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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 单芯片解决方案的以太网馈电系统设计由于利用以太网馈电的电子设备无需倚靠交流电插座提供供电，而且系统的整体成本也较低，因此以太网馈电解决方案越来越受欢迎。对于网络电话来说，采用不断电电源供应(UPS)不但可以保证供电稳定可靠，而且较少出
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