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适用于 PLC/DCS 应用，支持 HART 和 Modbus 连接的模拟 I/O 系统

时间：2019-10-22 14:04来源：21Dianyuan

摘要：可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)被用于监测和控制工业自动化应用中的智能（支持HART）和模拟现场仪器仪表。

评估和设计支持

电路评估板
• CN-0414电路评估板(EVAL-CN0414-ARDZ)
• CN-0418电路评估板(EVAL-CN0418-ARDZ)
• CN-0416电路评估板(EVAL-CN0416-ARDZ)
• ADALM-UARTJTAG板
• Arduino尺寸开发平台(EVAL-ADICUP3029)

设计和集成文件
• PLC/DCS Wiki用户指南
• 原理图、布局文件、物料清单、软件
 
电路功能与优势
可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)被用于监测和控制工业自动化应用中的智能（支持HART）和模拟现场仪器仪表。
 
图1所示的电路是一个简单的DCS系统，由一台主机、一个单节点、两个4通道隔离模拟输入板和两个4通道隔离模拟输出板组成，这些板由Arduino尺寸基板在本地管控。RS-485收发器连接至PC或其他主机，如此，用户可以使用Modbus协议与节点交换数据。
 
模拟输入数据从本地读取，通过使用行业标准Modbus协议的串行接口提供，确保在一系列软件应用和库中，保证数据完整性和可兼容性。同样地，模拟输出通过向Modbus寄存器写入来置位，然后被转换为模拟电压或电流信号。
 
每个节点可以支持4个模拟输入和输出板的组合。如图2所示，最多16个节点的多节点系统在设计时，可以使用提供的硬件和软件基础架构。该电路支持点对点HART通信，可以扩展为多分转站HART网络，在同一通道上集成多个HART器件。
 
每个板（4个一组）的模拟输入和模拟输出都实施电气隔离，模拟输入支持开路检测，简化了故障检测和诊断过程。在严峻的工业自动化环境中使用时，这些功能可以增强可靠性和耐用性。
 
图1.PLC（或单节点DCS）Modbus系统功能框图
 
图2.多节点DCS Modbus系统功能框图
 
电路描述
该应用侧重于展示受Modbus主机管控的PLC/DCS系统的开发，并且通过示例说明如何使用重要组件的最新功能。单节点系统通常被称为PLC，更大型的系统则通常被称为DCS。
 
每个节点可以管控多达16个模拟现场器件、传感器或驱动器（兼容HART或仅支持模拟），系统可以扩展，最多包含16个单独的节点。该系统也可用于通用精密模拟数据采集应用，例如仪器仪表、模拟数据记录，或测试和测量。
 
PLC/DCS拓扑
支持多个连接拓扑。在单节点（PLC，或单节点DCS）系统中，主机可利用micro-USB电缆，直接连接至EVAL-ADICUP3029平台板的USB串行端口，非常适合要求主机和节点之间距离小于2米的实验室测试和测量应用。
 
在这个点对点拓扑中，电路板四个一组的模拟输入和输出仍然与主机保持隔离。虽然一般来说与实验室设备不相关，但Modbus协议提供一种方便、标准的与节点通信的方法。HART连接支持对智能传感器和驱动器实施配置。
 
主机和节点之间的距离增大到2米以上时，信号完整度、噪音拾取和电气故障会成为更严重的隐患。在这些情况下，EVAL-CN0416-ARDZ为主机提供可靠的RS-485连接。在单节点、点对点系统中，支持在1 km以上距离中进行全双工或半双工通信，具体由波特率决定。
 
对于多节点系统（称为DCS更加合适），EVAL-CN0416- ARDZ提供菊花链端口，支持可切换的半/全双工操作和可切换的端电极，因此系统可以集成2到16个节点。
 
因为Modbus被用作串行通信协议，以通过串行链路，在器件之间发送信息，因此无论规模大小，都可以实现简单、可靠且耐用的系统。PLC/DCS应用的硬件协议栈包含三个不同的参考设计。

模拟输入板
图3所示的CN-0414用于测量4个全差分信号，或者测量8个单端电压和4个电流信号。该电路的核心是AD4111低功耗、低噪声24位Σ-Δ模数转换器(ADC)，集成了±10 V和20 mA模拟前端。
 
其电压输入支持最高±10 V的输入范围。AD4111具有独特的特性，支持在±10 V电压输入上进行开路检测，同时采用5 V或3.3 V单电源供电，而之前的解决方案一般都需要大于±10 V的电源。
电流输入支持0 mA至24 mA输入范围。电路的输入阻抗为250 Ω（AD4111内部为60 Ω），所有输入都以绝缘接地为基准。电流输入上需要250 Ω输入电阻，以使符合HART要求的AD5700-1调制解调器可与AD4111配合使用。
 
电路的模拟前端AD4111和AD5700-1通过ADuM5411和ADuM3151与处理侧隔离，相比基于分立式变压器的解决方案，能够节省大量空间。
 
CN-0414板由9.5 V至36 V直流电源供电，这在工业自动化系统中非常典型，因此能够轻松集成到您的系统之中。
 
图3.模拟输入板
 
模拟输出板
图4所示的CN-0418是一款4通道电压和电流输出板，以具备动态功率控制功能的AD5755-1 DAC为基础构建。
 
此电路提供4 mA至20 mA电流输出，以及单极性或双极性电压输出(±10 V)。此板还配有AD5700-1 HART调制解调器，提供完整的支持HART连接的模拟输出解决方案。 同时还包括外部瞬变保护电路，这对恶劣工业环境中的应用极其重要。
 
电流输出和电压输出通过独立引脚提供，一次仅一个输出处于有效状态，因而允许将两个输出引脚连在一起并接到单个端口上。模拟输出受短路和开路保护。
 
AD5755-1集成基于DC-DC升压转换器电路的动态电源控制功能，在电流输出模式下可降低功耗。
AD5755-1有四个CHART引脚，分别对应于四个输出通道。HART信号可以耦合至这些引脚，并出现在对应的输出端（如果该输出已使能）。
 
图4.模拟输出板
 
RS-485收发器板
图5所示的CN-0416是一款隔离和非隔离式RS-485收发器板，能够在多个系统或节点之间轻松实施数据传输，尤其是在长距离下。
 
该电路使用ADM2682E RS-485收发器来进行隔离通信，使用LTC2865 RS-485来进行非隔离通信。 这两种器件都可以配置进行全双工或半双工操作，具备开路或端接传输线。
 
该电路采用板载式RJ-45插孔，因此能够使用常用的CAT5以太网电缆，快速和节点物理连接。端电极电阻被默认设置为CAT5电缆的特性阻抗100 Ω，但在配置之后，可以支持标准RS-485电缆的120 Ω阻抗。
 
ADM2682E的数据速率可以达到16 Mbps，提供真正安全的接收器输入和经过调整的差动电压阈值。它使用iCoupler数据通道，提供5 kV信号隔离，利用isoPower集成式DC-DC转换器，提供5 kV电源隔离。
 
LTC2865的数据速率可以达到20 Mbps，提供真正安全的接收器输入。由一个内部窗口比较器确定安全状况，无需调节差动输入电压阈值。
 
图5.RS-485收发器板
 
兼容HART的现场器件的接线
 
图6.兼容HART的现场器件的接线
 
HART网络
HART器件可在点对点或多分转站这两种网络配置中的一种运行。
在点对点模式下，4 mA至20 mA信号被用于传输一个过程变量，而额外的过程变量、配置参数和其他器件数据则通过HART协议以数字方式传输。4 mA至20 mA模拟信号不会受到HART信号影响，可用于实施控制。HART协议提供访问辅助变量和其他数据的权限，这些数据可用于实施操作、调试、维护和诊断。
 
Modbus协议
在EVAL-ADICUP3029上运行的软件采用Modbus协议——一种事实上的开放型工业通信标准。Modbus提供一种与单个节点交换数据的可靠方式，通过CRC误差检测来确保数据的完整性。作为一项开放标准，存在众多可用的开放源和商用Modbus软件库，适用于各种平台（例如Windows®、Linux®、嵌入式平台等）。
 
这些软件也提供简单的命令行接口(CLI)模式，使系统能够从串行端口手动验证，无需主机上装载任何额外的软件。
 
硬件和软件协议栈
PLC/DCS节点系统软件和硬件协议栈如图7所示。
 
图7.PLC/DCS节点系统软件和硬件协议栈
 
配置PLC/DCS硬件之后，用户一般会根据语言（例如C、Python、MATLAB）和主机平台（例如Linux、Windows、嵌入式平台）选择适用的Modbus库。然后，必须编写简单的测试应用程序，将模拟和HART参数转化为Modbus寄存器地址和值。
 
CN-0435用户指南提供此应用程序的Modbus寄存器映射的完整描述，并使用开源Modbus调试器来验证Modbus的合规性。
 
此外，还提供多个基于开源Modbus库的顶层应用，包括：
• 检测系统配置：查询所有Modbus节点，显示配置。
• 读写输出保持寄存器：检查或更改所有受检测板的输出保持寄存器的状态。
• 读取模拟输入寄存器：检查所有受检测板的输入寄存器的状态。
• 读取模拟数据：读取单个模拟输入或所有模拟输入，在控制台显示数据。
• 写入模拟数据：写入模拟输出，以产生电压或电流。
• 模拟回波：读取模拟输入板的模拟电压或电流，然后将相同数值的模拟电压或电流写入模拟输出板。
 
常见变化
CN-0435软件读取模拟输入值和写入模拟输出值，无需实施本地处理。该软件可以扩展包含故障检测和响应等功能，或者包含闭环PID控制环路，从主机上卸载这些功能，节省通信总线的带宽。
树莓派可以用作结构紧凑、价格低廉的主机解决方案。树莓派提供有线或无线以太网连接，可以直接连接至EVAL-ADICUP3029的USB-UART。
 
如今最常用的三种Modbus版本分别为：Modbus ASCII、Modbus RTU和Modbus TCP。所有Modbus消息都采用相同格式发送。这三种Modbus类型的唯一区别在于消息的编码方式。
 
可以通过Modbus连接的器件的数量由物理层和数据协议决定。如果RS-485物理层和Modbus RTU或Modbus ASCII数据协议一起使用，那么可以寻址的节点的最大数量为32，但是，如果以太网物理层和Modbus TCP数据协议一起使用，则可以寻址的节点为247个。
 
器件的地址是从0至247的数字。发送至地址0的消息（广播消息）会被所有从机接受，但1到247这些数值是特定器件的地址。
 
CN-0414和CN-0418的Arduino尺寸确保与支持广泛的其他自动化通信协议的开发平台兼容，包括过程现场网(PROFINET)、过程现场总线(PROFIBUS)、控制自动化技术的以太网(EtherCAT)、EtherNet/IP、Modbus Plus，以及其他协议。
 
电路评估与测试
以下部分将介绍采用参考演示所需的设备和一般步骤。可使用软件的CLI选项，来装配DCS系统并测试其基本功能。如需查看完整说明和附加信息，请参阅分布式控制系统(DCS)演示Wiki用户指南。
 
设备要求
需要以下设备：
• 具有USB端口和Windows 7（32位）或更高版本的PC
• 串行终端程序，如TeraTerm或Putty
• 一个或多个EVAL-CN0414-ARDZ电路评估板，和/或一个或多个EVAL-CN0418-ARDZ电路评估板，适用于每个节点
• 一个或多个EVAL-CN0416-ARDZ电路板，适用于Modbus接口，另一个EVAL- CN0416-ARDZ板，适用于每个节点
• 一个ADALM-UARTJTAG评估板，带有一个附加EVAL-CN0416-ARDZ板（或其他半双工RS-485适配器）
• 一个EVAL-ADICUP3029评估板，适用于每个节点
• Micro USB电缆
• 一根RJ-45电缆，用于RS-485接口，另一根电缆用于每个节点
• PLC系统软件或预置的十六进制文件
• 1 A电源时采用24 V直流电压

开始使用
以下是基本设置步骤：
1. 将EVAL-ADICUP3029的USB电缆插入PC，然后将固件闪存到使用的每个电路板上。
2.配置硬件。遵循分布式控制系统(DCS)演示Wiki用户指南。确保正确设置每块板上的跳线和开关。或者，对于模拟输入板，连接传感器或信号源，对于模拟输出板，则连接执行器或万用表。

3.对于每个节点，按以下顺序将平台和扩展板堆叠在一起：
• EVAL-CN0416-ARDZ（顶部）
• EVAL-CN0414-ARDZ或EVAL-CN0418-ARDZ（可选）
• EVAL-CN0414-ARDZ或EVAL-CN0418-ARDZ（可选）
• EVAL-CN0414-ARDZ或EVAL-CN0418-ARDZ（可选）
• EVAL-CN0414-ARDZ或EVAL-CN0418-ARDZ（可选）
• EVAL-ADICUP3029（底部）

4.在节点和RS-485适配器（可能是ADALM-UARTJTAG和EVAL-CN0416-ARDZ）之间连接RJ-45电缆。
5.将RS-485适配器连接至主机。
6. 按3029_Reset按钮，或重新启动系统。
如需查看完整细节，请参阅分布式控制系统(DCS)演示Wiki用户指南。
 
功能框图
 
图8.单节点PLC模拟I/O系统
 
图9.DCS模拟I/O系统
 
了解更多
CN-0414设计支持包：www.analog.com/CN0414-DesignSupport
CN-0418设计支持包：www.analog.com/CN0418-DesignSupport
CN-0416设计支持包：www.analog.com/CN0416-DesignSupport
ADALM-UARTJATG设计支持包：www.analog.com/ADALM-UARTJATG-DesignSupport
EVAL-ADICUP3029用户指南
ADICUP3029 GitHub库
 
数据手册和评估板
CN-0414电路评估板(EVAL-CN0414-ARDZ)
CN-0418电路评估板(EVAL-CN0414-ARDZ)
CN-0416电路评估板(EVAL-CN0414-ARDZ)
ADALM-UARTJATG电路评估板(ADALM-UARTJATG)
ADICUP3029开发平台(EVAL-ADICUP3029)
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