一文讀懂PLC/DCS技術(shù)電路說明

電路功能和優(yōu)點(diǎn)

Circuit Function & Benefits

可編程邏輯控制器（PLC）和分布式控制系統(tǒng)（DCS）用于監(jiān)測(cè)和控制工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中的智能（支持HART）和模擬現(xiàn)場(chǎng)儀表。

圖1所示的電路是一個(gè)簡(jiǎn)單的DCS系統(tǒng)，由一個(gè)主機(jī)和一個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，其中有兩個(gè)4通道隔離模擬輸入板和兩個(gè)4通道隔離模擬輸出板，由一個(gè)Arduino形狀因子基板本地控制。RS-485收發(fā)器與PC機(jī)或其他主機(jī)接口，用戶可從中使用Modbus協(xié)議與節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)。

圖1. PLC（或單節(jié)點(diǎn)DCS）Modbus系統(tǒng)功能框圖

模擬輸入數(shù)據(jù)在本地讀取，并通過使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議的串行接口提供，確保數(shù)據(jù)完整性和與一系列軟件應(yīng)用程序和庫的兼容性。類似地，通過寫入Modbus寄存器來設(shè)置模擬輸出，然后將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流信號(hào)。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多可以有四個(gè)模擬輸入和輸出板的任意組合。如圖2所示，可以使用提供的硬件和軟件基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)多達(dá)16個(gè)節(jié)點(diǎn)的多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。該電路支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)HART通信，可擴(kuò)展到多點(diǎn)HART網(wǎng)絡(luò)，由同一通道上的多個(gè)HART設(shè)備組成。

圖2. 多節(jié)點(diǎn)DCS-Modbus系統(tǒng)功能框圖

模擬輸入和模擬輸出均為每板電隔離（四組），模擬輸入具有開路檢測(cè)功能，簡(jiǎn)化了故障檢測(cè)和診斷。這些特性增強(qiáng)了在苛刻的工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境中工作時(shí)的健壯性。

電路說明

該應(yīng)用程序著重于演示由Modbus主機(jī)控制的PLC/DCS系統(tǒng)的開發(fā)，并舉例說明如何使用關(guān)鍵組件的最新功能。單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)通常稱為PLC，而較大的系統(tǒng)通常稱為DCS。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以控制多達(dá)16個(gè)模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、傳感器或執(zhí)行器，可以與HART兼容，也可以僅與模擬設(shè)備兼容，并且系統(tǒng)可以擴(kuò)展到包括多達(dá)16個(gè)單獨(dú)節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)還可用于一般用途的精密模擬數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，如儀表、模擬數(shù)據(jù)記錄或測(cè)試和測(cè)量。

PLC/DCS技術(shù)

支持多個(gè)連接技術(shù)。在單節(jié)點(diǎn)（PLC或單節(jié)點(diǎn)DCS）系統(tǒng)中，主機(jī)可以通過微型USB電纜直接連接到EVAL-ADICUP3029平臺(tái)板上的USB串行端口，適用于主機(jī)和節(jié)點(diǎn)之間距離小于2米的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用。

在這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的技術(shù)結(jié)構(gòu)中，每個(gè)電路板有四組模擬輸入和輸出仍然與主機(jī)隔離。雖然通常與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備無關(guān)，但Modbus協(xié)議為與節(jié)點(diǎn)通信提供了一種方便和標(biāo)準(zhǔn)的方法。哈特連接允許配置智能傳感器和執(zhí)行器。

當(dāng)主機(jī)和節(jié)點(diǎn)之間的距離超過2米時(shí)，信號(hào)完整性、噪聲拾取和電氣故障成為更大的問題。在這些情況下，EVAL-CN0416-ARDZ提供到主機(jī)的可靠RS-485連接。在單節(jié)點(diǎn)中，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)支持全雙工或半雙工通信，根據(jù)波特率的不同，距離可達(dá)1km

對(duì)于多節(jié)點(diǎn)（更好地描述為DCS），EVAL-CN0416-ARDZ包括菊花鏈端口、可切換半/全雙工操作和可切換終端，允許組裝2到16個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的系統(tǒng)。

由于Modbus被用作串行通信協(xié)議，通過串行鏈路在設(shè)備之間傳輸信息，因此無論規(guī)模大小，都可以獲得簡(jiǎn)單、可靠和健壯的系統(tǒng)。PLC/DCS應(yīng)用硬件棧由三種不同的參考設(shè)計(jì)組成。

模擬輸入板

圖3所示的CN-0414用于測(cè)量四個(gè)全差分或八個(gè)單端電壓和四個(gè)電流信號(hào)。該電路的核心是一個(gè)低功耗、低噪聲的24位∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），集成了±10 V和20毫安的模擬前端。

電壓輸入支持高達(dá)±10 V的輸入范圍。AD4111具有一個(gè)獨(dú)特的功能，當(dāng)在5 V或3.3 V單電源上工作時(shí)，可以在±10 V電壓輸入上進(jìn)行開路檢測(cè)，而以前的解決方案通常需要大于±10 V的電源。

電流輸入支持0至24毫安的輸入范圍。電路的輸入阻抗為250Ω（AD4111內(nèi)部為60Ω），所有輸入均參考隔離接地。電流輸入端的250Ω輸入阻抗是使AD5700-1 HART兼容調(diào)制解調(diào)器與AD4111一起工作所必需的。

電路的模擬前端AD4111和AD5700-1通過ADuM5411和ADum315與處理側(cè)隔離，與基于離散變壓器的解決方案相比，節(jié)省了大量空間。

CN-0414板由9.5 V至36 V直流電源供電，這是典型的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，因此很容易改裝到您的系統(tǒng)中。

Figure 3. Analog Input Board

模擬輸出板

圖4所示的CN-0418是基于AD5755-1 DAC的四通道電壓和電流輸出板，具有動(dòng)態(tài)功率控制。

該電路提供4毫安至20毫安的電流輸出，以及單極或雙極電壓輸出（±10伏）。該板還包括AD5700-1哈特調(diào)制解調(diào)器，以提供完整的模擬輸出解決方案與哈特連接。外部瞬態(tài)保護(hù)電路也包括在內(nèi)，這對(duì)位于惡劣工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用非常重要。

電流和電壓輸出在單獨(dú)的管腳上可用，但一次只有一個(gè)管腳處于活動(dòng)狀態(tài)，因此允許兩個(gè)輸出管腳連接在一起并連接到一個(gè)端子。模擬輸出短路，開路保護(hù)。

AD5755-1包含使用dc-dc升壓變換器電路的集成動(dòng)態(tài)功率控制，允許在電流輸出模式下降低功耗。

AD5755-1有四個(gè)圖表管腳，對(duì)應(yīng)于四個(gè)輸出通道中的每一個(gè)。HART信號(hào)可以耦合到這些管腳中，如果該輸出被啟用，則會(huì)出現(xiàn)在相應(yīng)的輸出上。

RS-485收發(fā)器板

圖5所示的CN-0416是一個(gè)隔離和非隔離的RS-485收發(fā)器板，它允許在多個(gè)系統(tǒng)或節(jié)點(diǎn)之間輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，特別是遠(yuǎn)距離傳輸。

電路使用ADM2682E RS-485收發(fā)器進(jìn)行隔離通信，LTC2865用于非隔離RS-485通信。兩者都可以配置為全雙工或半雙工操作，以及開放或終止傳輸線。

該電路具有板載RJ-45插孔，允許使用普通的5類以太網(wǎng)電纜進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的快速物理布線。終端電阻默認(rèn)設(shè)置為CAT5電纜特性阻抗100Ω，但可以配置為支持標(biāo)準(zhǔn)RS-485電纜阻抗120Ω。

ADM2682E的數(shù)據(jù)速率高達(dá)16Mbps，并具有真正的故障保護(hù)接收器輸入和調(diào)整的差分電壓閾值。它使用iCoupler數(shù)據(jù)通道提供5千伏信號(hào)隔離，使用等功率集成dc-dc轉(zhuǎn)換器提供5千伏電源隔離。

LTC2865的數(shù)據(jù)速率可達(dá)20 Mbps，并具有完全故障保護(hù)接收器輸入。內(nèi)部窗口比較器在不需要調(diào)整差分輸入電壓閾值的情況下確定故障安全條件。

圖5.RS-485收發(fā)器板

HART-Compatible Field的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布線

圖6. HART-Compatible的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布線

HART網(wǎng)絡(luò)

HART設(shè)備可以在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多點(diǎn)兩種網(wǎng)絡(luò)配置中運(yùn)行。

在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式下，4毫安至20毫安的信號(hào)用于傳送一個(gè)過程變量，而附加的過程變量、配置參數(shù)和其他設(shè)備數(shù)據(jù)則使用HART協(xié)議進(jìn)行數(shù)字傳輸。4毫安至20毫安模擬信號(hào)不受哈特信號(hào)影響，可用于控制。HART協(xié)議允許訪問可用于操作、調(diào)試、維護(hù)和診斷目的的二次變量和其他數(shù)據(jù)。

Modbus協(xié)議

運(yùn)行在EVAL-ADICUP3029上的軟件實(shí)現(xiàn)了Modbus協(xié)議，這是一個(gè)事實(shí)上的、開放的工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)。Modbus提供了一種與單個(gè)節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)的健壯方法，CRC錯(cuò)誤檢測(cè)確保了數(shù)據(jù)的完整性。作為一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)，有許多開源和商用Modbus軟件庫可供使用，目標(biāo)是各種平臺(tái)（如Windows？、Linux？、嵌入式平臺(tái)等）。

該軟件還提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的命令行界面（CLI）模式，允許從串行終端手動(dòng)驗(yàn)證系統(tǒng)，而不需要在主機(jī)上安裝任何其他軟件。

硬件和軟件堆棧

PLC/DCS節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)軟硬件堆棧如圖7所示。

圖7. PLC/DCS節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)軟硬件堆棧

配置完P(guān)LC/DCS硬件后，用戶通常會(huì)根據(jù)語言（如C、Python、MATLAB）和主機(jī)平臺(tái)（如Linux、Windows、embedded）選擇合適的Modbus庫。然后必須編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試應(yīng)用程序，將模擬和HART參數(shù)轉(zhuǎn)換為Modbus寄存器地址和值

CN-0435用戶指南提供了此應(yīng)用程序的Modbus寄存器映射的完整描述，并使用開源Modbus調(diào)試器驗(yàn)證了Modbus的符合性

還提供了幾個(gè)頂級(jí)應(yīng)用程序示例，這些應(yīng)用程序構(gòu)建在開源Modbus庫上，包括以下內(nèi)容： 檢測(cè)系統(tǒng)配置：查詢所有Modbus節(jié)點(diǎn)并顯示配置。

讀或?qū)戄敵霰３旨拇嫫鳎簷z查或改變所有檢測(cè)板上輸出保持寄存器的狀態(tài)。

讀取模擬輸入寄存器：檢查所有檢測(cè)板上輸入寄存器的狀態(tài)。

讀取模擬數(shù)據(jù)：讀取單個(gè)模擬輸入或所有模擬輸入，并將數(shù)據(jù)顯示到控制臺(tái)。

寫入模擬數(shù)據(jù)：寫入模擬輸出以產(chǎn)生電壓或電流。

模擬回波：從模擬輸入板讀取模擬電壓或電流，并將相同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并寫入模擬輸出值，無需本地處理。該軟件可以擴(kuò)展到包括故障監(jiān)測(cè)和響應(yīng)或閉環(huán)PID控制回路等功能，將這些功能從主機(jī)上卸載，并在通信總線上節(jié)省帶寬。

覆盆子皮可以作為一個(gè)緊湊和低成本的主機(jī)解決方案。Raspberry Pi提供有線或無線以太網(wǎng)連接，它可以直接連接到EVAL-ADICUP3029的USB-UART。

目前使用的三種最常見的Modbus版本是Modbus ASCII、Modbus RTU和Modbus TCP。所有Modbus消息都以相同的格式發(fā)送。三種Modbus類型之間的唯一區(qū)別在于如何對(duì)消息進(jìn)行編碼。

可以通過Modbus連接的設(shè)備數(shù)量取決于物理層和數(shù)據(jù)協(xié)議。如果RS-485物理層與Modbus RTU或Modbus ASCII數(shù)據(jù)協(xié)議一起使用，則可以尋址的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為32，而如果以太網(wǎng)物理層與Modbus TCP數(shù)據(jù)協(xié)議一起使用，則可以尋址247個(gè)節(jié)點(diǎn)。

設(shè)備地址是一個(gè)從0到247的數(shù)字。發(fā)送到地址0（廣播消息）的消息可以被所有從機(jī)接受，但從1到247的數(shù)字是特定設(shè)備的地址。

CN-0414和CN-0418的Arduino外形確保了與支持多種其他自動(dòng)化通信協(xié)議的開發(fā)平臺(tái)的兼容性，這些協(xié)議包括過程現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)（PROFINET）、過程現(xiàn)場(chǎng)總線（PROFIBUS）、控制自動(dòng)化技術(shù)以太網(wǎng)（EtherCAT）、以太網(wǎng)/IP、Modbus Plus等。

電路評(píng)估與測(cè)試

概述開始參考演示所需的必要設(shè)備和一般步驟?？梢允褂密浖腃LI選項(xiàng)組裝和測(cè)試DCS系統(tǒng)的基本功能。

所需設(shè)備

The following equipment is needed:

PC with a USB port and Windows 7 (32-bit) or higher

Serial terminal program such as TeraTerm or Putty

One or more EVAL-CN0414-ARDZ circuit evaluation board and/or EVAL-CN0418-ARDZ circuit evaluation board for every node

One or more EVAL-CN0416-ARDZ circuit evaluation board for the Modbus interface and another EVAL-CN0416-ARDZ board for every node

One ADALM-UARTJTAG evaluation board with an additional EVAL-CN0416-ARDZ board (or other halfduplex RS-485 adapter)

One EVAL-ADICUP3029 evaluation board for each node

Micro USB cable

One RJ-45 cable for the RS-485 interface and another for every node

PLC system software or pre-built hex file

A 24 V DC at 1 A power supply

入門

以下是設(shè)置的基本步驟：

1. 將EVAL-ADICUP3029的USB電纜插入PC，并將固件閃存到每個(gè)使用過的板上。

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。確保每個(gè)板上的跳線和開關(guān)設(shè)置正確?？蛇x地，對(duì)于模擬輸入板，分別連接傳感器或信號(hào)源，對(duì)于模擬輸出板，連接執(zhí)行器或萬用表。

3. 對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)，按以下順序?qū)⑵脚_(tái)和屏蔽板堆疊在一起：

EVAL-CN0416-ARDZ (top)

EVAL-CN0414-ARDZ or EVAL-CN0418-ARDZ (optional)

EVAL-CN0414-ARDZ or EVAL-CN0418-ARDZ (optional)

EVAL-CN0414-ARDZ or EVAL-CN0418-ARDZ (optional)

EVAL-CN0414-ARDZ or EVAL-CN0418-ARDZ (optional)

EVAL-ADICUP3029 (bottom)

4. 在節(jié)點(diǎn)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適配器連接到主機(jī)。

6. 按下3029_重置按鈕或關(guān)閉系統(tǒng)電源。

Figure 8. Single-Node PLC Analog I/O System

Figure 9. DCS Analog I/O System