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适用于PLC/DCS应用,支持HART和Modbus连接的模拟I/O系统

评估和设计支持

电路评估板

CN-0414电路评估板(EVAL-CN0414-ARDZ)

CN-0418电路评估板(EVAL-CN0418-ARDZ)

CN-0416电路评估板(EVAL-CN0416-ARDZ)

ADALM-UARTJTAG板

Arduino尺寸开发平台(EVAL-ADICUP3029)

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原理图、布局文件、物料清单、软件

电路功能与优势

可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)被用于监测和控制工业自动化应用中的智能(支持HART)和模拟现场仪器仪表。

图1所示的电路是一个简单的DCS系统,由一台主机、一个单节点、两个4通道隔离模拟输入板和两个4通道隔离模拟输出板组成,这些板由Arduino尺寸基板在本地管控。RS-485收发器连接至PC或其他主机,如此,用户可以使用Modbus协议与节点交换数据。

模拟输入数据从本地读取,通过使用行业标准Modbus协议的串行接口提供,确保在一系列软件应用和库中,保证数据完整性和可兼容性。同样地,模拟输出通过向Modbus寄存器写入来置位,然后被转换为模拟电压或电流信号。

每个节点可以支持4个模拟输入和输出板的组合。如图2所示,最多16个节点的多节点系统在设计时,可以使用提供的硬件和软件基础架构。该电路支持点对点HART通信,可以扩展为多分转站HART网络,在同一通道上集成多个HART器件。

每个板(4个一组)的模拟输入和模拟输出都实施电气隔离,模拟输入支持开路检测,简化了故障检测和诊断过程。在严峻的工业自动化环境中使用时,这些功能可以增强可靠性和耐用性。

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图1.PLC(或单节点DCS)Modbus系统功能框图

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图2.多节点DCS Modbus系统功能框图

电路描述

该应用侧重于展示受Modbus主机管控的PLC/DCS系统的开发,并且通过示例说明如何使用重要组件的最新功能。单节点系统通常被称为PLC,更大型的系统则通常被称为DCS。

每个节点可以管控多达16个模拟现场器件、传感器或驱动器(兼容HART或仅支持模拟),系统可以扩展,最多包含16个单独的节点。该系统也可用于通用精密模拟数据采集应用,例如仪器仪表、模拟数据记录,或测试和测量。

PLC/DCS拓扑

支持多个连接拓扑。在单节点(PLC,或单节点DCS)系统中,主机可利用micro-USB电缆,直接连接至EVAL-ADICUP3029平台板的USB串行端口,非常适合要求主机和节点之间距离小于2米的实验室测试和测量应用。

在这个点对点拓扑中,电路板四个一组的模拟输入和输出仍然与主机保持隔离。虽然一般来说与实验室设备不相关,但Modbus协议提供一种方便、标准的与节点通信的方法。HART连接支持对智能传感器和驱动器实施配置。

主机和节点之间的距离增大到2米以上时,信号完整度、噪音拾取和电气故障会成为更严重的隐患。在这些情况下,EVAL-CN0416-ARDZ为主机提供可靠的RS-485连接。在单节点、点对点系统中,支持在1 km以上距离中进行全双工或半双工通信,具体由波特率决定。

对于多节点系统(称为DCS更加合适),EVAL-CN0416- ARDZ提供菊花链端口,支持可切换的半/全双工操作和可切换的端电极,因此系统可以集成2到16个节点。

因为Modbus被用作串行通信协议,以通过串行链路,在器件之间发送信息,因此无论规模大小,都可以实现简单、可靠且耐用的系统。PLC/DCS应用的硬件协议栈包含三个不同的参考设计。

模拟输入板

图3所示的CN-0414用于测量4个全差分信号,或者测量8个单端电压和4个电流信号。该电路的核心是AD4111低功耗、低噪声24位Σ-Δ模数转换器(ADC),集成了±10 V和20 mA模拟前端。

其电压输入支持最高±10 V的输入范围。AD4111具有独特的特性,支持在±10 V电压输入上进行开路检测,同时采用5 V或3.3 V单电源供电,而之前的解决方案一般都需要大于±10 V的电源。

电流输入支持0 mA至24 mA输入范围。电路的输入阻抗为250 Ω(AD4111内部为60 Ω),所有输入都以绝缘接地为基准。电流输入上需要250 Ω输入电阻,以使符合HART要求的AD5700-1调制解调器可与AD4111配合使用。

电路的模拟前端AD4111和AD5700-1通过ADuM5411和ADuM3151与处理侧隔离,相比基于分立式变压器的解决方案,能够节省大量空间。

CN-0414板由9.5 V至36 V直流电源供电,这在工业自动化系统中非常典型,因此能够轻松集成到您的系统之中。

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图3.模拟输入板

模拟输出板

图4所示的CN-0418是一款4通道电压和电流输出板,以具备动态功率控制功能的AD5755-1 DAC为基础构建。

此电路提供4 mA至20 mA电流输出,以及单极性或双极性电压输出(±10 V)。此板还配有AD5700-1 HART调制解调器,提供完整的支持HART连接的模拟输出解决方案。 同时还包括外部瞬变保护电路,这对恶劣工业环境中的应用极其重要。

电流输出和电压输出通过独立引脚提供,一次仅一个输出处于有效状态,因而允许将两个输出引脚连在一起并接到单个端口上。模拟输出受短路和开路保护。

AD5755-1集成基于DC-DC升压转换器电路的动态电源控制功能,在电流输出模式下可降低功耗。

AD5755-1有四个CHART引脚,分别对应于四个输出通道。HART信号可以耦合至这些引脚,并出现在对应的输出端(如果该输出已使能)。

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图4.模拟输出板

RS-485收发器板

图5所示的CN-0416是一款隔离和非隔离式RS-485收发器板,能够在多个系统或节点之间轻松实施数据传输,尤其是在长距离下。

该电路使用ADM2682E RS-485收发器来进行隔离通信,使用LTC2865 RS-485来进行非隔离通信。 这两种器件都可以配置进行全双工或半双工操作,具备开路或端接传输线。

该电路采用板载式RJ-45插孔,因此能够使用常用的CAT5以太网电缆,快速和节点物理连接。端电极电阻被默认设置为CAT5电缆的特性阻抗100 ?,但在配置之后,可以支持标准RS-485电缆的120 ?阻抗。

ADM2682E的数据速率可以达到16 Mbps,提供真正安全的接收器输入和经过调整的差动电压阈值。它使用iCoupler数据通道,提供5 kV信号隔离,利用isoPower集成式DC-DC转换器,提供5 kV电源隔离。

LTC2865的数据速率可以达到20 Mbps,提供真正安全的接收器输入。由一个内部窗口比较器确定安全状况,无需调节差动输入电压阈值。

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图5.RS-485收发器板

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