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工業過程控制系統的 PLC 評估板應用多種多樣，從簡單的交通控制到復雜的電網，從環境控制系統到煉油廠過程控制。 這些自動化系統的智能在于其測量和控制單元。 處理各種模擬和數字輸入和輸出的兩種最常見的基于計算機的控制機器和過程的系統是可編程邏輯控制器 (PLC) 和分布式控制系統 (DCS)。 這些系統包括電源、中央處理器單元 (CPU) 和各種模擬輸入、模擬輸出、數字輸入和數字輸出模塊。
標準的通信協議已經存在很多年了； 模擬變量的范圍主要是 4 mA 到 20 mA、0 V 到 5 V、0 V 到 10 V、+/-5 V 和 +/-10 V。關于下一個無線解決方案的討論很多 - 代系統，但設計人員仍聲稱 4 mA 至 20 mA 通信和控制回路將繼續使用多年。 下一代這些系統的標準將包括更高的性能、更小的尺寸、更好的系統診斷、更高級別的保護和更低的成本——所有這些因素將幫助制造商將他們的設備與競爭對手的設備區分開來。
本文研究了過程控制系統及其包含的模擬輸入/輸出模塊的關鍵性能要求，并介紹了一種工業過程控制評估系統，該系統使用最新的集成電路技術集成了這些構建塊。 本文還探討了設計能夠承受工業環境中的電快速瞬變 (EFT)、靜電放電 (ESD) 和電壓浪涌的穩健系統所面臨的挑戰，并提供了驗證設計穩健性的測試數據。
PLC 概述
應用示例
圖 1 顯示了一個基本的過程控制系統構建塊。 通過輸入模塊監控過程變量，例如流速或氣體濃度。 信息由中央控制單元處理；輸出模塊采取一些動作，例如驅動執行器。
圖 2 顯示了這種類型的典型工業子系統。 在這里，CO2 氣體傳感器確定保護區內積聚的氣體濃度，并將信息傳輸到中央控制點。 控制單元包括一個模擬輸入模塊，用于調節來自傳感器的 4 mA 至 20 mA 信號、一個中央處理單元和一個控制所需系統變量的模擬輸出模塊。電流回路可以處理大電容負載——通常可以找到 在某些工業系統中經歷的數百米長的通信路徑上。傳感器元件的輸出（代表氣體濃度水平）被轉換為標準的 4 mA 至 20 mA 信號，通過電流回路傳輸。這個簡化的示例 顯示連接到單通道輸入模塊的單個 4 mA 至 20 mA 傳感器輸出和單個 0 V 至 10 V 輸出。實際上，大多數模塊具有多個通道和可配置范圍。
輸入/輸出模塊的分辨率通常為 12 至 16 位，在工業溫度范圍內具有 0.1% 的精度。 橋式傳感器的輸入范圍小至 +/-10 mV，致動器控制器的輸入范圍大至 +/-10 V，或者過程控制系統中的 4 mA 至 20 mA 電流。 模擬輸出電壓和電流范圍通常包括 +/-5 V、+/-10 V、0 V 至 5 V、0 V 至 10 V、4 mA 至 20 mA 和 0 mA 至 20 mA。 數模轉換器 (DAC) 的穩定時間要求從 10 us 到 10 ms 不等，具體取決于應用和電路負載。
將 4 mA 到 20 mA 范圍映射為代表正常氣體檢測范圍； 超出此范圍的電流值可用于提供故障診斷信息，如表 1 所示。
PLC評估系統
此處描述的 PLC 評估系統集成了生成完整輸入/輸出設計所需的所有階段。 它包含四個完全隔離的 ADC 通道、一個帶 RS-232 接口的 ARM7 微處理器和四個完全隔離的 DAC 輸出通道。 該板由直流電源供電。 硬件可配置輸入范圍包括 0 V 至 5 V、0 V 至 10 V、+/-5 V、+/-10 V、4 mA 至 20 mA、0 mA 至 20 mA、+/-20 mA，以及 作為熱電偶和 RTD。 軟件可編程輸出范圍包括 0 V 至 5 V、0 V 至 10 V、+/-5 V、+/-10 V、4 mA 至 20 mA、0 mA 至 20 mA 和 0 mA 至 24 mA。
輸出模塊：
表 2 突出顯示了 PLC 輸出模塊的一些關鍵規格。 由于真正的系統精度在于測量通道 (ADC)，控制機制 (DAC) 只需要足夠的分辨率來調整輸出。 對于高端系統，需要 16 位分辨率。 使用標準數模架構實際上很容易滿足這一要求。 精度并不重要；12 位積分非線性 (INL) 通常足以滿足高端系統的需求。
通過超量程輸出和微調以達到所需值，很容易在 25C 下實現 0.05% 的校準精度。 今天的 16 位 DAC，例如 AD5066，在 25C 時提供 0.05 mV 的典型失調誤差和 0.01% 的典型增益誤差，在許多情況下無需校準。 0.15% 的總精度誤差聽起來可以控制，但在指定溫度范圍內時實際上是相當激進的。 30 ppm/C 的輸出漂移會在工業溫度范圍內增加 0.18% 的誤差。
輸出模塊可能具有電流輸出、電壓輸出或組合。 圖 4 顯示了使用分立元件實現 4 mA 至 20 mA 環路的經典解決方案。AD5660 16 位 nanoDAC 轉換器提供 0 V 至 5 V 輸出，通過檢測電阻 RS 設置電流，因此， a 通過 R1。 該電流通過 R2 鏡像。
設置 RS = 15 kohm、R1 = 3 kohm、R2 = 50 ohm 并使用 5-V DAC 將導致 IR2 = 20 mA 最大值。
這種分立設計存在許多缺點：其高組件數會導致顯著的系統復雜性、電路板尺寸和成本。計算總誤差很困難，多個組件會增加不同程度的誤差，系數可能具有不同的極性。 該設計不提供短路檢測/保護或任何級別的故障診斷。 它不包括許多工業控制模塊所需的電壓輸出。 添加任何這些功能都會增加設計復雜性和組件數量。 更好的解決方案是將上述所有功能集成在單個 IC 上，例如 AD5412/AD5422 低成本、高精度、12 位/16 位數模轉換器。 它們提供的解決方案提供完全集成的可編程電流源和可編程電壓輸出，旨在滿足工業過程控制應用的要求。
輸出電流范圍可編程為 4 mA 至 20 mA、0 mA 至 20 mA 或 0 mA 至 24 mA 超范圍功能。電壓輸出可在單獨的引腳上提供，可配置為提供 0 V 至 5 V、0 V 至 10 V、+/-5 V 或 +/-10 V 量程，所有量程均提供 10% 的超量程。 模擬輸出具有短路保護，這是在輸出接線錯誤的情況下的一個關鍵特性——例如，當用戶將輸出連接到地而不是負載時。 AD5422 還具有開路檢測功能，可監控電流輸出通道，以確保輸出和負載之間沒有發生故障。 如果發生開路，FAULT 引腳將激活，向系統控制器發出警報。AD5750 可編程電流/電壓輸出驅動器具有短路檢測和保護功能。
圖 6 顯示了 PLC 評估系統中使用的輸出模塊。早期的系統通常需要 500 V 至 1 kV 的隔離，而今天通常需要 >2 kV。ADuM1401 數字隔離器使用 iCoupler 技術在 MCU 和 遠程負載，或輸入/輸出模塊和背板之間。 ADuM1401 的三個通道在一個方向上通信；第四個通道在相反方向上通信，提供來自轉換器的隔離數據回讀。 對于較新的工業設計，ADuM3401 及其數字隔離器系列的其他成員可提供增強的系統級 ESD 保護。
AD5422 產生自己的邏輯電源 (DVCC)，可直接連接到 ADuM1401 的現場側，無需將邏輯電源跨過隔離柵。 AD5422 包含一個內部檢測電阻器，但在需要較低漂移時可以使用一個外部電阻器 (R1)。 由于檢測電阻控制輸出電流，其電阻的任何漂移都會影響輸出。 內部檢測電阻的典型溫度系數為 10 ppm/C 至 20 ppm/C，在 60C 溫度范圍內可能會增加 0.12% 的誤差。 在高性能系統應用中，可以使用外部 2-ppm/C 檢測電阻器將漂移保持在 0.016% 以下。
AD5422 具有一個內部 10-ppm/C 最大電壓基準，可在 PLC 評估系統的所有四個輸出通道上啟用。或者，ADR445 超低噪聲 XFET 電壓基準具有 0.04% 的初始精度和 3 ppm/C ，可用于兩個輸出通道，允許進行性能比較，并根據所需的總系統性能選擇內部與外部參考。
輸入模塊：輸入模塊設計規范與輸出模塊類似。 高分辨率和低噪聲通常很重要。 在工業應用中，當測量來自熱電偶、應變計和橋式壓力傳感器的低電平信號時，需要差分輸入，以抑制來自電機、交流電源線或其他將噪聲注入模擬的噪聲源的共模干擾 模數轉換器 (ADC) 的輸入。
Sigma-delta ADC 是最流行的輸入模塊選擇，因為它們提供高精度和分辨率。 此外，內部可編程增益放大器 (PGA) 允許精確測量小輸入信號。 圖 7 顯示了評估系統中使用的輸入模塊設計。 AD7793 3 通道、24 位 Σ-Δ ADC 配置為適應大范圍的輸入信號，例如 4 mA 至 20 mA、+/-10 V，以及直接來自傳感器的小信號輸入。
小心使這種通用輸入設計易于適應 RTD/熱電偶模塊。 如圖所示，每個輸入通道提供兩個輸入端子塊。 一個輸入允許直接連接到 AD7793。 用戶可以對內部 PGA 進行編程，以提供高達 128 的模擬增益。第二個輸入允許通過 AD8220 JFET 輸入儀表放大器對信號進行調理。在這種情況下，輸入信號經過衰減、放大和電平轉換，以提供 ADC的單端輸入。 除了提供電平轉換功能外，AD8220 還具有非常好的共模抑制，這在具有寬動態范圍的應用中非常重要。
低功耗、高性能 AD7793 消耗 <500 A，而 AD8220 消耗 <750 A。該通道設計用于接受 4 mA 至 20 mA、0 V 至 5 V 和 0 V 至 10 V 模擬輸入。輸入模塊中的其他通道設計用于雙極操作，以接受 +/-5 V 和 +/-10 V 輸入信號。要測量 4 mA 至 20 mA 輸入信號，可以將低漂移精密電阻 (S4) 切換到電路中。在本設計中，它的電阻為 250 歐姆，但只要產生的電壓在 AD8220 的輸入范圍內，任何值都可以使用。測量電壓時，S4 保持開路。大多數輸入模塊設計都需要隔離。圖 7 顯示了如何在 PLC 評估系統的一個通道上實現隔離。 ADuM5401 4 通道數字隔離器使用 isoPower6 技術提供 2.5kV rms 信號和電源隔離。除了提供四個隔離信號通道外，ADuM5401 還包含一個隔離 DC-DC 轉換器，該轉換器提供 5V、500mW 的穩壓輸出，為輸入模塊的模擬電路供電。完整系統：
整個系統的概覽如圖 8 所示。ADuC7027 精密模擬微控制器是主系統控制器。
其 32 位架構采用 ARM7TDMI 內核，可輕松連接到 24 位 ADC。它還支持 16 位拇指模式，如果需要，它允許更高的代碼密度。 ADuC7027 具有 16 kB 板載閃存，并允許連接至高達 512 kB 的外部存儲器。 ADP3339 高精度、低壓差穩壓器 (LDO) 為微控制器提供穩壓電源。
評估板和 PC 之間的通信通過 ADM3251E 隔離式 RS-232 收發器提供。 ADM3251E 采用 isoPower 技術，無需單獨的隔離式 DC-DC 轉換器。 它非常適合在電氣惡劣的環境或經常插入或拔出 RS-232 電纜的情況下運行，因為 RS-232 引腳 Rx 和 Tx 可防止高達 +/-15 kV 的靜電放電。