適用于PLC/DCS應用,支持HART和Modbus連接的模擬I/O系統

winniewei 提交于 周二, 10/22/2019
適用于PLCDCS應用,支持HART和Modbus連接的模擬IO系統

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

電路功能與優勢

可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(DCS)被用于監測和控制工業自動化應用中的智能(支持HART)和模擬現場儀器儀表。

圖1所示的電路是一個簡單的DCS系統,由一臺主機、一個單節點、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收發器連接至PC或其他主機,如此,用戶可以使用Modbus協議與節點交換數據。

模擬輸入數據從本地讀取,通過使用行業標準Modbus協議的串行接口提供,確保在一系列軟件應用和庫中,保證數據完整性和可兼容性。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個節點的多節點系統在設計時,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。在嚴峻的工業自動化環境中使用時,這些功能可以增強可靠性和耐用性。

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圖1.PLC(或單節點DCS)Modbus系統功能框圖

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圖2.多節點DCS Modbus系統功能框圖

電路描述

該應用側重于展示受Modbus主機管控的PLC/DCS系統的開發,并且通過示例說明如何使用重要組件的最新功能。單節點系統通常被稱為PLC,更大型的系統則通常被稱為DCS。

每個節點可以管控多達16個模擬現場器件、傳感器或驅動器(兼容HART或僅支持模擬),系統可以擴展,最多包含16個單獨的節點。該系統也可用于通用精密模擬數據采集應用,例如儀器儀表、模擬數據記錄,或測試和測量。

PLC/DCS拓撲

支持多個連接拓撲。在單節點(PLC,或單節點DCS)系統中,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協議提供一種方便、標準的與節點通信的方法。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。在單節點、點對點系統中,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。

對于多節點系統(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,因此系統可以集成2到16個節點。

因為Modbus被用作串行通信協議,以通過串行鏈路,在器件之間發送信息,因此無論規模大小,都可以實現簡單、可靠且耐用的系統。PLC/DCS應用的硬件協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AD4111AD5700-1通過ADuM5411ADuM3151與處理側隔離,相比基于分立式變壓器的解決方案,能夠節省大量空間。

CN-0414板由9.5 V至36 V直流電源供電,這在工業自動化系統中非常典型,因此能夠輕松集成到您的系統之中。

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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,這對惡劣工業環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,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,并出現在對應的輸出端(如果該輸出已使能)。

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圖4.模擬輸出板

RS-485收發器板

圖5所示的CN-0416是一款隔離和非隔離式RS-485收發器板,能夠在多個系統或節點之間輕松實施數據傳輸,尤其是在長距離下。

該電路使用ADM2682E?RS-485收發器來進行隔離通信,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以太網電纜,快速和節點物理連接。端電極電阻被默認設置為CAT5電纜的特性阻抗100 ?6?8,但在配置之后,可以支持標準RS-485電纜的120 ?6?8阻抗。

ADM2682E的數據速率可以達到16 Mbps,提供真正安全的接收器輸入和經過調整的差動電壓閾值。它使用iCoupler數據通道,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的數據速率可以達到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,無需調節差動輸入電壓閾值。

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圖5.RS-485收發器板

兼容HART的現場器件的接線

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圖6.兼容HART的現場器件的接線

HART網絡

HART器件可在點對點或多分轉站這兩種網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、配置參數和其他器件數據則通過HART協議以數字方式傳輸。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協議提供訪問輔助變量和其他數據的權限,這些數據可用于實施操作、調試、維護和診斷。

Modbus協議

EVAL-ADICUP3029上運行的軟件采用Modbus協議——一種事實上的開放型工業通信標準。Modbus提供一種與單個節點交換數據的可靠方式,通過CRC誤差檢測來確保數據的完整性。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。

硬件和軟件協議棧

PLC/DCS節點系統軟件和硬件協議棧如圖7所示。

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圖7.PLC/DCS節點系統軟件和硬件協議棧

配置PLC/DCS硬件之后,用戶一般會根據語言(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:

????檢測系統配置:查詢所有Modbus節點,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。

????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。

????讀取模擬數據:讀取單個模擬輸入或所有模擬輸入,在控制臺顯示數據。

????寫入模擬數據: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PID控制環路,從主機上卸載這些功能,節省通信總線的帶寬。

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送。這三種Modbus類型的唯一區別在于消息的編碼方式。

可以通過Modbus連接的器件的數量由物理層和數據協議決定。如果RS-485物理層和Modbus RTU或Modbus ASCII數據協議一起使用,那么可以尋址的節點的最大數量為32,但是,如果以太網物理層和Modbus TCP數據協議一起使用,則可以尋址的節點為247個。

器件的地址是從0至247的數字。發送至地址0的消息(廣播消息)會被所有從機接受,但1到247這些數值是特定器件的地址。

CN-0414CN-0418的Arduino尺寸確保與支持廣泛的其他自動化通信協議的開發平臺兼容,包括過程現場網(PROFINET)、過程現場總線(PROFIBUS)、控制自動化技術的以太網(EtherCAT)、EtherNet/IP、Modbus Plus,以及其他協議。?

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。可使用軟件的CLI選項,來裝配DCS系統并測試其基本功能。如需查看完整說明和附加信息,請參閱分布式控制系統(DCS)演示Wiki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點

????PLC系統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.???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(DCS)演示Wiki用戶指南。確保正確設置每塊板上的跳線和開關。或者,對于模擬輸入板,連接傳感器或信號源,對于模擬輸出板,則連接執行器或萬用表。

3.對于每個節點,按以下順序將平臺和擴展板堆疊在一起:

????EVAL-CN0416-ARDZ(頂部)

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

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

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

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

????EVAL-ADICUP3029(底部)

4.在節點和RS-485適配器(可能是ADALM-UARTJTAGEVAL-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。

如需查看完整細節,請參閱分布式控制系統(DCS)演示Wiki用戶指南。

功能框圖

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圖8.單節點PLC模擬I/O系統

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圖9.DCS模擬I/O系統

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

數據手冊和評估板

CN-0414電路評估板(EVAL-CN0414-ARDZ)

CN-0418電路評估板(EVAL-CN0414-ARDZ)

CN-0416電路評估板(EVAL-CN0414-ARDZ)

ADALM-UARTJATG電路評估板(ADALM-UARTJATG)

ADICUP3029開發平臺(EVAL-ADICUP3029)

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