基于PLC的模擬I/O系統(tǒng)的實現(xiàn)

可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)被用于監(jiān)測和控制工業(yè)自動化應(yīng)用中的智能(支持HART)和模擬現(xiàn)場儀器儀表。

圖1所示的電路是一個簡單的DCS系統(tǒng)，由一臺主機、一個單節(jié)點、兩個4通道隔離模擬輸入板和兩個4通道隔離模擬輸出板組成，這些板由Arduino尺寸基板在本地管控。RS-485收發(fā)器連接至PC或其他主機，如此，用戶可以使用Modbus協(xié)議與節(jié)點交換數(shù)據(jù)。

模擬輸入數(shù)據(jù)從本地讀取，通過使用行業(yè)標準Modbus協(xié)議的串行接口提供，確保在一系列軟件應(yīng)用和庫中，保證數(shù)據(jù)完整性和可兼容性。同樣地，模擬輸出通過向Modbus寄存器寫入來置位，然后被轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流信號。

每個節(jié)點可以支持4個模擬輸入和輸出板的組合。如圖2所示，最多16個節(jié)點的多節(jié)點系統(tǒng)在設(shè)計時，可以使用提供的硬件和軟件基礎(chǔ)架構(gòu)。該電路支持點對點HART通信，可以擴展為多分轉(zhuǎn)站HART網(wǎng)絡(luò)，在同一通道上集成多個HART器件。

每個板(4個一組)的模擬輸入和模擬輸出都實施電氣隔離，模擬輸入支持開路檢測，簡化了故障檢測和診斷過程。在嚴峻的工業(yè)自動化環(huán)境中使用時，這些功能可以增強可靠性和耐用性。

圖1.PLC(或單節(jié)點DCS)Modbus系統(tǒng)功能框圖

圖2.多節(jié)點DCS Modbus系統(tǒng)功能框圖

電路描述

該應(yīng)用側(cè)重于展示受Modbus主機管控的PLC/DCS系統(tǒng)的開發(fā)，并且通過示例說明如何使用重要組件的最新功能。單節(jié)點系統(tǒng)通常被稱為PLC，更大型的系統(tǒng)則通常被稱為DCS。

每個節(jié)點可以管控多達16個模擬現(xiàn)場器件、傳感器或驅(qū)動器(兼容HART或僅支持模擬)，系統(tǒng)可以擴展，最多包含16個單獨的節(jié)點。該系統(tǒng)也可用于通用精密模擬數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，例如儀器儀表、模擬數(shù)據(jù)記錄，或測試和測量。

PLC/DCS拓撲

支持多個連接拓撲。在單節(jié)點(PLC，或單節(jié)點DCS)系統(tǒng)中，主機可利用micro-USB電纜，直接連接至EVAL-ADICUP3029平臺板的USB串行端口，非常適合要求主機和節(jié)點之間距離小于2米的實驗室測試和測量應(yīng)用。

在這個點對點拓撲中，電路板四個一組的模擬輸入和輸出仍然與主機保持隔離。雖然一般來說與實驗室設(shè)備不相關(guān)，但Modbus協(xié)議提供一種方便、標準的與節(jié)點通信的方法。HART連接支持對智能傳感器和驅(qū)動器實施配置。

主機和節(jié)點之間的距離增大到2米以上時，信號完整度、噪音拾取和電氣故障會成為更嚴重的隱患。在這些情況下，EVAL-CN0416-ARDZ為主機提供可靠的RS-485連接。在單節(jié)點、點對點系統(tǒng)中，支持在1 km以上距離中進行全雙工或半雙工通信，具體由波特率決定。

對于多節(jié)點系統(tǒng)(稱為DCS更加合適)，EVAL-CN0416- ARDZ提供菊花鏈端口，支持可切換的半/全雙工操作和可切換的端電極，因此系統(tǒng)可以集成2到16個節(jié)點。

因為Modbus被用作串行通信協(xié)議，以通過串行鏈路，在器件之間發(fā)送信息，因此無論規(guī)模大小，都可以實現(xiàn)簡單、可靠且耐用的系統(tǒng)。PLC/DCS應(yīng)用的硬件協(xié)議棧包含三個不同的參考設(shè)計。

模擬輸入板

圖3所示的CN-0414用于測量4個全差分信號，或者測量8個單端電壓和4個電流信號。該電路的核心是AD4111低功耗、低噪聲24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，集成了±10 V和20 mA模擬前端。

其電壓輸入支持最高±10 V的輸入范圍。AD4111具有獨特的特性，支持在±10 V電壓輸入上進行開路檢測，同時采用5 V或3.3 V單電源供電，而之前的解決方案一般都需要大于±10 V的電源。

電流輸入支持0 mA至24 mA輸入范圍。電路的輸入阻抗為250 Ω(AD4111內(nèi)部為60 Ω)，所有輸入都以絕緣接地為基準。電流輸入上需要250 Ω輸入電阻，以使符合HART要求的AD5700-1調(diào)制解調(diào)器可與AD4111配合使用。

電路的模擬前端AD4111和AD5700-1通過ADuM5411和ADuM3151與處理側(cè)隔離，相比基于分立式變壓器的解決方案，能夠節(jié)省大量空間。

CN-0414板由9.5 V至36 V直流電源供電，這在工業(yè)自動化系統(tǒng)中非常典型，因此能夠輕松集成到您的系統(tǒng)之中。

圖3.模擬輸入板

模擬輸出板

圖4所示的CN-0418是一款4通道電壓和電流輸出板，以具備動態(tài)功率控制功能的AD5755-1 DAC為基礎(chǔ)構(gòu)建。

此電路提供4 mA至20 mA電流輸出，以及單極性或雙極性電壓輸出(±10 V)。此板還配有AD5700-1 HART調(diào)制解調(diào)器，提供完整的支持HART連接的模擬輸出解決方案。 同時還包括外部瞬變保護電路，這對惡劣工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用極其重要。

電流輸出和電壓輸出通過獨立引腳提供，一次僅一個輸出處于有效狀態(tài)，因而允許將兩個輸出引腳連在一起并接到單個端口上。模擬輸出受短路和開路保護。

AD5755-1集成基于DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器電路的動態(tài)電源控制功能，在電流輸出模式下可降低功耗。

AD5755-1有四個CHART引腳，分別對應(yīng)于四個輸出通道。HART信號可以耦合至這些引腳，并出現(xiàn)在對應(yīng)的輸出端(如果該輸出已使能)。

圖4.模擬輸出板

RS-485收發(fā)器板

圖5所示的CN-0416是一款隔離和非隔離式RS-485收發(fā)器板，能夠在多個系統(tǒng)或節(jié)點之間輕松實施數(shù)據(jù)傳輸，尤其是在長距離下。

該電路使用ADM2682E RS-485收發(fā)器來進行隔離通信，使用LTC2865 RS-485來進行非隔離通信。 這兩種器件都可以配置進行全雙工或半雙工操作，具備開路或端接傳輸線。

該電路采用板載式RJ-45插孔，因此能夠使用常用的CAT5以太網(wǎng)電纜，快速和節(jié)點物理連接。端電極電阻被默認設(shè)置為CAT5電纜的特性阻抗100 Ω，但在配置之后，可以支持標準RS-485電纜的120 Ω阻抗。

ADM2682E的數(shù)據(jù)速率可以達到16 Mbps，提供真正安全的接收器輸入和經(jīng)過調(diào)整的差動電壓閾值。它使用iCoupler數(shù)據(jù)通道，提供5 kV信號隔離，利用isoPower集成式DC-DC轉(zhuǎn)換器，提供5 kV電源隔離。

LTC2865的數(shù)據(jù)速率可以達到20 Mbps，提供真正安全的接收器輸入。由一個內(nèi)部窗口比較器確定安全狀況，無需調(diào)節(jié)差動輸入電壓閾值。

圖5.RS-485收發(fā)器板

兼容HART的現(xiàn)場器件的接線

圖6.兼容HART的現(xiàn)場器件的接線

HART網(wǎng)絡(luò)

HART器件可在點對點或多分轉(zhuǎn)站這兩種網(wǎng)絡(luò)配置中的一種運行。

在點對點模式下，4 mA至20 mA信號被用于傳輸一個過程變量，而額外的過程變量、配置參數(shù)和其他器件數(shù)據(jù)則通過HART協(xié)議以數(shù)字方式傳輸。4 mA至20 mA模擬信號不會受到HART信號影響，可用于實施控制。HART協(xié)議提供訪問輔助變量和其他數(shù)據(jù)的權(quán)限，這些數(shù)據(jù)可用于實施操作、調(diào)試、維護和診斷。

Modbus協(xié)議

在EVAL-ADICUP3029上運行的軟件采用Modbus協(xié)議——一種事實上的開放型工業(yè)通信標準。Modbus提供一種與單個節(jié)點交換數(shù)據(jù)的可靠方式，通過CRC誤差檢測來確保數(shù)據(jù)的完整性。作為一項開放標準，存在眾多可用的開放源和商用Modbus軟件庫，適用于各種平臺(例如Windows®、Linux®、嵌入式平臺等)。

這些軟件也提供簡單的命令行接口(CLI)模式，使系統(tǒng)能夠從串行端口手動驗證，無需主機上裝載任何額外的軟件。

硬件和軟件協(xié)議棧

PLC/DCS節(jié)點系統(tǒng)軟件和硬件協(xié)議棧如圖7所示。

圖7.PLC/DCS節(jié)點系統(tǒng)軟件和硬件協(xié)議棧

配置PLC/DCS硬件之后，用戶一般會根據(jù)語言(例如C、Python、MATLAB)和主機平臺(例如Linux、Windows、嵌入式平臺)選擇適用的Modbus庫。然后，必須編寫簡單的測試應(yīng)用程序，將模擬和HART參數(shù)轉(zhuǎn)化為Modbus寄存器地址和值。

CN-0435用戶指南提供此應(yīng)用程序的Modbus寄存器映射的完整描述，并使用開源Modbus調(diào)試器來驗證Modbus的合規(guī)性。

此外，還提供多個基于開源Modbus庫的頂層應(yīng)用，包括：

檢測系統(tǒng)配置：查詢所有Modbus節(jié)點，顯示配置。

讀寫輸出保持寄存器：檢查或更改所有受檢測板的輸出保持寄存器的狀態(tài)。

讀取模擬輸入寄存器：檢查所有受檢測板的輸入寄存器的狀態(tài)。

讀取模擬數(shù)據(jù)：讀取單個模擬輸入或所有模擬輸入，在控制臺顯示數(shù)據(jù)。

寫入模擬數(shù)據(jù)：寫入模擬輸出，以產(chǎn)生電壓或電流。

模擬回波：讀取模擬輸入板的模擬電壓或電流，然后將相同數(shù)值的模擬電壓或電流寫入模擬輸出板。

常見變化

CN-0435軟件讀取模擬輸入值和寫入模擬輸出值，無需實施本地處理。該軟件可以擴展包含故障檢測和響應(yīng)等功能，或者包含閉環(huán)PID控制環(huán)路，從主機上卸載這些功能，節(jié)省通信總線的帶寬。

樹莓派可以用作結(jié)構(gòu)緊湊、價格低廉的主機解決方案。樹莓派提供有線或無線以太網(wǎng)連接，可以直接連接至EVAL-ADICUP3029的USB-UART。

如今最常用的三種Modbus版本分別為：Modbus ASCII、Modbus RTU和Modbus TCP。所有Modbus消息都采用相同格式發(fā)送。這三種Modbus類型的唯一區(qū)別在于消息的編碼方式。

可以通過Modbus連接的器件的數(shù)量由物理層和數(shù)據(jù)協(xié)議決定。如果RS-485物理層和Modbus RTU或Modbus ASCII數(shù)據(jù)協(xié)議一起使用，那么可以尋址的節(jié)點的最大數(shù)量為32，但是，如果以太網(wǎng)物理層和Modbus TCP數(shù)據(jù)協(xié)議一起使用，則可以尋址的節(jié)點為247個。

器件的地址是從0至247的數(shù)字。發(fā)送至地址0的消息(廣播消息)會被所有從機接受，但1到247這些數(shù)值是特定器件的地址。

CN-0414和CN-0418的Arduino尺寸確保與支持廣泛的其他自動化通信協(xié)議的開發(fā)平臺兼容，包括過程現(xiàn)場網(wǎng)(PROFINET)、過程現(xiàn)場總線(PROFIBUS)、控制自動化技術(shù)的以太網(wǎng)(EtherCAT)、EtherNet/IP、Modbus Plus，以及其他協(xié)議。