評(píng)估和設(shè)計(jì)支持

電路評(píng)估板

CN-0414電路評(píng)估板(EVAL-CN0414-ARDZ)

CN-0418電路評(píng)估板(EVAL-CN0418-ARDZ)

CN-0416電路評(píng)估板(EVAL-CN0416-ARDZ)

ADALM-UARTJTAG板

Arduino尺寸開(kāi)發(fā)平臺(tái)(EVAL-ADICUP3029)

設(shè)計(jì)和集成文件

PLC/DCS Wiki用戶(hù)指南

原理圖、布局文件、物料清單、軟件

電路功能與優(yōu)勢(shì)

可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)被用于監(jiān)測(cè)和控制工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中的智能(支持HART)和模擬現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表。

圖1所示的電路是一個(gè)簡(jiǎn)單的DCS系統(tǒng)，由一臺(tái)主機(jī)、一個(gè)單節(jié)點(diǎn)、兩個(gè)4通道隔離模擬輸入板和兩個(gè)4通道隔離模擬輸出板組成，這些板由Arduino尺寸基板在本地管控。RS-485收發(fā)器連接至PC或其他主機(jī)，如此，用戶(hù)可以使用Modbus協(xié)議與節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)。

模擬輸入數(shù)據(jù)從本地讀取，通過(guò)使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議的串行接口提供，確保在一系列軟件應(yīng)用和庫(kù)中，保證數(shù)據(jù)完整性和可兼容性。同樣地，模擬輸出通過(guò)向Modbus寄存器寫(xiě)入來(lái)置位，然后被轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流信號(hào)。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以支持4個(gè)模擬輸入和輸出板的組合。如圖2所示，最多16個(gè)節(jié)點(diǎn)的多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，可以使用提供的硬件和軟件基礎(chǔ)架構(gòu)。該電路支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)HART通信，可以擴(kuò)展為多分轉(zhuǎn)站HART網(wǎng)絡(luò)，在同一通道上集成多個(gè)HART器件。

每個(gè)板(4個(gè)一組)的模擬輸入和模擬輸出都實(shí)施電氣隔離，模擬輸入支持開(kāi)路檢測(cè)，簡(jiǎn)化了故障檢測(cè)和診斷過(guò)程。在嚴(yán)峻的工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境中使用時(shí)，這些功能可以增強(qiáng)可靠性和耐用性。

圖1.PLC(或單節(jié)點(diǎn)DCS)Modbus系統(tǒng)功能框圖

圖2.多節(jié)點(diǎn)DCS Modbus系統(tǒng)功能框圖

電路描述

該應(yīng)用側(cè)重于展示受Modbus主機(jī)管控的PLC/DCS系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，并且通過(guò)示例說(shuō)明如何使用重要組件的最新功能。單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)通常被稱(chēng)為PLC，更大型的系統(tǒng)則通常被稱(chēng)為DCS。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以管控多達(dá)16個(gè)模擬現(xiàn)場(chǎng)器件、傳感器或驅(qū)動(dòng)器(兼容HART或僅支持模擬)，系統(tǒng)可以擴(kuò)展，最多包含16個(gè)單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)也可用于通用精密模擬數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，例如儀器儀表、模擬數(shù)據(jù)記錄，或測(cè)試和測(cè)量。

PLC/DCS拓?fù)?/span>

支持多個(gè)連接拓?fù)洹Ｔ趩喂?jié)點(diǎn)(PLC，或單節(jié)點(diǎn)DCS)系統(tǒng)中，主機(jī)可利用micro-USB電纜，直接連接至EVAL-ADICUP3029平臺(tái)板的USB串行端口，非常適合要求主機(jī)和節(jié)點(diǎn)之間距離小于2米的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用。

在這個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)渲校娐钒逅膫€(gè)一組的模擬輸入和輸出仍然與主機(jī)保持隔離。雖然一般來(lái)說(shuō)與實(shí)驗(yàn)室設(shè)備不相關(guān)，但Modbus協(xié)議提供一種方便、標(biāo)準(zhǔn)的與節(jié)點(diǎn)通信的方法。HART連接支持對(duì)智能傳感器和驅(qū)動(dòng)器實(shí)施配置。

主機(jī)和節(jié)點(diǎn)之間的距離增大到2米以上時(shí)，信號(hào)完整度、噪音拾取和電氣故障會(huì)成為更嚴(yán)重的隱患。在這些情況下，EVAL-CN0416-ARDZ為主機(jī)提供可靠的RS-485連接。在單節(jié)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)中，支持在1km以上距離中進(jìn)行全雙工或半雙工通信，具體由波特率決定。

對(duì)于多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)(稱(chēng)為DCS更加合適)，EVAL-CN0416-ARDZ提供菊花鏈端口，支持可切換的半/全雙工操作和可切換的端電極，因此系統(tǒng)可以集成2到16個(gè)節(jié)點(diǎn)。

因?yàn)镸odbus被用作串行通信協(xié)議，以通過(guò)串行鏈路，在器件之間發(fā)送信息，因此無(wú)論規(guī)模大小，都可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可靠且耐用的系統(tǒng)。PLC/DCS應(yīng)用的硬件協(xié)議棧包含三個(gè)不同的參考設(shè)計(jì)。

模擬輸入板

圖3所示的CN-0414用于測(cè)量4個(gè)全差分信號(hào)，或者測(cè)量8個(gè)單端電壓和4個(gè)電流信號(hào)。該電路的核心是AD4111低功耗、低噪聲24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，集成了±10V和20mA模擬前端。

其電壓輸入支持最高±10V的輸入范圍。AD4111具有獨(dú)特的特性，支持在±10V電壓輸入上進(jìn)行開(kāi)路檢測(cè)，同時(shí)采用5V或3.3V單電源供電，而之前的解決方案一般都需要大于±10V的電源。

電流輸入支持0mA至24mA輸入范圍。電路的輸入阻抗為250Ω(AD4111內(nèi)部為60Ω)，所有輸入都以絕緣接地為基準(zhǔn)。電流輸入上需要250Ω輸入電阻，以使符合HART要求的AD5700-1調(diào)制解調(diào)器可與AD4111配合使用。

電路的模擬前端AD4111和AD5700-1通過(guò)ADuM5411和ADuM3151與處理側(cè)隔離，相比基于分立式變壓器的解決方案，能夠節(jié)省大量空間。

CN-0414板由9.5V至36V直流電源供電，這在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中非常典型，因此能夠輕松集成到您的系統(tǒng)之中。

圖3.模擬輸入板

模擬輸出板

圖4所示的CN-0418是一款4通道電壓和電流輸出板，以具備動(dòng)態(tài)功率控制功能的AD5755-1 DAC為基礎(chǔ)構(gòu)建。

此電路提供4mA至20mA電流輸出，以及單極性或雙極性電壓輸出(±10V)。此板還配有AD5700-1 HART調(diào)制解調(diào)器，提供完整的支持HART連接的模擬輸出解決方案。 同時(shí)還包括外部瞬變保護(hù)電路，這對(duì)惡劣工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用極其重要。

電流輸出和電壓輸出通過(guò)獨(dú)立引腳提供，一次僅一個(gè)輸出處于有效狀態(tài)，因而允許將兩個(gè)輸出引腳連在一起并接到單個(gè)端口上。模擬輸出受短路和開(kāi)路保護(hù)。

AD5755-1集成基于DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器電路的動(dòng)態(tài)電源控制功能，在電流輸出模式下可降低功耗。

AD5755-1有四個(gè)CHART引腳，分別對(duì)應(yīng)于四個(gè)輸出通道。HART信號(hào)可以耦合至這些引腳，并出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)的輸出端(如果該輸出已使能)。

圖4.模擬輸出板

RS-485收發(fā)器板

圖5所示的CN-0416是一款隔離和非隔離式RS-485收發(fā)器板，能夠在多個(gè)系統(tǒng)或節(jié)點(diǎn)之間輕松實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸，尤其是在長(zhǎng)距離下。

該電路使用ADM2682E RS-485收發(fā)器來(lái)進(jìn)行隔離通信，使用LTC2865 RS-485來(lái)進(jìn)行非隔離通信。這兩種器件都可以配置進(jìn)行全雙工或半雙工操作，具備開(kāi)路或端接傳輸線(xiàn)。

該電路采用板載式RJ-45插孔，因此能夠使用常用的CAT5以太網(wǎng)電纜，快速和節(jié)點(diǎn)物理連接。端電極電阻被默認(rèn)設(shè)置為CAT5電纜的特性阻抗100?，但在配置之后，可以支持標(biāo)準(zhǔn)RS-485電纜的120?阻抗。

ADM2682E的數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到16Mbps，提供真正安全的接收器輸入和經(jīng)過(guò)調(diào)整的差動(dòng)電壓閾值。它使用iCoupler數(shù)據(jù)通道，提供5kV信號(hào)隔離，利用isoPower集成式DC-DC轉(zhuǎn)換器，提供5kV電源隔離。

LTC2865的數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到20Mbps，提供真正安全的接收器輸入。由一個(gè)內(nèi)部窗口比較器確定安全狀況，無(wú)需調(diào)節(jié)差動(dòng)輸入電壓閾值。

圖5.RS-485收發(fā)器板

兼容HART的現(xiàn)場(chǎng)器件的接線(xiàn)

圖6.兼容HART的現(xiàn)場(chǎng)器件的接線(xiàn)

HART網(wǎng)絡(luò)

HART器件可在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多分轉(zhuǎn)站這兩種網(wǎng)絡(luò)配置中的一種運(yùn)行。

在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式下，4mA至20mA信號(hào)被用于傳輸一個(gè)過(guò)程變量，而額外的過(guò)程變量、配置參數(shù)和其他器件數(shù)據(jù)則通過(guò)HART協(xié)議以數(shù)字方式傳輸。4mA至20mA模擬信號(hào)不會(huì)受到HART信號(hào)影響，可用于實(shí)施控制。HART協(xié)議提供訪問(wèn)輔助變量和其他數(shù)據(jù)的權(quán)限，這些數(shù)據(jù)可用于實(shí)施操作、調(diào)試、維護(hù)和診斷。

Modbus協(xié)議

在EVAL-ADICUP3029上運(yùn)行的軟件采用Modbus協(xié)議——一種事實(shí)上的開(kāi)放型工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)。Modbus提供一種與單個(gè)節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)的可靠方式，通過(guò)CRC誤差檢測(cè)來(lái)確保數(shù)據(jù)的完整性。作為一項(xiàng)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，存在眾多可用的開(kāi)放源和商用Modbus軟件庫(kù)，適用于各種平臺(tái)(例如Windows?、Linux?、嵌入式平臺(tái)等)。

這些軟件也提供簡(jiǎn)單的命令行接口(CLI)模式，使系統(tǒng)能夠從串行端口手動(dòng)驗(yàn)證，無(wú)需主機(jī)上裝載任何額外的軟件。

硬件和軟件協(xié)議棧

PLC/DCS節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)軟件和硬件協(xié)議棧如圖7所示。

圖7.PLC/DCS節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)軟件和硬件協(xié)議棧

配置PLC/DCS硬件之后，用戶(hù)一般會(huì)根據(jù)語(yǔ)言(例如C、Python、MATLAB)和主機(jī)平臺(tái)(例如Linux、Windows、嵌入式平臺(tái))選擇適用的Modbus庫(kù)。然后，必須編寫(xiě)簡(jiǎn)單的測(cè)試應(yīng)用程序，將模擬和HART參數(shù)轉(zhuǎn)化為Modbus寄存器地址和值。

CN-0435用戶(hù)指南提供此應(yīng)用程序的Modbus寄存器映射的完整描述，并使用開(kāi)源Modbus調(diào)試器來(lái)驗(yàn)證Modbus的合規(guī)性。

此外，還提供多個(gè)基于開(kāi)源Modbus庫(kù)的頂層應(yīng)用，包括：

?檢測(cè)系統(tǒng)配置：查詢(xún)所有Modbus節(jié)點(diǎn)，顯示配置。

?讀寫(xiě)輸出保持寄存器：檢查或更改所有受檢測(cè)板的輸出保持寄存器的狀態(tài)。

?讀取模擬輸入寄存器：檢查所有受檢測(cè)板的輸入寄存器的狀態(tài)。

?讀取模擬數(shù)據(jù)：讀取單個(gè)模擬輸入或所有模擬輸入，在控制臺(tái)顯示數(shù)據(jù)。

?寫(xiě)入模擬數(shù)據(jù)：寫(xiě)入模擬輸出，以產(chǎn)生電壓或電流。

?模擬回波：讀取模擬輸入板的模擬電壓或電流，然后將相同數(shù)值的模擬電壓或電流寫(xiě)入模擬輸出板。

常見(jiàn)變化

CN-0435軟件讀取模擬輸入值和寫(xiě)入模擬輸出值，無(wú)需實(shí)施本地處理。該軟件可以擴(kuò)展包含故障檢測(cè)和響應(yīng)等功能，或者包含閉環(huán)PID控制環(huán)路，從主機(jī)上卸載這些功能，節(jié)省通信總線(xiàn)的帶寬。

樹(shù)莓派可以用作結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉的主機(jī)解決方案。樹(shù)莓派提供有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)連接，可以直接連接至EVAL-ADICUP3029的USB-UART。

如今最常用的三種Modbus版本分別為：Modbus ASCII、Modbus RTU和Modbus TCP。所有Modbus消息都采用相同格式發(fā)送。這三種Modbus類(lèi)型的唯一區(qū)別在于消息的編碼方式。

可以通過(guò)Modbus連接的器件的數(shù)量由物理層和數(shù)據(jù)協(xié)議決定。如果RS-485物理層和Modbus RTU或Modbus ASCII數(shù)據(jù)協(xié)議一起使用，那么可以尋址的節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)量為32，但是，如果以太網(wǎng)物理層和Modbus TCP數(shù)據(jù)協(xié)議一起使用，則可以尋址的節(jié)點(diǎn)為247個(gè)。

器件的地址是從0至247的數(shù)字。發(fā)送至地址0的消息(廣播消息)會(huì)被所有從機(jī)接受，但1到247這些數(shù)值是特定器件的地址。

CN-0414和CN-0418的Arduino尺寸確保與支持廣泛的其他自動(dòng)化通信協(xié)議的開(kāi)發(fā)平臺(tái)兼容，包括過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)(PROFINET)、過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)(PROFIBUS)、控制自動(dòng)化技術(shù)的以太網(wǎng)(EtherCAT)、EtherNet/IP、Modbus Plus，以及其他協(xié)議。

電路評(píng)估與測(cè)試

以下部分將介紹采用參考演示所需的設(shè)備和一般步驟?？墒褂密浖腃LI選項(xiàng)，來(lái)裝配DCS系統(tǒng)并測(cè)試其基本功能。如需查看完整說(shuō)明和附加信息，請(qǐng)參閱分布式控制系統(tǒng)(DCS)演示W(wǎng)iki用戶(hù)指南。

設(shè)備要求

需要以下設(shè)備：

?具有USB端口和Windows 7(32位)或更高版本的PC

?串行終端程序，如TeraTerm或Putty

?一個(gè)或多個(gè)EVAL-CN0414-ARDZ電路評(píng)估板，和/或一個(gè)或多個(gè)EVAL-CN0418-ARDZ電路評(píng)估板，適用于每個(gè)節(jié)點(diǎn)

?一個(gè)或多個(gè)EVAL-CN0416-ARDZ電路板，適用于Modbus接口，另一個(gè)EVAL- CN0416-ARDZ板，適用于每個(gè)節(jié)點(diǎn)

?一個(gè)ADALM-UARTJTAG評(píng)估板，帶有一個(gè)附加EVAL-CN0416-ARDZ板(或其他半雙工RS-485適配器)

?一個(gè)EVAL-ADICUP3029評(píng)估板，適用于每個(gè)節(jié)點(diǎn)

?Micro USB電纜

?一根RJ-45電纜，用于RS-485接口，另一根電纜用于每個(gè)節(jié)點(diǎn)

?PLC系統(tǒng)軟件或預(yù)置的十六進(jìn)制文件

?1A電源時(shí)采用24V直流電壓

開(kāi)始使用

以下是基本設(shè)置步驟：

1.將EVAL-ADICUP3029的USB電纜插入PC，然后將固件閃存到使用的每個(gè)電路板上。

2.配置硬件。遵循分布式控制系統(tǒng)(DCS)演示W(wǎng)iki用戶(hù)指南。確保正確設(shè)置每塊板上的跳線(xiàn)和開(kāi)關(guān)?；蛘撸瑢?duì)于模擬輸入板，連接傳感器或信號(hào)源，對(duì)于模擬輸出板，則連接執(zhí)行器或萬(wàn)用表。

3.對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)，按以下順序?qū)⑵脚_(tái)和擴(kuò)展板堆疊在一起：

?EVAL-CN0416-ARDZ(頂部)

?EVAL-CN0414-ARDZ或EVAL-CN0418-ARDZ(可選)

?EVAL-CN0414-ARDZ或EVAL-CN0418-ARDZ(可選)

?EVAL-CN0414-ARDZ或EVAL-CN0418-ARDZ(可選)

?EVAL-CN0414-ARDZ或EVAL-CN0418-ARDZ(可選)

?EVAL-ADICUP3029(底部)

4.在節(jié)點(diǎn)和RS-485適配器(可能是ADALM-UARTJTAG和EVAL-CN0416-ARDZ)之間連接RJ-45電纜。

5.將RS-485適配器連接至主機(jī)。

6.按3029_Reset按鈕，或重新啟動(dòng)系統(tǒng)。

如需查看完整細(xì)節(jié)，請(qǐng)參閱分布式控制系統(tǒng)(DCS)演示W(wǎng)iki用戶(hù)指南。

功能框圖

圖8.單節(jié)點(diǎn)PLC模擬I/O系統(tǒng)

圖9.DCS模擬I/O系統(tǒng)