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PLC评估板简化工业过程控制系统设计
发布时间:2015-02-09 阅读：次 [打印文章] [关闭窗口]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、&一体电感器plusmn;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通信和一体电感器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。
电流输出(mA) 状态 0.0 单元故障 0.8 单元预热 1.2 零点漂移故障 1.6 校准故障 2.0 单元生成(跨接) 2.2 村田电感单元调零 4至20 工字电感常规测量模式 4.0 零气体级别 5.6 满量程的10% 8.0 满量程的25% 12 满量程的50% 16 满量程的75% 20 满量程 >20 超量程 超越规格：更高电流的供给与测量太阳能电池、电源管理器件、高亮度LED和RF功率晶体管的特性分析等高功率测试应用经常需要高电流，有时需要高达40A甚至更高的功率，MOSFET和绝缘栅双极晶体管（IGBT）将需要100A以上的电流。但
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