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ADI:PLC 评价板简化工业进程控制系统规划

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 引言工业过程控制系统应用多种多样,范围覆盖从简

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导言

工业进程操控体系运用多种多样,规模掩盖从简略的流量操控到杂乱的电网,从环境操控体系到炼油厂进程操控。这些自动化体系的智能性依赖于它们的丈量和操控单元。 可编程逻辑操控器1 (PLCs) 和 分布式操控体系2 (DCS’s)是用于操控机器和进程、处理各式各样模仿和数字输入及输出的两个最常见核算机体系,这些体系包含电源、中心处理单元(C P U),以及多种模仿输入、模仿输出、数字输入和数字输出模块。

规范通讯协议现已存在许多年了;模仿变量的规模首要为4m A至20m A、0V至5V、0V至10V、±5V和±10V。关于下一代体系无线解决计划的评论已有许多,可是规划人员依然以为4m A至20mA通讯和操控环路可持续运用多年。下一代体系的规范包含更高的功用、更小的尺度、更好的体系诊断、更高等级的维护,以及更低的本钱— —一切要素都将协助制造商完结差异于其竞争对手的差异化设备产品。

咱们将评论进程操控体系的要害功用要求,以及所包含的模仿输入/输出模块,还将介绍一个进程操控评价体系,该体系选用最新集成电路技能将这些构件整合在一起。咱们还着眼于应对鲁棒体系的规划应战,这类体系将能饱尝工业环境下的电快速瞬变脉冲群(EFT)、静电放电(ESD)和浪涌电压搅扰,并供给查验规划鲁棒性的测验数据。

PLC概览和运用实例

图1所示为一个根本进程操控体系构件。一个进程变量,例如流率或气体浓度,是经过输入模块进行监控的。这些信息由中心操控单元处理;输出模块则采纳一些举动,如驱动一个执行器。

Figure 1
图1. 典型的顶层PLC体系。

图2所示为这种类型的一个典型工业子体系。CO2气体传感器测定一个受维护区域的气体堆集浓度,并将此信息传送给一个中心操控点。该操控单元包含一个模仿输入模块——用来调度来自传感器的4m A至20m A信号,一个中心处理单元,以及一个模仿输出模块——用来操控必需的体系变量。电流环路可以处理大的电流负载——这些负载常常存在于一些工业体系中常见的数百米长的通讯途径上。表述气体浓度等级的传感器单元输出被转化为规范的4m A至20mA信号,经过电流环路传送。这个简化的比如所示的是一个独自的4m A至20m A传感器输出衔接到一个单通道输入模块,以及一个单一的0V至10V输出。在实践状况下,大多数模块都具有多个通道和可装备规模。

输入/输出模块的分辨率规模一般是12至16位,在工业温度规模上具有0.1%的精度。关于桥式传感器,输入规模可小至±10m V;关于执行器操控,可扩展至±10V;进程操控体系的输入规模为4m A至20m A电流。模仿输出电压和电流规模一般包含±5V、±10V、0V至5V、0V至10V、4mA至20mA和0mA至20mA。数模转化器(DAC)的安稳时刻要求从10μs到10ms不等,取决于详细运用和电路负载。

Figure 2
图2. 气体传感器。

4m A至20mA的规模用于表述正常的气体勘探规模,该规模之外的电流值可被用于供给毛病诊断信息,如表1所示。

表1. 4mA至20mA输出规模之外的电流分配。

电流输出 (mA)状况
0.0单元毛病
0.8单元预热
1.2零点漂移毛病
1.6校准毛病
2.0单元生成(跨接)
2.2单元凋谢
4 至 20惯例丈量形式
4.0零气体等级
5.6满量程的10%
8.0满量程的25%
12满量程的50%
16满量程的75%
20满量程
>20超量程

PLC评价体系

这儿描绘的 PLC评价体系3 集成了生成一个完好输入/输出规划所需的一切级,它包含4个彻底阻隔的ADC通道,1个带RS-232接口的ARM7微处理器,以及4个彻底阻隔的DAC输出通道。该评价板由一个直流电源供电。硬件可装备的输入量程包含0V至5V、0V至10V、±5V、±10V、4m A至20mA、0mA至20mA、±20mA和热电偶及RTD。软件可编程的输出量程包含0V至5V、0V至10V、±5V、±10V、4m A至20m A、0m A至20mA以及0mA至24mA。

Figure 3
图3. 模仿输入/输出模块。

输出模块:表2列出了PLC输出模块的一些要害技能规范。由于实在体系的精度有赖于丈量通道(A DC),所以操控机制(DAC)仅需求满意的分辨率去调节输出。关于高端体系而言,需求16位的分辨率,选用规范数模转化架构很简单满意这个要求。精度并非至关重要;一般来说,12位积分非线性差错(INL)关于高端体系现已满意。

经过超输出量程并调整抵达希望值,可以很简单完结25°C时0.05%的校准精度。现在的16位DAC,例 如AD5066,4 可供给25°C时0.05mV典型偏移差错,以及0.01%典型增益差错,在许多状况下无需校准。0.15%的总精度差错看起来很简单完结,但实践上在超温状况下这个目标是比较苛刻的。在工业温度规模上,30ppm/°C的输出漂移会添加0.18 %的差错。

表2. 输出模块技能规范。

体系规范要求
分辨率16 位
校准精度0.05%
总模块精度差错0.15%
断路检测需求
短路检测需求
短路维护需求
阻隔需求

输出模块可具有电流输出、电压输出,或许两者兼具。图4所示是一个选用分立器材完结4m A至20mA环路的经典解决计划。16位nanoDAC®数模转化器 AD5660 可供给0V至5V输出电压,该电压经过感应电阻RS设置电流,再经由R1。此电流经过R2完结镜像。

Equation 1

设定RS= 15 kΩ,R1= 3 kΩ,R2= 50 Ω运用5V DAC将取得IR2 = 20 mA(最大值)。

Figure 4
图4.分立电路完结4mA到20mA输出

这种分立规划计划有许多缺点:器材数量多,形成体系杂乱、大的电路板尺度以及本钱;总差错难以核算,多个器材导致差错度跟着不同极性系数而改动;这种规划不能供给短路检测/维护或许任何毛病诊断;不包含许多工业操控模块中必需的电压输出。添加任何这类特性都将会导致规划杂乱性和器材数量的添加,更好的解决计划是集成上述一切特性的单芯片IC,例如, AD5412/AD5422 这些低本钱、高精度的12位/16位数模转化器。根据这些器材的计划可以供给彻底集成的可编程电流源和可编程电压输出,专为满意工业进程操控运用需求而规划。

Figure 5
图5. AD5422可编程电压/电流输出。

输出电流规模可编程为:4m A至20 m A、0mA至20mA或许扩展的0mA至24mA。电压输出由独立的引脚供给,输出规模可以设置为:0V至5V、0V至10V、±5V或±10V,而且一切规模都答应扩展10%。模仿输出具有短路维护,在发作过错接线输出时,这是一个要害特性——例如,用户将输出衔接到地而非负载。A D5422也具有断路检测特性,可以监控电流输出通道,以保证在输出和负载之间没有毛病发作。在断路状况下,FAULT管脚将激活,向体系操控器报警。可编程电流/电压输出驱动器 AD5750 则兼具短路检测和维护特性。

图6所示为用于PLC评价体系的输出模块。前期的体系一般需求阻隔500V至1k V的电压,而如今一般需求阻隔高于2K V的电压。 ADuM1401 数字阻隔器选用 iCoupler®5 技能,为MCU和远端负载 之间,或 者输入/输出模块和背板之间供给必要的阻隔。A D u M1401的3个通道在一个方向上进行通讯,第4个通道在相反方向进行通讯,供给来自转化器的阻隔数据回读。关于更新的工业规划, ADuM3401 及该系列数字阻隔器的其它产品可以供给增强的体系级ESD维护。

Figure 6
图6. 输出模块级。

AD5422发作自己的逻辑电源(DVCC),它能被直接衔接到A D u M1401的现场侧,而无需带着逻辑电源经过阻隔势垒。A D5422包含一个内部感应电阻,可是当要求更低的漂移时,也可选用一个外部感应电阻(R1)。由于感应电阻操控输出电流,其电阻的任何漂移都将影响输出。内部感应电阻的典型温度系数是15p p m/°C至20ppm/°C,在60°C温度规模上会添加0.12 %的差错。在高功用体系运用中,一个外部感应电阻(2ppm/°C)能被用于坚持漂移小于0.016%。

A D5422内置 基准电压源(最大漂移10p p m/°C),这个基准电压源在PLC评价体系中的一切4个通道上均可被激活。另一个挑选计划是超低噪声XFET®基准电压源 ADR445 它具有0.04%的内部精度,温漂3ppm/°C,可用于两个输出通道,挑选内置或是外部基准电压取决于总的体系功用需求。

输入模块: 输入模块的技能规范与输出模块相似。一般,高分辨率和低噪声是很重要的。在工业运用中,当丈量来自热电偶、应变计以及桥式压力传感器的低水平信号时,一般需求差分输入信号,以按捺来自电机、沟通电力线,或其它的噪声源(这些噪声源将噪声引进模数转化器(ADC)模仿输入端)的共模搅扰信号。

关于输入模块而言,Σ-∆型ADC是最受欢迎的挑选,由于它们可以供给高精度及高分辨率。此外,其内置可编程增益扩大器(PGA)可以准确丈量小的输入信号。图7所示为用于评价体系的输入模块规划。3通道、24位Σ-∆模数转化器 AD7793 被装备为可供给较大规模的输入信号,例如4mA至20mA、±10V以及直接来自传感器的小信号输入。

Figure 7
图7. 输入模块规划。

这种遍及的输入规划很简单习惯RTD/热电偶模块 。如图所示,每个输入通道供给两个输入接线端子。一个输入端子直接连到A D7793。用户可以对内置PGA进行编程,以供给高达128的模仿增益。第二个输入端子使信号可以经过JFET输入外表扩大器 AD8220 被调度。这样,输入信号就被削弱、扩大,并经过电平转化,以供给单端输入信号给ADC。除了供给电平转化功用,A D8220还具有十分好的共模按捺特性,这在宽动态规模的运用中很重要。

低功耗、高功用的AD7793功耗小于500μA,而AD8220功耗小于750μA。这个通道被规划为可接受4m A至20mA、0V至5V以及0V至10V的模仿输入信号。输入模块的其它通道针对双极性作业方式规划,可接受±5V和±10V的输入信号。

为丈量一个4m A至20m A输入信号,一个低漂移精细电阻经过开关(S4)连入电路。在这个规划中,该电阻的阻值为250Ω,可是,只需发作的电压在A D8220的输入规模内,就可以用恣意电阻值。在丈量电压时,S4坚持断开状况。

大多数输入模块规划都需求阻隔。图7展现了在PLC评价体系的一个通道上怎么完结阻隔。4通道数字阻隔器 ADuM5401 选用 isoPower®6技能,可供给2.5k V的有效值(R MS)信号和功率阻隔。除了供给4个阻隔的信号通道,ADuM5401还包含1个阻隔的DC-DC转化器,可以供给一个安稳的5V、500mW输出信号,以驱动输入模块的模仿电路。

完好的体系: 图8所示为完好体系的概览。 ADuC7027 精细 模仿微操控器7  是首要的体系操控器。其内嵌A R M7TDMI内核,32位架构可轻松完结该器材与24位ADC的衔接 。它还支撑16位thumb形式,假如需求,可完结更高的代码密度 。A DuC7027带有16k B片上闪存,并可外接512k B存储器。高精度、低压降稳压器(LDO) ADP3339 可为微操控器供给稳压电源。

Figure 8
图8. 体系级规划。

评价板和PC之间的通讯经过 ADM3251E 供给,该器材与R S-232收发器阻隔。A D M3251E结合了isoPower技能,无需别的的阻隔式DC-DC转化器。它十分适于苛刻电力环境下的操作,或许需求频频插拔R S-232电缆的场合,由于R S-232的引脚,包含Rx和Tx,都需求防备±15kV的静电放电搅扰

评价体系软件和评价东西: 这套评价体系具有多种功用。与PC的通讯可经过 LabView8  完结。微操控器(ADuC7027)的固件用C言语编写,可以操控来往ADC和DAC通道的初级指令。

图9所示为主屏幕界面。左边的下拉菜单运用户可以挑选激活的ADC和DAC通道。在每一个ADC和DAC菜单下方是一个规模设置下拉菜单,用于挑选希望的输入和输出规模进行丈量和操控。它支撑的输入和输出规模包含:4mA至20mA、0mA至20mA、0mA至24mA、0V至5V、0V至10V、±5V和±10V。经过运用内置的PGA,ADC可直接供给小的信号输入规模。

Figure 9
图9. 评价软件主屏幕操控器。

图10所示的是ADC装备屏,用于设置ADC通道、更新速率和PGA增益;使能或制止鼓励电流;以及其它通用ADC设置。经过将相应的DAC输出通道衔接到ADC输入端,并调整每个规模,可以校准每个ADC通道。选用这种校准办法时,A D5422的偏移和增益差错指示每个通道的偏移和增益。假如这些不行准确,可选用超高精度电流和电压源进行校准。

Figure 10
图10. ADC装备屏幕。

在挑选ADC的输入通道、输入规模和更新速率之后,现在咱们运用ADC Stats屏幕,如图11所示,显现一些被丈量的数据。在这个屏幕上,用户挑选数据点的数目进行记载;软件生成所选通道的柱状图,核算峰-峰(P-P)和有效值(R MS)噪声并显现成果。在此处显现的丈量典范中,输入信号经过A D8220被衔接到A D7793:增益=1,更新速率=16.7H z,采样数=512,输入规模=±10V,输入电压=2.5V。峰-峰分辨率为18.2位。

Figure 11
图11. ADC计算屏幕。

在图12中,输入信号被 直接 衔接到AD7793,绕过AD8220。片上2.5V基准电压被直接连到AD7793的AIN+和AIN–通道,供给一个0V的差分信号给ADC。峰-峰分辨率是20.0位。假如ADC条件坚持相同,但2.5V的输入被衔接到AD8220,则峰-峰分辨率下降到18.9位,其原因有两个:在低增益时,A D8220带给体系一些噪声;供给输入衰减的可调电阻导致ADC呈现一些规模丢失。PLC评价体系答运用户改动可调电阻以优化ADC的满量程规模。

Figure 12
图12. AD7793功用。

电源输入维护: PLC评价体系选用针对电磁兼容(EMC)的最佳实践。一个稳压直流电源(18V至36V)经过2线或3线接口衔接到板上。电源有必要防备毛病和电磁搅扰(EMI)。如图13所示,在板级规划中采纳下列防护办法,以保证PLC评价体系免于电源端口或许发作的各种搅扰。

Figure 13
图13. 电源输入维护。
  • 压敏电阻R1被衔接到接近电源输入端口的地。在惯例操作期间,R1的阻抗十分高(兆欧姆),因而漏电流很低(微安培)。当一个电流浪涌(例如由闪电引起)被感应到电源输入端口时,压敏电阻击穿,细小的电压改动就会导致快速的电流改动。在数十纳秒(n s)内,压敏电阻的阻抗明显下降。这种低阻抗途径可使得剩余的能量浪涌返回到输入端,这样就维护了IC线路。3个可选的压敏电阻(R2、R3和R4)也被衔接到输入途径中,以便在 PLC板选用3线装备供电时供给维护。这些压敏电阻的本钱一般低于1美元。
  • 一个正温度系数电阻P TC1与电源输入走线串联衔接。在惯例运转期间,P TC1的阻抗十分低,对电路的其余部分没有影响。当电流超出标称值时, P TC1的温度和阻抗都会敏捷添加。这种高阻抗形式约束了电流并维护了输入电路。当电流削减到标称值时,阻抗就回到规范值
  • 当PLC板起浮时,Y电容器 C2, C3和C4可按捺共模传导EMI。这些安全电容器要求具有低阻抗和高耐压的特性。规划人员 有必要选用具有UL或CAS认证的Y电容器,并恪守绝缘强度法规规范。
  • 电感器L1和L2滤掉从电源端口进入的共模传导搅扰信号。二极管D1维护体系不受反向电压影响。作业电流下规则了一个低的正向电压的通用硅或肖特基二极管可被运用。

模仿输入维护: PLC板可以供给电压和电流输入。图14所示为输入电路结构。负载电阻R5被切换进电路以完结电流形式。电阻R6和R7削弱输出信号。电阻R8设置AD8220的增益。

Figure 14
图14. 模仿输入维护。

这些模仿输入端口会遭到外部终端衔接的电涌和静电放电搅扰。瞬态电压按捺器(T VS)可供给高效维护使其免受放电搅扰。当一个高能量瞬态电压呈现在模仿输入端口时,TVS在几纳秒内从高阻抗降到低阻抗。它能吸收功率高达数千瓦的浪涌信号,并将模仿输入信号胁迫到一个预置电压,这样就维护精细器材免受浪涌危害。TVS的长处包含具有快速呼应时刻、高瞬态吸收功率、低漏电流、低击穿电压差错,以及小封装尺度。

外表扩大器常常被用于处理模仿输入信号。这些精细的、低噪声器材对搅扰很灵敏,因而流进模仿输入端口的电流应被约束在几毫安以下。外部肖特基二极管一般可维护外表扩大器。即便在已具有内置ESD维护二极管的状况下,选用外部二极管也可使约束电阻更小并减小噪声和偏移差错。双肖特基势垒二极管D4-A和D4-B驱动过流抵达电源或地。

当把衔接外部传感器例如热电偶(TC)或电阻温度检测器(RTD)直接连到ADC时,需求相似的维护,如图15所示。

Figure 15
图15. 模仿输入维护。
  • 两个TVS网络(D5-C和D5-D)被放在J2输入管脚后,以按捺来自端口的瞬态信号。
  • C7、C8、C9、R9和R10构成ADC前面的RF衰减滤波器。这个滤波器有三个效果:从输入线路中去掉尽或许多的RF能量,以坚持每条线路和地之间的沟通讯号平衡,并保持满意高的丈量带宽输入阻抗,以避免载入信号源。该滤波器在-3dB差分和共模带宽分别是7. 9kHz和1.6MHz。

模仿输出维护: PLC评价体系可经过软件装备为各种规模内的输出模仿电压或电流。输出信号由A D5422供给,该器材是一款高精度、低本钱、彻底集成的16位数模转化器,它能供给可编程电流源和可编程电压输出。AD5422的电压和电流输出可被直接连到外部负载上,因而它们易遭到电压浪涌和EFT脉冲的影响。

The output structure is shown in Figure 16.

Figure 16
输出电路结构如图16所示。
  • 一个T V S ( D11)被用于滤除并按捺来自端口J5的一切瞬态信号。
  • 一个绝缘的陶瓷铁氧体磁珠(L3)串 联 进 输出途径,以增 加 对高频瞬态噪声的阻隔和去耦效果。在低频(<100 kHz)时,铁氧体被感应;因而它们在低通LC 滤波器中是有利的。在100k H z以上,铁氧体不能被感应,这是高频滤波器规划中的一个重要特性。铁氧体磁珠具有三个效果:部分化体系噪声,阻挠 外部高频噪声抵达AD5422,并避免内部发作的噪声涉及体系其余部分。当铁氧体处于饱和状况时,它们就变成非线性的 并会丢失滤波特性。因而,铁氧体的直流饱和电流必定不能超出其约束规模,特别是当发作高电流时
  • 双肖特基势垒二极管D9-A和D9-B将一切的过流都转移到正或负电源。在A D5422驱动1µF容性负载时,C22供给电压输出缓冲以及相位补偿。
  • 电流输出通道上的维护线路与电压输出通道上的适当相似,仅仅用一个10Ω 电阻( R17 )替代了铁氧体磁珠。从A D5422输出 的电流被外部的分立式 NPN晶体管Q1提高。经过减小流入片上输出晶体管的电流,外部升压晶体管的参加将削减A D5422中的功率损耗。Q1的击穿电压BVCEO 应大于60V。在A D5422被用于极点供电电压、负载电流和温度规模状况的运用中,这种外部升压才能是很有利的。升压晶体管还可被用于削减温 度感应漂移,从而使片上基准电压的漂移抵达最小,并改进器材的漂移和线性度。
  • 一个15kΩ的精细低漂移电流设置电阻(R15)被衔接到RSET,以改进电流输出安稳性。
  • 在A D5422由外部电压驱动时,PLC演示体系可被装备为供给高于15V的电压输出。TVS用于维护电源输入端口。二极管D6和D7供给反向偏置维护。一切电源选用10µF的固态钽电容和0.1µF的陶瓷电容去耦。

IEC测验及成果: 表3中的成果显现出在测验期间发作的DAC输出违背状况。测验完结之后输出值康复到初始值,这一般是指B级。A级意味着在测验期间,违背值处于答应的体系精度规模内。典型的工业操控体系精度大约是0.05%。

表3. IEC测验成果

测验项目描绘成果
EN 和 IEC 61000-4-2静电维护(ESD), ±4 kV VCDB级,通道3最大违背0.32%
静电维护(ESD) ±8 kV HCDB级,通道3最大违背0.28%
EN 和 IEC 61000-4-3
辐射抗扰度80 MHz 至 1 GHz

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