结果是不可靠的讯号或变差的噪声抑制性能。引起电路问题的另外两个来源是接地回路和电路工作在不同电压值时的情形(图4)。

图4 当设计良好时，隔离可以用来避免系统中不同接地点之间的电位差引起的接地回路。

在接地回路中，电气系统共享路径的两个点之间会有多余的电流，但每个点的接地电位水平之阻抗有限且有所不同。当两个电路以危险的不同电压水平非常靠近地运作，高压安全性隔离是必需的，而且在使用电平转移导致电路在不同电压水平不一致时，也会需要高压安全性隔离。

为何选择光耦？
理由有许多。对于新手来说，它们可以提供真正的电流隔离，并且能在使用间隙为0.08mm的硅胶和聚酰亚胺带的LED和检测器之间实现很高的隔离度。

图5 光耦提供的电流隔离性能可以满足甚至超越诸如IEC 60747-5-5这样的法规要求。

在采取电流隔离措施后，电荷承载粒子就无法从一个电路移动到另一个，虽然讯号信息仍可以通过其他方式在电路之间进行交换，比如光学、电感耦合或电容耦合。

身为设计工程师，需要关注安全隔离标准一致性问题。IEC 60747-5-5是针对工业应用中光学隔离的组件级安全标准，与设备安全标准是不同的。许多技术将「满足」基本标准要求，但光耦可以超过这些标准，为特殊情形提供一些有价值的空间。

注意，IEC 60747-5-5是需要强制性隔离认证的光耦的实际工业标准；如果单层隔离和双层隔离具有相同的绝缘属性，这就被称为增强型隔离。虽然Micro850中的安华高组件，可满足2.5k~3.75kV的额定耐压，但光耦可以做得更好，其耐压可达7.5kV。

尽管被怀疑随着时间的推移具有不可接受的性能劣化，如前所述，但光耦实际上已被证明具有很长的寿命，在30年内性能的劣化几乎察觉不到(图6)。

图6 制作优良、具备光学IC输出的光耦具有30年以上的使用寿命，使得传说其性能会随时间劣化的流言不攻自破。

这种担心对于较早以前生产或是相对较廉价的光电晶体管可能成立，但不适用于提供光学IC输出的高性能光耦。安华高已经在许多场合或透过技术论文，展示了在加速条件下LED的可靠性应力数据，呈现被期望的LED寿命性能。

图7a Micro850数字I/O电路板上使用的HCPL-063L光耦技术的输入隔离特性，并与较新版本的ACPL-064L进行了比较，结果表明前者具有低得多的驱动电流和功耗。

图7b Micro850中使用的HCPL-M456光耦的输出隔离特性，并与较新版本的ACPL-M483组件做了比较，结果表明前者具有更小的LED驱动电流、更快的传播速度和改进的共模抑制性能(CMR)。