適用于PLC/DCS應用，支持HART和Modbus連接的模擬I/O系統(tǒng)

評估和設計支持

電路評估板

CN-0414電路評估板(EVAL-CN0414-ARDZ)

CN-0418電路評估板(EVAL-CN0418-ARDZ)

CN-0416電路評估板(EVAL-CN0416-ARDZ)

ADALM-UARTJTAG板

Arduino尺寸開發(fā)平臺(EVAL-ADICUP3029)

設計和集成文件

PLC/DCS Wiki用戶指南

原理圖、布局文件、物料清單、軟件

電路功能與優(yōu)勢

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)在設計時，可以使用提供的硬件和軟件基礎架構。該電路支持點對點HART通信，可以擴展為多分轉站HART網(wǎng)絡，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

該應用側重于展示受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備不相關，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應用的硬件協(xié)議棧包含三個不同的參考設計。

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調制解調器可與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為基礎構建。

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調制解調器，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置為CAT5電纜的特性阻抗100 ?，但在配置之后，可以支持標準RS-485電纜的120 ?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。由一個內部窗口比較器確定安全狀況，無需調節(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

HART器件可在點對點或多分轉站這兩種網(wǎng)絡配置中的一種運行。

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)的權限，這些數(shù)據(jù)可用于實施操作、調試、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用程序，將模擬和HART參數(shù)轉化為Modbus寄存器地址和值。

CN-0435用戶指南提供此應用程序的Modbus寄存器映射的完整描述，并使用開源Modbus調試器來驗證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。

樹莓派可以用作結構緊湊、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)、控制自動化技術的以太網(wǎng)(EtherCAT)、EtherNet/IP、Modbus Plus，以及其他協(xié)議。

電路評估與測試

以下部分將介紹采用參考演示所需的設備和一般步驟?？墒褂密浖腃LI選項，來裝配DCS系統(tǒng)并測試其基本功能。如需查看完整說明和附加信息，請參閱分布式控制系統(tǒng)(DCS)演示W(wǎng)iki用戶指南。

設備要求

需要以下設備：

?      具有USB端口和Windows 7（32位）或更高版本的PC

?      串行終端程序，如TeraTerm或Putty

?      一個或多個EVAL-CN0414-ARDZ電路評估板，和/或一個或多個EVAL-CN0418-ARDZ電路評估板，適用于每個節(jié)點

?     一個或多個EVAL-CN0416-ARDZ電路板，適用于Modbus接口，另一個EVAL- CN0416-ARDZ板，適用于每個節(jié)點

?      一個ADALM-UARTJTAG評估板，帶有一個附加EVAL-CN0416-ARDZ板（或其他半雙工RS-485適配器）

?      一個EVAL-ADICUP3029評估板，適用于每個節(jié)點

?      Micro USB電纜

?      一根RJ-45電纜，用于RS-485接口，另一根電纜用于每個節(jié)點

?      PLC系統(tǒng)軟件或預置的十六進制文件

?      1 A電源時采用24 V直流電壓

開始使用

以下是基本設置步驟：

1.    將EVAL-ADICUP3029的USB電纜插入PC，然后將固件閃存到使用的每個電路板上。

2.    配置硬件。遵循分布式控制系統(tǒng)(DCS)演示W(wǎng)iki用戶指南。確保正確設置每塊板上的跳線和開關?；蛘?，對于模擬輸入板，連接傳感器或信號源，對于模擬輸出板，則連接執(zhí)行器或萬用表。

3.    對于每個節(jié)點，按以下順序將平臺和擴展板堆疊在一起：

?      EVAL-CN0416-ARDZ（頂部）

?      EVAL-CN0414-ARDZ或EVAL-CN0418-ARDZ（可選）

?      EVAL-CN0414-ARDZ或EVAL-CN0418-ARDZ（可選）

?      EVAL-CN0414-ARDZ或EVAL-CN0418-ARDZ（可選）

?      EVAL-CN0414-ARDZ或EVAL-CN0418-ARDZ（可選）

?      EVAL-ADICUP3029（底部）

4.    在節(jié)點和RS-485適配器（可能是ADALM-UARTJTAG和EVAL-CN0416-ARDZ）之間連接RJ-45電纜。

5.    將RS-485適配器連接至主機。

6.    按3029_Reset按鈕，或重新啟動系統(tǒng)。

如需查看完整細節(jié)，請參閱分布式控制系統(tǒng)(DCS)演示W(wǎng)iki用戶指南。

功能框圖

圖8.單節(jié)點PLC模擬I/O系統(tǒng)

圖9.DCS模擬I/O系統(tǒng)

了解更多

CN-0414設計支持包：www.analog.com/CN0414-DesignSupport

CN-0418設計支持包：www.analog.com/CN0418-DesignSupport

CN-0416設計支持包：www.analog.com/CN0416-DesignSupport

ADALM-UARTJATG設計支持包：www.analog.com/ADALM-UARTJATG-DesignSupport

EVAL-ADICUP3029用戶指南

ADICUP3029 GitHub庫

數(shù)據(jù)手冊和評估板

CN-0414電路評估板(EVAL-CN0414-ARDZ)

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