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适用于工业流程控制系统的PLC评估用电路板应用装置有许多种,范围从简单的流量控制一直到复杂的电力网(electrical power grids),从环境控制系统到炼油流程控制都有。这些自动化系统所具有的智能乃是来自于其内的量测与控制单元。有两种最常见以计算机为基础的系统,能够控制机器与流程,处理不同的模拟与数字输入和输出,那就是可编程逻辑控制器(PLC)以及分布式控制系统(DCS)。这些系统中包含有电源供应、中央处理单元(CPU)、以及各种的模拟输入、模拟输出、数字输入、与数字输出模块。
标准的通信用协议已经存在多年;其模拟变量的范围从4mA～20mA、0V～5V、0V～10V、+/-5V,以及+/-10V。关于针对次世代系统的无线解决方案已经有许多的讨论,但是设计厂商仍然认为4mA～20mA的通信与控制回路将会被继续使用许多年。针对这些系统的次世代,其标准将会包含较高的性能、较小的尺寸、更好的系统诊断,更高位准的保护、以及更低的成本,这些都是能够协助生产厂商使其产品与竞争对手有所不同的因素。
本文检视了流程控制系统以及其所包含模拟输入/输出模块中的关键性能需求,并且介绍一款利用最新集成电路技术将这些建构部件予以整合的工业流程控制系统。文中也检视了在设计一款坚固耐用的系统一它能够忍受在工业环境中出现的电气快速瞬时(EFT)、静电放电(ESD)、以及电压浪涌(surges)上所面临的种种挑战,并且提供能够证明设计耐用度的测试数据。
以应用实例综观PLC
图1所示为基本的流程控制系统建构部件。流程变量,例如流动率(flow rate)或是气体浓度(gas concentration)是透过输入模块进行监测。信息是由中央控制单元予以处理;而部份的动作则是由输出模块负责,例如驱动致动器等。
图2所示为这种类型的典型工业次系统。此处有一组CO2气体传感器会判定受保护区域中所累积气体的浓度,并且将信息传送至中央控制点。控制单元中包含有一组可以调节来自于传感器的4mA～20mA信号的模拟输入模块、一组中央处理单元、以及一组能够控制必要系统变量的模拟输出模块。电流回路能够处理大型的电容负载一这些电容负载常常会出现在某些工业系统中数百米长的通信路径中。传感器部件的输出,代表气体浓度的位准,会被转换成标准的4mA～20mA信号,传送到电流回路上。这个经过简化的实例所呈现的是单一4mA～20mA传感器输出链接至单信道输入模块与单-0V～10V的输出。实际上,大部分的模块都具有多重的信道与组态范围。
输入/输出模块的分辨率,其范围通常是从12～16位,具有工业温度范围的0.1%精确度。输入范围最小可以达到适用于桥接变换器的+/-10 mV,最大则可以达到适用于致动器控制器的+/-10V或是流程控制系统中的4 mA-20 mA电流。模拟输出-电压与电流,其范围通常包括有+/5V、+/-10V、0V～5V、0V～10V、4 mA～20 mA、以及0mA～20mA。对于数字模拟转换器(DAC)的安定时间需求,其范围由10μs～10ms,依据应用装置与电路负载而定。
4 mA～20 mA范围会被加以映像,用以表示一般的气体侦测范围;超出此范围的电流值可以做为提供故障诊断的信息,如表1中所示。
PLC评估系统
此处介绍的PLC评估系统整合了在产生出完整输入/输出设计上所需要的所有级(stages)。其包含了4组完全隔离的ADC通道、1组具有RS-232接口的ARM7微处理器、以及4组完全隔离的DAC输出通道。此电路板由dc电源供应供电。硬件的组态可以设定,其输入范围包括有0V～5V、0V～10V、+/-5V、+/-10V、4 mA～20 mA、0mA～20mA、+/-20 mA、以及热耦合与RTD。软件可编程的输出范围则包括有0V～5V,0V至10V、+/-5V、+/-10V、4 mA～20 mA、0mA～20 mA、以及0mA～24 mA。
输出模块:表2中将PLC输出模块的部份关键性规格加以强调出来。由于真正的系统精确度必须仰赖量测通道(ADC),因此控制机制(DAC)只需要足够的分辨率用以调整输出。对于高端系统则需要16位的分辨率。使用标准的数字模拟架构将能够非常轻易的满足此需求。精确度并非至关紧要;对于高阶系统而言,12位积分非线性度往往比较适合。
藉由使输出超过范围与将其微调至所需值,就可以轻易的达成在25C下0.05%的校正精确度。现今的16位DAC,例如AD 5066具有在25C下0.05mV典型偏移误差以及0.01%典型增益误差,这将可以省去许多状况下的校正需要。0.15%的总体精确度误差似乎很易于管理,但是实际上在随温度设定时却有相当的问题。一个30 ppm/C的输出漂移会随着工业温度范围增加0.18%的误差。
输出模块也会有电流输出、电压输出、或是两者的组合。典型的解决方案就是使用离散式的零件来执行4 mA～20 mA回路,如图4所示。AD 5660 16位nanoDAC转换器提供0V～5V的输出,用以设定通过传感器电阻Rs的电流,并因而也有一组电流通过R1。此电流会通过R2而产生镜像。
设定Rs=15KΩ、R1=3KΩ、R2=50Ω,并使用一组5V的DAC,将会获得IR2=20mA(最大)的结果。
这种分离式的设计会产生许多的缺点:大量的部件数会造成显着的系统复杂度、电路板尺寸、以及成本。要计算出总误差会很困难,因为多种部件将会有不同极性的系数,因而增加不同程度的误差。这种设计无法提供短路侦测/保护或是任何位准的故障诊断。在许多任务业控制模块中所需要的电压输出也不包含在这种设计当中。要增加任何一项这种特性都会提高复杂度与零件数量。比较好的解决方案是将上述的所有特性都整合在单-IC当中,像是AD5412/AD 5422低成本高精密度的12/16位数字模拟转换器。这些部件提供了经过完全整合的可编程电流源极以及可编程电压输出的解决方案,此乃是为了因应工业流程控制应用领域之需求而设计。
该部件的输出电流范围可加以编程为4 mA～20mA、0 mA～20 mA、或是0 mA～24 mA过范围功能。在独立接脚上所供应的电压输出可以被设定为提供0V～5V、0V～10V、+/-5V、或是+/-10V的范围,具有在所有范围中都可使用的10%过范围。模拟输出具有短路保护(在导线错接输出的情况下,这是一项至为重要的特点),举例来说,当使用者 将输出接地而非连接至负载时。AD 5422也具有开放式回路侦测的特点用以监测电流输出信道,确保输出与负载之间没有故障发生。在开放式回路的情况下,FAULT接脚将会启动,对系统控制器发出警示。AD 5750可编程电流/电压输出驱动器具备有短路侦测与保护两种特点。
图6所示为使用于PLC评估系统中的输出模块。虽然较早期的系统一般都需要500V～1kV的隔离,但是目前大多数的需求是小于2 kV。ADuM 1401数字隔离器采用iCoupler技术,以提供MCU以及远程负载之间,或者是输入/输出模块与基板之间的必要隔离。ADuM 1401的三组通道以同一个方向进行沟通:第四组通道则以相反的方向进行沟通,藉以提供由转换器回读(readback)的隔离数据。对于比较新的工业设计,ADuM 3401与其它数字隔离器家族中的成员能够提供加强的系统位准ESD保护。
AD 5422会生成其自身的逻辑供应(DVCC),能够被直接的连结至ADuM 1401的场侧(field side),进而省去了要引领逻辑供应通过隔离障蔽的需求。AD 5422包含有一组内部感测电阻器,但是在需要较低漂移的时候也可以使用外部的电阻器(R1)。由于感测电阻器会控制输出电流,因此任何其电阻值的漂移都会对输出造成影响。典型的内部感测电阻器的温度系数为10 ppm/℃～20ppm/℃,在60℃的温度范围下会增加0.12%的误差。在高性能系统应用领域当中,可以使用一组外部的2 ppm/℃感测电阻器维持漂移低于0.016%。
AD 5422具有一组可以在PLC评估系统内所有的四组输出通道中致能的内部10 ppm/℃最大电压参考器。或者可以将ADR 445超低噪声XFET电压参考器,以其0,04%的初始精确度以及3 ppm/℃使用于两组输出信道上,使得性能可以有所比较,以及对内部与外部参考器做出选择,依据总体所需的系统性能而定。
输入模块:输入模块设计的规格与输出模块的规格类似。高分辨率与低噪声一般来说都很重要。在工业应用领域里,当需要对来自于热耦合、应变仪、以及桥接类型的压力传感器进行量测,以便排拒来自于马达,AC电源线、或是其它噪声源的共模干扰会将噪声注入模拟数字转换器(ADC)的模拟输入当中时,就需要使用差动输入。
对于输入模块而言,积分三角ADCs是最受到欢迎的选择,因为它们能够提供高精确度以及分辨率。此外,内部可编程增益放大器(PGAs)使较小的输入信号可以获得精确的量测。图7中所示为使用于评估系统中的输入模块设计。其中的AD 7793三信道24位积分三角ADC被设定为能够容纳大范围的输入信号,像是4 mA～20 mA、+/-10V、以及直接来自于传感器的较小信号输入。
这个通用型的输入设计经过用心的安排,因此更易于适用在RTD/热耦合模块中。如图中所示,每个输入通道中都有两组输入终端部件。一组输入可以用来直接连结至AD 7793。使用者可以将内部的PGA加以编程,以便提供高达128的模拟增益。第二组输入则使得信号可以透过AD 8220 JFET输入仪表放大器加以调整。在这个状况中,输入信号会被衰减、放大、与位准偏移,藉以提供单端输入给ADC。除了提供位准偏移功能之外,AD 8220也具有非常良好的共模拒斥,这在具有广大动态范围的应用领域中很重要。
低功率高性能的AD 7793只消耗不到500A,而AD 8220则只消耗不到750A。此通道乃是为了接受4 mA～20 mA、0V～5V、以及0V～10V的模拟输入所设计。输入模块中的其它信道都已经针对双极作业而设计,用以接受+/-5V与+/-10V的输入信号。
为了要量测4 mA～20mA的输入信号,可以将一组低漂移精密电阻切换{s4)至电路当中。在这个设计里面,其电阻值为250Ω,但是只要所生成的电压落在AD 8220的输入范围之内,那么任何值都可以使用。
在量测电压时,S4会维持开启状态。
对于大部分的输入模块设计而言,隔离是有需要的。图7所示为在PLC评估系统的一组信道中,隔离是如何执行的。ADuM 5401四信道数字隔离器采用了isoPower6技术,藉以提供2.5 kV rms信号与电源隔离。ADuM 5401除了具有四组隔离的信号信道之外,也包含有一组受到隔离的dc对dc转换器,能够提供经过调节的5V、500 mW输出,为输入模块的模拟电路提供电力。
完整的系统:完整系统的概观如图8所示。ADuC 7027精密模拟微控制器是主要的系统控制器。该部件具有ARM7TDMI核心,其32位架构使其在与24位ADC的接口链接变得很容易。该部件也支持16位的thumb mode,在有其需要时能够允许更多的代码。ADuC 7027具有16kB的内建闪存,并且可以连结高达512kB的外部内存。ADP 3339高精确度低压降稳压器(LDO)可以替微控制器提供经过调节的电源供应。
介于评估用电路板与PC之间的通信则是透过ADM3251E隔离式RS-232收发器来提供。ADM 3251E结合了isoPower技术,因而不再需要使用独立的隔离式dc对dc转换器。该部件很适合于在电气恶劣之环境中的运作,或是Rs-232缆线经常需要插拔的作业,如RS-232接脚、Rx与Tx都需要受到保护,以避免高达+/-15kV的静电放电。
在下篇中会包含有评估系统软件、模拟输入与输出保护、以及IEC测试结果的相关信息。
标准的通信用协议已经存在多年;其模拟变量的范围从4mA～20mA、0V～5V、0V～10V、+/-5V,以及+/-10V。关于针对次世代系统的无线解决方案已经有许多的讨论,但是设计厂商仍然认为4mA～20mA的通信与控制回路将会被继续使用许多年。针对这些系统的次世代,其标准将会包含较高的性能、较小的尺寸、更好的系统诊断,更高位准的保护、以及更低的成本,这些都是能够协助生产厂商使其产品与竞争对手有所不同的因素。
本文检视了流程控制系统以及其所包含模拟输入/输出模块中的关键性能需求,并且介绍一款利用最新集成电路技术将这些建构部件予以整合的工业流程控制系统。文中也检视了在设计一款坚固耐用的系统一它能够忍受在工业环境中出现的电气快速瞬时(EFT)、静电放电(ESD)、以及电压浪涌(surges)上所面临的种种挑战,并且提供能够证明设计耐用度的测试数据。
以应用实例综观PLC
图1所示为基本的流程控制系统建构部件。流程变量,例如流动率(flow rate)或是气体浓度(gas concentration)是透过输入模块进行监测。信息是由中央控制单元予以处理;而部份的动作则是由输出模块负责,例如驱动致动器等。
图2所示为这种类型的典型工业次系统。此处有一组CO2气体传感器会判定受保护区域中所累积气体的浓度,并且将信息传送至中央控制点。控制单元中包含有一组可以调节来自于传感器的4mA～20mA信号的模拟输入模块、一组中央处理单元、以及一组能够控制必要系统变量的模拟输出模块。电流回路能够处理大型的电容负载一这些电容负载常常会出现在某些工业系统中数百米长的通信路径中。传感器部件的输出,代表气体浓度的位准,会被转换成标准的4mA～20mA信号,传送到电流回路上。这个经过简化的实例所呈现的是单一4mA～20mA传感器输出链接至单信道输入模块与单-0V～10V的输出。实际上,大部分的模块都具有多重的信道与组态范围。
输入/输出模块的分辨率,其范围通常是从12～16位,具有工业温度范围的0.1%精确度。输入范围最小可以达到适用于桥接变换器的+/-10 mV,最大则可以达到适用于致动器控制器的+/-10V或是流程控制系统中的4 mA-20 mA电流。模拟输出-电压与电流,其范围通常包括有+/5V、+/-10V、0V～5V、0V～10V、4 mA～20 mA、以及0mA～20mA。对于数字模拟转换器(DAC)的安定时间需求,其范围由10μs～10ms,依据应用装置与电路负载而定。
4 mA～20 mA范围会被加以映像,用以表示一般的气体侦测范围;超出此范围的电流值可以做为提供故障诊断的信息,如表1中所示。
PLC评估系统
此处介绍的PLC评估系统整合了在产生出完整输入/输出设计上所需要的所有级(stages)。其包含了4组完全隔离的ADC通道、1组具有RS-232接口的ARM7微处理器、以及4组完全隔离的DAC输出通道。此电路板由dc电源供应供电。硬件的组态可以设定,其输入范围包括有0V～5V、0V～10V、+/-5V、+/-10V、4 mA～20 mA、0mA～20mA、+/-20 mA、以及热耦合与RTD。软件可编程的输出范围则包括有0V～5V,0V至10V、+/-5V、+/-10V、4 mA～20 mA、0mA～20 mA、以及0mA～24 mA。
输出模块:表2中将PLC输出模块的部份关键性规格加以强调出来。由于真正的系统精确度必须仰赖量测通道(ADC),因此控制机制(DAC)只需要足够的分辨率用以调整输出。对于高端系统则需要16位的分辨率。使用标准的数字模拟架构将能够非常轻易的满足此需求。精确度并非至关紧要;对于高阶系统而言,12位积分非线性度往往比较适合。
藉由使输出超过范围与将其微调至所需值,就可以轻易的达成在25C下0.05%的校正精确度。现今的16位DAC,例如AD 5066具有在25C下0.05mV典型偏移误差以及0.01%典型增益误差,这将可以省去许多状况下的校正需要。0.15%的总体精确度误差似乎很易于管理,但是实际上在随温度设定时却有相当的问题。一个30 ppm/C的输出漂移会随着工业温度范围增加0.18%的误差。
输出模块也会有电流输出、电压输出、或是两者的组合。典型的解决方案就是使用离散式的零件来执行4 mA～20 mA回路,如图4所示。AD 5660 16位nanoDAC转换器提供0V～5V的输出,用以设定通过传感器电阻Rs的电流,并因而也有一组电流通过R1。此电流会通过R2而产生镜像。
设定Rs=15KΩ、R1=3KΩ、R2=50Ω,并使用一组5V的DAC,将会获得IR2=20mA(最大)的结果。
这种分离式的设计会产生许多的缺点:大量的部件数会造成显着的系统复杂度、电路板尺寸、以及成本。要计算出总误差会很困难,因为多种部件将会有不同极性的系数,因而增加不同程度的误差。这种设计无法提供短路侦测/保护或是任何位准的故障诊断。在许多任务业控制模块中所需要的电压输出也不包含在这种设计当中。要增加任何一项这种特性都会提高复杂度与零件数量。比较好的解决方案是将上述的所有特性都整合在单-IC当中,像是AD5412/AD 5422低成本高精密度的12/16位数字模拟转换器。这些部件提供了经过完全整合的可编程电流源极以及可编程电压输出的解决方案,此乃是为了因应工业流程控制应用领域之需求而设计。
该部件的输出电流范围可加以编程为4 mA～20mA、0 mA～20 mA、或是0 mA～24 mA过范围功能。在独立接脚上所供应的电压输出可以被设定为提供0V～5V、0V～10V、+/-5V、或是+/-10V的范围,具有在所有范围中都可使用的10%过范围。模拟输出具有短路保护(在导线错接输出的情况下,这是一项至为重要的特点),举例来说,当使用者 将输出接地而非连接至负载时。AD 5422也具有开放式回路侦测的特点用以监测电流输出信道,确保输出与负载之间没有故障发生。在开放式回路的情况下,FAULT接脚将会启动,对系统控制器发出警示。AD 5750可编程电流/电压输出驱动器具备有短路侦测与保护两种特点。
图6所示为使用于PLC评估系统中的输出模块。虽然较早期的系统一般都需要500V～1kV的隔离,但是目前大多数的需求是小于2 kV。ADuM 1401数字隔离器采用iCoupler技术,以提供MCU以及远程负载之间,或者是输入/输出模块与基板之间的必要隔离。ADuM 1401的三组通道以同一个方向进行沟通:第四组通道则以相反的方向进行沟通,藉以提供由转换器回读(readback)的隔离数据。对于比较新的工业设计,ADuM 3401与其它数字隔离器家族中的成员能够提供加强的系统位准ESD保护。
AD 5422会生成其自身的逻辑供应(DVCC),能够被直接的连结至ADuM 1401的场侧(field side),进而省去了要引领逻辑供应通过隔离障蔽的需求。AD 5422包含有一组内部感测电阻器,但是在需要较低漂移的时候也可以使用外部的电阻器(R1)。由于感测电阻器会控制输出电流,因此任何其电阻值的漂移都会对输出造成影响。典型的内部感测电阻器的温度系数为10 ppm/℃～20ppm/℃,在60℃的温度范围下会增加0.12%的误差。在高性能系统应用领域当中,可以使用一组外部的2 ppm/℃感测电阻器维持漂移低于0.016%。
AD 5422具有一组可以在PLC评估系统内所有的四组输出通道中致能的内部10 ppm/℃最大电压参考器。或者可以将ADR 445超低噪声XFET电压参考器,以其0,04%的初始精确度以及3 ppm/℃使用于两组输出信道上,使得性能可以有所比较,以及对内部与外部参考器做出选择,依据总体所需的系统性能而定。
输入模块:输入模块设计的规格与输出模块的规格类似。高分辨率与低噪声一般来说都很重要。在工业应用领域里,当需要对来自于热耦合、应变仪、以及桥接类型的压力传感器进行量测,以便排拒来自于马达,AC电源线、或是其它噪声源的共模干扰会将噪声注入模拟数字转换器(ADC)的模拟输入当中时,就需要使用差动输入。
对于输入模块而言,积分三角ADCs是最受到欢迎的选择,因为它们能够提供高精确度以及分辨率。此外,内部可编程增益放大器(PGAs)使较小的输入信号可以获得精确的量测。图7中所示为使用于评估系统中的输入模块设计。其中的AD 7793三信道24位积分三角ADC被设定为能够容纳大范围的输入信号,像是4 mA～20 mA、+/-10V、以及直接来自于传感器的较小信号输入。
这个通用型的输入设计经过用心的安排,因此更易于适用在RTD/热耦合模块中。如图中所示,每个输入通道中都有两组输入终端部件。一组输入可以用来直接连结至AD 7793。使用者可以将内部的PGA加以编程,以便提供高达128的模拟增益。第二组输入则使得信号可以透过AD 8220 JFET输入仪表放大器加以调整。在这个状况中,输入信号会被衰减、放大、与位准偏移,藉以提供单端输入给ADC。除了提供位准偏移功能之外,AD 8220也具有非常良好的共模拒斥,这在具有广大动态范围的应用领域中很重要。
低功率高性能的AD 7793只消耗不到500A,而AD 8220则只消耗不到750A。此通道乃是为了接受4 mA～20 mA、0V～5V、以及0V～10V的模拟输入所设计。输入模块中的其它信道都已经针对双极作业而设计,用以接受+/-5V与+/-10V的输入信号。
为了要量测4 mA～20mA的输入信号,可以将一组低漂移精密电阻切换{s4)至电路当中。在这个设计里面,其电阻值为250Ω,但是只要所生成的电压落在AD 8220的输入范围之内,那么任何值都可以使用。
在量测电压时,S4会维持开启状态。
对于大部分的输入模块设计而言,隔离是有需要的。图7所示为在PLC评估系统的一组信道中,隔离是如何执行的。ADuM 5401四信道数字隔离器采用了isoPower6技术,藉以提供2.5 kV rms信号与电源隔离。ADuM 5401除了具有四组隔离的信号信道之外,也包含有一组受到隔离的dc对dc转换器,能够提供经过调节的5V、500 mW输出,为输入模块的模拟电路提供电力。
完整的系统:完整系统的概观如图8所示。ADuC 7027精密模拟微控制器是主要的系统控制器。该部件具有ARM7TDMI核心,其32位架构使其在与24位ADC的接口链接变得很容易。该部件也支持16位的thumb mode,在有其需要时能够允许更多的代码。ADuC 7027具有16kB的内建闪存,并且可以连结高达512kB的外部内存。ADP 3339高精确度低压降稳压器(LDO)可以替微控制器提供经过调节的电源供应。
介于评估用电路板与PC之间的通信则是透过ADM3251E隔离式RS-232收发器来提供。ADM 3251E结合了isoPower技术,因而不再需要使用独立的隔离式dc对dc转换器。该部件很适合于在电气恶劣之环境中的运作,或是Rs-232缆线经常需要插拔的作业,如RS-232接脚、Rx与Tx都需要受到保护,以避免高达+/-15kV的静电放电。
在下篇中会包含有评估系统软件、模拟输入与输出保护、以及IEC测试结果的相关信息。