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PLC评估板简化工业过程控制系统设计

2010-11-11 10:39
孤身万里游
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  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。

  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。

 

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