PLC评估板简化工业过程控制系统设计

引言
工业过程控制系统应用多种多样，范围覆盖从简单的流量控制到复杂的电网，从环境控制系统到炼油厂过程控制。这些自动化系统的智能性依赖于它们的测量和控制单元。可编程逻辑控制器(PLC)1和分布式控制系统(DCS)2是用于控制机器和过程、处理各种各样模拟和数字输入及输出的两个最常见计算机系统，这些系统包含电源、中央处理单元(CPU)，以及多种模拟输入、模拟输出、数字输入和数字输出模块。

标准通信协议已经存在很多年了；模拟变量的范围主要为4mA至20mA、0V至5V、0V至10V、±5V和±10V。关于下一代系统无线解决方案的讨论已有很多，但是设计人员仍然认为4mA至20mA通信和控制环路可继续使用多年。下一代系统的标准涵盖更高的性能、更小的尺寸、更好的系统诊断、更高级别的保护，以及更低的成本——所有要素都将帮助制造商实现区别于其竞争对手的差异化设备产品。

我们将讨论过程控制系统的关键性能要求，以及所包含的模拟输入/输出模块，还将介绍一个过程控制评估系统，该系统采用最新集成电路技术将这些构件整合在一起。我们还着眼于应对鲁棒系统的设计挑战，这类系统将能经受工业环境下的电快速瞬变脉冲群(EFT)、静电放电(ESD)和浪涌电压干扰，并提供检验设计鲁棒性的测试数据。

PLC概览和应用实例
图1所示为一个基本过程控制系统构件。一个过程变量，例如流率或气体浓度，是通过输入模块进行监控的。这些信息由中央控制单元处理；输出模块则采取一些行动，如驱动一个执行器。

图1. 典型的顶层PLC系统。

图2所示为这种类型的一个典型工业子系统。CO2气体传感器测定一个受保护区域的气体积累浓度，并将此信息传送给一个中央控制点。该控制单元包含一个模拟输入模块——用来调理来自传感器的4mA至20mA信号，一个中央处理单元，以及一个模拟输出模块——用来控制必需的系统变量。电流环路能够处理大的电流负载——这些负载经常存在于一些工业系统中常见的数百米长的通信路径上。表述气体浓度级别的传感器单元输出被转换为标准的4mA至20mA信号，通过电流环路传送。这个简化的例子所示的是一个单独的4mA至20mA传感器输出连接到一个单通道输入模块，以及一个单一的0V至10V输出。在实际情况下，大多数模块都具有多个通道和可配置范围。

输入/输出模块的分辨率范围一般是12至16位，在工业温度范围上具有0.1%的精度。对于桥式传感器，输入范围可小至±10mV ；对于执行器控制，可扩大至±10V；过程控制系统的输入范围为4mA至20mA电流。模拟输出电压和电流范围一般包括±5V、±10V、0V至5V、0V至10V、4mA至20mA和0mA至20mA。数模转换器(DAC)的稳定时间要求从10μs到10ms不等，取决于具体应用和电路负载。

图2. 气体传感器。

4mA至20mA的范围用于表述正常的气体探测范围，该范围之外的电流值可被用于提供故障诊断信息，如表1所示。

表1. 4mA至20mA输出范围之外的电流分配。

PLC评估系统
这里描述的PLC评估系统3集成了生成一个完整输入/输出设计所需的所有级，它包含4个完全隔离的ADC通道，1个带RS-232接口的ARM7微处理器，以及4个完全隔离的DAC输出通道。该评估板由一个直流电源供电。硬件可配置的输入量程包括0V至5V、0V至10V、±5V、±10V、4mA至20mA、0mA至20mA、±20mA和热电偶及RTD。软件可编程的输出量程包括0V至5V、0V至10V、±5V、±10V、4mA至20mA、0mA至20mA以及0mA至24mA。

图3. 模拟输入/输出模块。

输出模块：表2列出了PLC输出模块的一些关键技术规格。因为真实系统的精度有赖于测量通道(ADC)，所以控制机制(DAC)仅需要足够的分辨率去调节输出。对于高端系统而言，需要16位的分辨率，采用标准数模转换架构很容易满足这个要求。精度并非至关重要；一般来说，12位积分非线性误差(INL)对于高端系统已经足够。

通过超输出量程并调整达到期望值，可以很容易实现25℃时0.05%的校准精度。如今的16位DAC，例如AD5066,4 可提供25°C时0.05mV典型偏移误差，以及0.01%典型增益误差，在很多情况下无需校准。0.15%的总精度误差看起来很容易实现，但实际上在超温情况下这个指标是比较严苛的。在工业温度范围上，30ppm/°C的输出漂移会增加0.18%的误差。

表2. 输出模块技术规格。

设定 RS = 15 kΩ, R1 = 3 kΩ, R2 = 50 Ω利用 5V DAC 将获得IR2 = 20 mA (最大值)。

图4. 分立电路实现4mA到20mA输出。