PLC評估板簡化工業(yè)過程控制系統(tǒng)設(shè)計

引言
工業(yè)過程控制系統(tǒng)應(yīng)用多種多樣，范圍覆蓋從簡單的流量控制到復(fù)雜的電網(wǎng)，從環(huán)境控制系統(tǒng)到煉油廠過程控制。這些自動化系統(tǒng)的智能性依賴于它們的測量和控制單元。可編程邏輯控制器(PLC)1和分布式控制系統(tǒng)(DCS)2是用于控制機器和過程、處理各種各樣模擬和數(shù)字輸入及輸出的兩個最常見計算機系統(tǒng)，這些系統(tǒng)包含電源、中央處理單元(CPU)，以及多種模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入和數(shù)字輸出模塊。

標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議已經(jīng)存在很多年了；模擬變量的范圍主要為4mA至20mA、0V至5V、0V至10V、±5V和±10V。關(guān)于下一代系統(tǒng)無線解決方案的討論已有很多，但是設(shè)計人員仍然認(rèn)為4mA至20mA通信和控制環(huán)路可繼續(xù)使用多年。下一代系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)涵蓋更高的性能、更小的尺寸、更好的系統(tǒng)診斷、更高級別的保護，以及更低的成本——所有要素都將幫助制造商實現(xiàn)區(qū)別于其競爭對手的差異化設(shè)備產(chǎn)品。

我們將討論過程控制系統(tǒng)的關(guān)鍵性能要求，以及所包含的模擬輸入/輸出模塊，還將介紹一個過程控制評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用最新集成電路技術(shù)將這些構(gòu)件整合在一起。我們還著眼于應(yīng)對魯棒系統(tǒng)的設(shè)計挑戰(zhàn)，這類系統(tǒng)將能經(jīng)受工業(yè)環(huán)境下的電快速瞬變脈沖群(EFT)、靜電放電(ESD)和浪涌電壓干擾，并提供檢驗設(shè)計魯棒性的測試數(shù)據(jù)。

PLC概覽和應(yīng)用實例
圖1所示為一個基本過程控制系統(tǒng)構(gòu)件。一個過程變量，例如流率或氣體濃度，是通過輸入模塊進行監(jiān)控的。這些信息由中央控制單元處理；輸出模塊則采取一些行動，如驅(qū)動一個執(zhí)行器。

圖1. 典型的頂層PLC系統(tǒng)。

圖2所示為這種類型的一個典型工業(yè)子系統(tǒng)。CO2氣體傳感器測定一個受保護區(qū)域的氣體積累濃度，并將此信息傳送給一個中央控制點。該控制單元包含一個模擬輸入模塊——用來調(diào)理來自傳感器的4mA至20mA信號，一個中央處理單元，以及一個模擬輸出模塊——用來控制必需的系統(tǒng)變量。電流環(huán)路能夠處理大的電流負(fù)載——這些負(fù)載經(jīng)常存在于一些工業(yè)系統(tǒng)中常見的數(shù)百米長的通信路徑上。表述氣體濃度級別的傳感器單元輸出被轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4mA至20mA信號，通過電流環(huán)路傳送。這個簡化的例子所示的是一個單獨的4mA至20mA傳感器輸出連接到一個單通道輸入模塊，以及一個單一的0V至10V輸出。在實際情況下，大多數(shù)模塊都具有多個通道和可配置范圍。

輸入/輸出模塊的分辨率范圍一般是12至16位，在工業(yè)溫度范圍上具有0.1%的精度。對于橋式傳感器，輸入范圍可小至±10mV ；對于執(zhí)行器控制，可擴大至±10V；過程控制系統(tǒng)的輸入范圍為4mA至20mA電流。模擬輸出電壓和電流范圍一般包括±5V、±10V、0V至5V、0V至10V、4mA至20mA和0mA至20mA。數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的穩(wěn)定時間要求從10μs到10ms不等，取決于具體應(yīng)用和電路負(fù)載。

圖2. 氣體傳感器。

4mA至20mA的范圍用于表述正常的氣體探測范圍，該范圍之外的電流值可被用于提供故障診斷信息，如表1所示。

表1. 4mA至20mA輸出范圍之外的電流分配。

PLC評估系統(tǒng)
這里描述的PLC評估系統(tǒng)3集成了生成一個完整輸入/輸出設(shè)計所需的所有級，它包含4個完全隔離的ADC通道，1個帶RS-232接口的ARM7微處理器，以及4個完全隔離的DAC輸出通道。該評估板由一個直流電源供電。硬件可配置的輸入量程包括0V至5V、0V至10V、±5V、±10V、4mA至20mA、0mA至20mA、±20mA和熱電偶及RTD。軟件可編程的輸出量程包括0V至5V、0V至10V、±5V、±10V、4mA至20mA、0mA至20mA以及0mA至24mA。

圖3. 模擬輸入/輸出模塊。

輸出模塊：表2列出了PLC輸出模塊的一些關(guān)鍵技術(shù)規(guī)格。因為真實系統(tǒng)的精度有賴于測量通道(ADC)，所以控制機制(DAC)僅需要足夠的分辨率去調(diào)節(jié)輸出。對于高端系統(tǒng)而言，需要16位的分辨率，采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模轉(zhuǎn)換架構(gòu)很容易滿足這個要求。精度并非至關(guān)重要；一般來說，12位積分非線性誤差(INL)對于高端系統(tǒng)已經(jīng)足夠。

通過超輸出量程并調(diào)整達(dá)到期望值，可以很容易實現(xiàn)25℃時0.05%的校準(zhǔn)精度。如今的16位DAC，例如AD5066,4 可提供25°C時0.05mV典型偏移誤差，以及0.01%典型增益誤差，在很多情況下無需校準(zhǔn)。0.15%的總精度誤差看起來很容易實現(xiàn)，但實際上在超溫情況下這個指標(biāo)是比較嚴(yán)苛的。在工業(yè)溫度范圍上，30ppm/°C的輸出漂移會增加0.18%的誤差。

表2. 輸出模塊技術(shù)規(guī)格。

設(shè)定 RS = 15 kΩ, R1 = 3 kΩ, R2 = 50 Ω利用 5V DAC 將獲得IR2 = 20 mA (最大值)。

圖4. 分立電路實現(xiàn)4mA到20mA輸出。