基于Modbus主機(jī)管控的PLC和DCS系統(tǒng)設(shè)計

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(yīng)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(jī)、一個單節(jié)點(diǎn)、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(jī)，如此，用戶可以使用 Modbus 協(xié)議與節(jié)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn) Modbus 協(xié)議的串行接口提供，確保在一系列軟件應(yīng)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(zhuǎn)換為模擬電壓或電流信號。

每個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)在設(shè)計時，可以使用提供的硬件和軟件基礎(chǔ)架構(gòu)。該電路支持點(diǎn)對點(diǎn) HART 通信，可以擴(kuò)展為多分轉(zhuǎn)站 HART 網(wǎng)絡(luò)，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(shí)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(yán)峻的工業(yè)自動化環(huán)境中使用時，這些功能可以增強(qiáng)可靠性和耐用性。

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

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

電路描述

該應(yīng)用側(cè)重于展示受 Modbus 主機(jī)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(diǎn)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(diǎn)可以管控多達(dá) 16 個模擬現(xiàn)場器件、傳感器或驅(qū)動器（兼容 HART 或僅支持模擬），系統(tǒng)可以擴(kuò)展，最多包含 16 個單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)也可用于通用精密模擬數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，例如儀器儀表、模擬數(shù)據(jù)記錄，或測試和測量。

PLC/DCS 拓?fù)?/p>

支持多個連接拓?fù)洹Ｔ趩喂?jié)點(diǎn)（PLC，或單節(jié)點(diǎn) DCS）系統(tǒng)中，主機(jī)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(jī)和節(jié)點(diǎn)之間距離小于 2 米的實(shí)驗(yàn)室測試和測量應(yīng)用。

在這個點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)渲?，電路板四個一組的模擬輸入和輸出仍然與主機(jī)保持隔離。雖然一般來說與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備不相關(guān)，但 Modbus 協(xié)議提供一種方便、標(biāo)準(zhǔn)的與節(jié)點(diǎn)通信的方法。HART 連接支持對智能傳感器和驅(qū)動器實(shí)施配置。

主機(jī)和節(jié)點(diǎn)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(yán)重的隱患。在這些情況下，EVAL-CN0416-ARDZ 為主機(jī)提供可靠的 RS-485 連接。在單節(jié)點(diǎn)、點(diǎn)對點(diǎn)系統(tǒng)中，支持在 1 km 以上距離中進(jìn)行全雙工或半雙工通信，具體由波特率決定。

對于多節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。

因?yàn)?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(shí)現(xiàn)簡單、可靠且耐用的系統(tǒng)。PLC/DCS 應(yīng)用的硬件協(xié)議棧包含三個不同的參考設(shè)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(zhuǎn)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(dú)特的特性，支持在±10 V 電壓輸入上進(jìn)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(nèi)部為 60 Ω），所有輸入都以絕緣接地為基準(zhǔn)。電流輸入上需要 250 Ω輸入電阻，以使符合 HART 要求的 AD5700-1 調(diào)制解調(diào)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(cè)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(chǔ)構(gòu)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(diào)制解調(diào)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(hù)電路，這對惡劣工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用極其重要。

電流輸出和電壓輸出通過獨(dú)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(hù)。

AD5755-1 集成基于 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)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(diǎn)之間輕松實(shí)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(jìn)行隔離通信，使用 LTC2865 RS-485 來進(jìn)行非隔離通信。 這兩種器件都可以配置進(jìn)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(diǎn)物理連接。端電極電阻被默認(rèn)設(shè)置為 CAT5 電纜的特性阻抗 100 ?，但在配置之后，可以支持標(biāo)準(zhǔn) RS-485 電纜的 120 ?阻抗。

ADM2682E 的數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到 16 Mbps，提供真正安全的接收器輸入和經(jīng)過調(diào)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(zhuǎn)換器，提供 5 kV 電源隔離。

LTC2865 的數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到 20 Mbps，提供真正安全的接收器輸入。由一個內(nèi)部窗口比較器確定安全狀況，無需調(diào)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(luò)

HART 器件可在點(diǎn)對點(diǎn)或多分轉(zhuǎn)站這兩種網(wǎng)絡(luò)配置中的一種運(yùn)行。

在點(diǎn)對點(diǎn)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(shí)施控制。HART 協(xié)議提供訪問輔助變量和其他數(shù)據(jù)的權(quán)限，這些數(shù)據(jù)可用于實(shí)施操作、調(diào)試、維護(hù)和診斷。

Modbus 協(xié)議

在 EVAL-ADICUP3029 上運(yùn)行的軟件采用 Modbus 協(xié)議——一種事實(shí)上的開放型工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)。Modbus 提供一種與單個節(jié)點(diǎn)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(xiàng)開放標(biāo)準(zhǔn)，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(yàn)證，無需主機(jī)上裝載任何額外的軟件。

硬件和軟件協(xié)議棧

PLC/DCS 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)軟件和硬件協(xié)議棧如圖 7 所示。

圖 7.PLC/DCS 節(jié)點(diǎn)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(jī)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(yīng)用程序，將模擬和 HART 參數(shù)轉(zhuǎn)化為 Modbus 寄存器地址和值。

CN-0435 用戶指南提供此應(yīng)用程序的 Modbus 寄存器映射的完整描述，并使用開源 Modbus 調(diào)試器來驗(yàn)證 Modbus 的合規(guī)性。

此外，還提供多個基于開源 Modbus 庫的頂層應(yīng)用，包括：

檢測系統(tǒng)配置：查詢所有 Modbus 節(jié)點(diǎn)，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(chǎn)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(shí)施本地處理。該軟件可以擴(kuò)展包含故障檢測和響應(yīng)等功能，或者包含閉環(huán) PID 控制環(huán)路，從主機(jī)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(jié)構(gòu)緊湊、價格低廉的主機(jī)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)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(shù)的以太網(wǎng)（EtherCAT）、EtherNet/IP、Modbus Plus，以及其他協(xié)議。
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