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PLC系统的模拟输入输出解决方案

发布时间:2019-05-18 13:41 来源:未知 编辑:admin

  PLC自20世纪70年代后期进入中国后,已然经过了三十多年的长足发展。现如今,PLC及DCS仍然在工控领域发挥着重大作用,并且正在朝着模块更小、速度更快、通道密度更高的方向发展。

  以PLC机架插槽的典型I/O卡为例,目前常见的8通道模块尺寸一般为90mm×70mm×23.5mm,但在市场需求驱动下,名片大小的产品已经问世。通道密度或数量的增加不仅能提升模块功能,而且可以增加产品价格竞争力,自然大受欢迎。但是,如何降低模块尺寸?如何在满足上述需求的同时解决由此产生的自热问题?如何进行低功耗设计?这些,也都是PLC系统设计时面对的实际问题。

  ADI过程控制系列之《工业现场环路供电仪器仪表的四大关键设计环节》一文,已就现场仪器仪表/变送器的设计需求和挑战进行了深入分析,作为该篇文章的姊妹篇,本文将着重关注PLC/DCS系统中的模拟输入输出部分的发展趋势。这里会将输入和输出模块区分开来,就其不同的系统要求进行分别探讨,并着重介绍ADI能够支持这些要求的最新优势产品和解决方案。

  模拟输出讲究的是集成、能效和性能。首先,模块尺寸要小。目前,设计人员早已通过在产品设计中选用0402封装电阻电容以及LFCSP封装IC,达到减少电路板尺寸的目的。与此同时,每个模块的功耗也由曾经的5W-10W,发展到了如今的3W-5W,未来势必降至更低。在这方面,一些设计人员通过牺牲设计规格来满足功耗预算,此法虽然能达到降低功耗的目的,但势必也会导致产品竞争力下降,因此并不推荐。

  其次,通道密度要增加,由原来的4通道、8通道增加至现在的12甚至16通道。众所周知,空间不变而通道密度增加,会显著提升模块的环境温度,在某些情况下,高达100摄氏度的系统环境温度并不罕见,而这本身却会对最高IC结温造成挑战。而且,通道密度的增加还意味着元件数量以及功耗的增加,这也从另一方面要求设计人员在选择元件时,要尺寸更小、静态电流更低而且效率更高。

  第三,速度,即建立时间要提高,从而实现工厂自动化。目前,模拟输出通道建立的时间已经降低至20s,但依然在向更高效率发展。

  第四,工艺安全要求也要提高,系统要引入安全完整性等级(SIL)来提高诊断性以及稳定性。

  ADI多年来深耕工业控制领域,其提供的模拟输出解决方案从最初的“四通道DAC+外部增益放大器”式全分立方案,发展到“四通道DAC+四个外部驱动器”式半集成方案,再到后来的单通道全集成式解决方案,以及最新的多通道全集成式解决方案,其中涉及AD566x、AD5750、AD5422等多款工程师耳熟能详的芯片产品。

  图1所示为ADI工业输出产品的创新发展历程。以现在的眼光来看,早期的分立设计方案毫无疑问存在很多缺陷:器件数量过多造成系统复杂、电路板尺寸过大以及成本过高;多个器件导致误差度随着不同极性系数变化,从而造成总误差难以计算;无法提供短路监测/保护或任何故障诊断;不包括许多工业控制模块中所必须的电压输出等。

  正因如此,集成式解决方案毫无疑问更胜一筹。例如AD5422/AD5412单通道16位/12位4mA~20mA和电压输出DAC,就是一款易于部署的解决方案,其紧凑型的封装中集成多种功能,提供完全集成的可编程电流源和可编程电压输出,Iout范围为0/4mA~20 mA以及0 mA~24 mA;Vout范围为0 V~5 V、0 V~10 V、5 V、10 V和10%超量程,可以有效简化工厂过程控制和工业系统设计。

  AD5755则是一款四通道16位4 mA~20 mA和电压输出DAC,除了将AD5422的单通道增加到四通道外,该产品还增加了动态功率控制功能,这也是业内首款具备动态功率控制功能的数据转换器。新功能不但有利于节能,而且还可以增强过程控制I/O系统的工作稳定性。

  图2(左)为系统输出最常见的架构。假设通道配置为4mA~20mA通信,DAC需要驱动一个执行器负载,所以执行器的端接电阻决定环路所需的最大电源电压。如今的系统必须能够驱动最高达(有时甚至超过)1 k的负载,这是很常见的要求。对于这一负载阻抗和20 mA 的满量程电流,电源需要提供至少20V电压。如果考虑到DAC的电源裕量,电源可能升至24V。再考虑到输出级的功率调节,输出级电压较好的估计值为28V。

  短路有可能是真实存在的条件,这主要是由于ADC模块可通过低至20欧的电阻值端接,以便检测。因此这样一来,8通道模块仅模拟部分的功耗就可能高于4W,再加上DC-DC级的功耗,如果以80%的效率来计算的话,仅模拟部分的功耗就将大于6W。这种情况下,自热效应和功耗预算的提高开始成为问题。模块内的温度升高可能导致系统误差增大,各个器件的漂移特性需要纳入系统整体的误差预算中加以考虑。

  一种有助于解决此问题的方法是从5V电源入手,在内部使用开关电源,根据输出负载情况智能且自动地对MOS管上端的电压进行调节,这就是ADI专有的动态功率控制解决方案。该方案可以检测输出负载,然后在负载变化或编程电流变化时,根据需要动态地升高输出顺从电压,如图2(右)所示,只需在片内集成DC-DC升压转换器即可。

  采用5V标称电源运行DC-DC转换器时,输出端的最低调节电压约为7V,而最高电源电压可超过30V,具体取决于需求。注意,这种情况下,需要再次考虑零负载条件,这是电流输出的一种有效条件。图2(右)的实际结果表明,在部署动态功率控制时,每加入一个DC-DC可让每个通道的独立功耗降至最低。在8个通道发生短路的情况,DC-DC将输出调节为7.5 V,从而限制了片内功耗和模块功耗。假设DC-DC隔离级效率仍为80%,使用动态功率控制的8通道模块总功耗则降至3W。

  图3很清楚地表明了DC-DC控制启用前和启用后片内温度的对比。其中粉色为不启用DC-DC控制的情形,温升超过200度;蓝色为启用后的情形,温升只有五六十度。事实证明,通过使用动态功率控制功能,设计人员不仅可以确保器件自我保护,而且可以将模块内的功耗降至较低水平。

  那么,加入片内DC-DC将会产生多少纹波?特别是考虑到后置调节阶段不使用LDO时,这样做对系统性能有何影响?事实上,AD5755电路设计时用到了DC-DC抑制元件,出于完整性考虑,还添加了可选低通RC滤波器,充当一阶抗混叠滤波器。实验证明,纹波幅度与建立时间和输出电容之间存在权衡关系。因此,系统设计人员在使用该产品时,必须首先确定系统可以容许的纹波大小情况。

  与模拟输出相比,模拟输入发展更为强调系统的稳定性以及高速、高性能的ADC内核,其中稳定性包括过压保护和更佳的50 Hz/60 Hz抑制等。

  在PLC/DCS模拟输入端,我们通常需要调理和转换两类电压,一类是输入范围包含10V 的双极性电压,一类是0-10V的单极性电压。在将这些信号送入ADC进行转换前,我们需要至少在信号输入和ADC输入间放置一个运算放大器作为缓冲器。考虑到系统所追求的电压稳定性和可靠性指标,ADI具有过压保护功能的微功耗RRIO(轨到轨输入/输出)运算放大器ADA4096-x非常适合此类应用。

  ADA4096-x的特点可以浓缩为几个关键词:32V、RRIO、精密、Power以及过压保护(OVP)。其内部输入过压保护,最多可以超出供电轨32V,放大器都不会损坏。此特性对存在电源时序控制问题的应用特别重要,该问题可导致信号源在放大器上电之前加入。

  放大器过压保护有不同的方案,其中最为简单的就是内置静态放电(ESD)保护,很多基本的二极管保护电路都采用此方法,但是强壮型较差。此外,差分二极管以及外部二极管保护,由于成本较低也被广泛使用,但存在本身的漏电流和寄生电容对放大器产生影响等问题。

  从表1中ADI OVP解决方案的电路图中可以看出,ADA4092-x有两个不同的ESD电路,用于增强其过压保护功能。其中一个电路是一个5k的串联电阻,连接至内部输入端和从内部输入端到供电轨的二极管(D1和D2;D5和D6)。另一个保护电路为连接至供电轨的两个DIAC(D3和D4;D7和D8),DIAC可以看作是带传递特性的双向齐纳二极管。对于最差条件设计分析,可考虑两种情况:从内部运算放大器输入端到供电轨,ADA4092-x采用正常的ESD结构;从外部输入端到供电轨,则采用42 V DIAC。

  除上述集成式OVP解决方案外,ADA4096-x还具有轨到轨输入/输出摆幅的特性。此外,该产品功耗很低,每个运算放大器的典型值只有60A,只要保证在其电压工作范围3V至30V之间,这也使得它非常适合于电池供电或监控电池供电情况。其单位增益带宽为800kHz(Vsy = 15V时的典型值),会随着电压下降而有所降低。低失调电压的典型值也只有35V。与同类产品相比,ADA4096-x具有竞争产品的2倍带宽、1/2 Vos、1/3TcVos及1/2Vn。该器件提供业内最高水平的过压保护,可以在要求严苛的工业与仪器仪表应用中稳定工作。

  在工业应用中,当测量来自热电偶、应变计以及桥式压力传感器的低电平信号时,通常需要差分输入信号,以抑制来自电机、交流电力线,或其他的噪声源(这些噪声源将噪声引入模数转换器的模拟输入端)的共模干扰信号。

  对于输入模块而言,-型ADC是最受欢迎的选择,因为它们能提供高精度及分辨率。此外,其内置的可编程增益放大器(PFG)可以精确测量小的输入信号。AD7176-2是ADI今年最新发布的24位-型ADC,在其内部滤波器设计方面,采用了最新的方法和思路。

  如图5所示,AD7176-2有三个灵活的滤波器选项,支持对噪声、建立时间和抑制性能进行优化。最新的Sinc5+Sinc1滤波器部分,主要用于快速切换多路复用应用,可实现建立时间最快的快速通道切换,使通道扫描速率达到最大。Sinc5模块输出固定在250kSPS的最大速率,Sinc1模块的输出数据速率可变,从而控制最终ADC输出数据速率。

  Sinc3滤波器在较低速率时可实现最佳单通道噪声性能,因此最适合单通道应用,可以使单通道、低速应用的分辨率达到最高。

  增强型50 Hz和60 Hz抑制滤波器,旨在提供50 Hz和60 Hz同时抑制,并且允许以牺牲通道开关速率的代价换取抑制性能。这些滤波器是市面上最快的50 Hz/60 Hz抑制产品,可以最高27.27SPS的速率工作,或者可以抑制最高90 dB的50 Hz 1 Hz和60 Hz 1 Hz干扰。这些滤波器是通过对Sinc5 + Sinc1滤波器输出进行后滤波实现的。因此,使用增强型滤波器时,必须选择Sinc5 + Sinc1滤波器。

  AD7176-2的可编程功能通过SPI串行接口执行,具有校验和模式,可用来提高接口的鲁棒性。CRC校验和在读写操作下都可工作,除了能够有效防止SPI通信错误外,还可以在内部对ADC配置进行校验,从而增强其稳定性。

  这里值得一提的是:AD7176-2前端集成交叉点多路复用器,可以通过选择不同输入引脚来配置伪差分或全差分输入对,从而将任何模拟输入组合作为要转换的输入信号,并将其路由至调制器正或负输入。这样一来,AD7176-2就可以实现通道间的差分,从而大大提高其灵活性,这也是AD717x系列优于较早前的AD719x和AD779x产品的一个地方。

  除此之外,AD7176-2还包括很多其他的优势:可以灵活设置输出速率,最高速率可高达250KSPS;在最高速率下,拥有17.2位的无噪声分辨率;最大通道扫描数据速率为50kSPS,建立时间为20s,而且在此扫描速率下,仍可以得到17位无噪声分辨率;INL仅为全量程的2.5ppm;内部集成2.5V基准和振荡器,减少了外部元件数;系统失调和增益误差,可针对各个通道进行校正,这种各通道可配置能力,适用于每一通道所用的滤波器类型和输出数据速率。

  ADI采用AD7176-2设计了一款实验室电路CN0310,用于工业级信号的24位、250kSPS- ADC系统,为工业级信号采集提供了快速、高精度的转换结果,具体的设计资源,可以在ADI的官网上获取(详情参考:)。AD7176-2同时还提供了评估板套件,用户只需通过PC上的评估板软件,即可直接控制AD7176-2,评估板需要与SDP系统验证平台联合使用。

  除上述介绍的产品和解决方案外,ADI针对PLC/DCS应用最新推出了一些产品参考设计,其中包括适用于电压、电流、温度(热电偶+RTD)输入的隔离式单通道通用模拟输入模块CN0325,以及支持HART且适合通道间隔离系统的单通道模拟输出演示板CN0321。两款演示板均以面世,用户可通过查询具体价格信息。

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