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PLC评估板简化工业过程控制系统设计

发布时间:2020-07-21 19:04:35 阅读: 来源:发泡水泥板厂家

引言工业过程控制系统应用多种多样,范围覆盖从简单的流量控制到复杂的电网,从环境控制系统到炼油厂过程控制。这些自动化系统的智能性依赖于它们的测量和控制单元。可编程逻辑控制器(PLC)1和分布式控制系统(DCS)2是用于控制机器和过程、处理各种各样模拟和数字输入及输出的两个最常见计算机系统,这些系统包含电源、中央处理单元(CPU),以及多种模拟输入、模拟输出、数字输入和数字输出模块。

本文引用地址:标准通信协议已经存在很多年了;模拟变量的范围主要为4mA至20mA、0V至5V、0V至10V、±5V和±10V。关于下一代系统无线解决方案的讨论已有很多,但是设计人员仍然认为4mA至20mA通信和控制环路可继续使用多年。下一代系统的标准涵盖更高的性能、更小的尺寸、更好的系统诊断、更高级别的保护,以及更低的成本——所有要素都将帮助制造商实现区别于其竞争对手的差异化设备产品。

我们将讨论过程控制系统的关键性能要求,以及所包含的模拟输入/输出模块,还将介绍一个过程控制评估系统,该系统采用最新集成电路技术将这些构件整合在一起。我们还着眼于应对鲁棒系统的设计挑战,这类系统将能经受工业环境下的电快速瞬变脉冲群(EFT)、静电放电(ESD)和浪涌电压干扰,并提供检验设计鲁棒性的测试数据。

PLC概览和应用实例图1所示为一个基本过程控制系统构件。一个过程变量,例如流率或气体浓度,是通过输入模块进行监控的。这些信息由中央控制单元处理;输出模块则采取一些行动,如驱动一个执行器。

图1. 典型的顶层PLC系统。

图2所示为这种类型的一个典型工业子系统。CO2气体传感器测定一个受保护区域的气体积累浓度,并将此信息传送给一个中央控制点。该控制单元包含一个模拟输入模块——用来调理来自传感器的4mA至20mA信号,一个中央处理单元,以及一个模拟输出模块——用来控制必需的系统变量。电流环路能够处理大的电流负载——这些负载经常存在于一些工业系统中常见的数百米长的通信路径上。表述气体浓度级别的传感器单元输出被转换为标准的4mA至20mA信号,通过电流环路传送。这个简化的例子所示的是一个单独的4mA至20mA传感器输出连接到一个单通道输入模块,以及一个单一的0V至10V输出。在实际情况下,大多数模块都具有多个通道和可配置范围。

输入/输出模块的分辨率范围一般是12至16位,在工业温度范围上具有0.1%的精度。对于桥式传感器,输入范围可小至±10mV ;对于执行器控制,可扩大至±10V;过程控制系统的输入范围为4mA至20mA电流。模拟输出电压和电流范围一般包括±5V、±10V、0V至5V、0V至10V、4mA至20mA和0mA至20mA。数模转换器(DAC)的稳定时间要求从10μs到10ms不等,取决于具体应用和电路负载。

图2. 气体传感器。

4mA至20mA的范围用于表述正常的气体探测范围,该范围之外的电流值可被用于提供故障诊断信息,如表1所示。

表1. 4mA至20mA输出范围之外的电流分配。

电流输出(mA)状态0.0单元故障0.8单元预热1.2零点漂移故障1.6校准故障2.0单元生成(跨接)2.2单元调零4至20常规测量模式4.0零气体级别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评估系统这里描述的PLC评估系统3集成了生成一个完整输入/输出设计所需的所有级,它包含4个完全隔离的ADC通道,1个带RS-232接口的ARM7微处理器,以及4个完全隔离的DAC输出通道。该评估板由一个直流电源供电。硬件可配置的输入量程包括0V至5V、0V至10V、±5V、±10V、4mA至20mA、0mA至20mA、±20mA和热电偶及RTD。软件可编程的输出量程包括0V至5V、0V至10V、±5V、±10V、4mA至20mA、0mA至20mA以及0mA至24mA。

图3. 模拟输入/输出模块。

输出模块:表2列出了PLC输出模块的一些关键技术规格。因为真实系统的精度有赖于测量通道(ADC),所以控制机制(DAC)仅需要足够的分辨率去调节输出。对于高端系统而言,需要16位的分辨率,采用标准数模转换架构很容易满足这个要求。精度并非至关重要;一般来说,12位积分非线性误差(INL)对于高端系统已经足够。

通过超输出量程并调整达到期望值,可以很容易实现25℃时0.05%的校准精度。如今的16位DAC,例如AD5066,4 可提供25°C时0.05mV典型偏移误差,以及0.01%典型增益误差,在很多情况下无需校准。0.15%的总精度误差看起来很容易实现,但实际上在超温情况下这个指标是比较严苛的。在工业温度范围上,30ppm/°C的输出漂移会增加0.18%的误差。

表2. 输出模块技术规格。

系统规范要求分辨率16 位校准精度0.05%总模块精度误差0.15%断路检测需要短路检测需要短路保护需要隔离需要输出模块可具有电流输出、电压输出,或者两者兼具。图4所示是一个采用分立器件实现4mA至20mA环路的经典解决方案。16位nanoDAC®数模转换器 AD5660 可提供0V至5V输出电压,该电压通过感应电阻RS设置电流,再经由R1。此电流通过R2实现镜像。

设定 RS = 15 kΩ, R1 = 3 kΩ, R2 = 50 Ω利用 5V DAC 将获得IR2 = 20 mA (最大值)。

图4. 分立电路实现4mA到20mA输出。

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