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适用于PLC/DCS应用,支持HART和Modbus连接的模拟I/

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尺寸开拓平台(EVAL-ADICUP3029)

设计和集成文件

PLC/DCS Wiki用户指南

道理图、结构文件、物料清单、软件

电路功能与上风

可编程逻辑节制器(PLC)和散播式节制系统(DCS)被用于监测和节制工业自动化利用中的智能(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,如斯,用户可以应用Modbus协议与节点互换数据。

模拟输入数据从本地读取,经由过程应用行业标准Modbus协议的串行接口供给,确保在一系列软件利用和库中,包管数据完备性和可兼容性。同样地,模拟输出经由过程向Modbus寄存器写入来置位,然后被转换为模拟电压或电流旌旗灯号。

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,可以应用供给的硬件和软件根基架构。该电路支持点对点HART通信,可以扩展为多分转站HART收集,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历程。在严酷的工业自动化情况中应用时,这些功能可以增强靠得住性和耐用性。

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

该利用偏重于展示受Modbus主机管控的PLC/DCS系统的开拓,并且经由过程示例阐明若何应用紧张组件的最新功能。单节点系统平日被称为PLC,更大年夜型的系统则平日被称为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,最多包孕16个零丁的节点。该系统也可用于通用周详模拟数据采集利用,例如仪器仪表、模拟数据记录,或测试丈量

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,主机可使用micro-USB电缆,直接连接至EVAL-ADICUP3029平台板的USB串行端口,异常得当要求主机和节点之间间隔小于2米的实验室测试和丈量利用。

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旧与主机维持隔离。虽然一样平常来说与实验室设备不相关,但Modbus协议供给一种方便、标准的与节点通信的措施。HART连接支持对智能传感器和驱动器实施设置设置设备摆设摆设。

主机和节点之间的间隔增大年夜到2米以上时,旌旗灯号完备度、噪音拾取和电气故障会成为更严重的隐患。在这些环境下,EVAL-CN0416-ARDZ为主机供给靠得住的RS-485连接。在单节点、点对点系统中,支持在1 km以上间隔中进行全双工或半双工通信,详细由波特率抉择。

对付多节点系统(称为DCS加倍相宜),EVAL-CN0416- ARDZ供给菊花链端口,支持可切换的半/全双工操作和可切换的端电极,是以系统可以集成2到16个节点。

由于Modbus被用作串行通信协议,以经由过程串行链路,在器件之间发送信息,是以无论规模大年夜小,都可以实现简单、靠得住且耐用的系统。PLC/DCS利用的硬件协议栈包孕三个不合的参考设计。

模拟输入板

图3所示的CN-0414用于丈量4个全差分旌旗灯号,或者丈量8个单端电压和4个电流旌旗灯号。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具有独特的特点,支持在±10 V电压输入长进行开路检测,同时采纳5 V或3.3 V单电源供电,而之前的办理规整洁般都必要大年夜于±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。电流输入上必要250 Ω输入电阻,以使相符HART要求的AD5700-1调制解调器可与AD4111共同应用。

电路的模拟前端AD4111和AD5700-1经由过程ADuM5411和ADuM3151与处置惩罚侧隔离,比拟基于分立式变压器的办理规划,能够节省大年夜量空间。

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异常范例,是以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,以具备动态功率节制功能的AD5755-1 DAC为根基构建。

此电路供给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,供给完备的支持HART连接的模拟输出办理规划。 同时还包括外部瞬变保护电路,这对恶劣工业情况中的利用极其紧张。

电流输出和电压输出经由过程自力引脚供给,一次仅一个输出处于有效状态,因而容许将两个输出引脚连在一路并接到单个端口上。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节制功能,在电流输出模式下可低落功耗。

AD5755-1有四个CHART引脚,分手对应于四个输出通道。HART旌旗灯号可以耦合至这些引脚,并呈现在对应的输出端(假如该输出已使能)。

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,尤其是在长间隔下。

该电路应用ADM2682E RS-485收发器来进行隔离通信,应用LTC2865 RS-485来进行非隔离通信。 这两种器件都可以设置设置设备摆设摆设进行全双工或半双工操作,具备开路或端接传输线。

该电路采纳板载式RJ-45插孔,是以能够应用常用的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电缆的特点阻抗100 ?6?8,但在设置设置设备摆设摆设之后,可以支持标准RS-485电缆的120 ?6?8阻抗。

ADM2682E的数据速度可以达到16 Mbps,供给真正安然的接管器输入和颠末调剂的差动电压阈值。它应用iCoupler数据通道,供给5 kV旌旗灯号隔离,使用isoPower集成式DC-DC转换器,供给5 kV电源隔离。

LTC2865的数据速度可以达到20 Mbps,供给真正安然的接管器输入。由一个内部窗口对照器确定安然状况,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收集

HART器件可在点对点或多分转站这两种收集设置设置设备摆设摆设中的一种运行。

在点对点模式下,4 mA至20 mA旌旗灯号被用于传输一个历程变量,而额外的历程变量、设置设置设备摆设摆设参数和其他器件数据则经由过程HART协议以数字要领传输。4 mA至20 mA模拟旌旗灯号不会受到HART旌旗灯号影响,可用于实施节制。HART协议供给造访帮助变量和其他数据的权限,这些数据可用于实施操作、调试、掩护和诊断。

Modbus协议

在EVAL-ADICUP3029上运行的软件采纳Modbus协议——一种事实上的开放型工业通信标准。Modbus供给一种与单个节点互换数据的靠得住要领,经由过程CRC偏差检测来确保数据的完备性。作为一项开放标准,存在浩繁可用的开放源和商用Modbus软件库,适用于各类平台(例如Windows®、Linux®、嵌入式平台等)。

这些软件也供给简单的敕令行接口(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

设置设置设备摆设摆设PLC/DCS硬件之后,用户一样平常会根据说话(例如C、PythonMATLAB)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利用法度榜样,将模拟和HART参数转化为Modbus寄存器地址和值。

CN-0435用户指南供给此利用法度榜样的Modbus寄存器映射的完备描述,并应用开源Modbus调试器来验证Modbus的合规性。

此外,还供给多个基于开源Modbus库的顶层利用,包括:

• 检测系统设置设置设备摆设摆设:查询所有Modbus节点,显示设置设置设备摆设摆设。

• 读写输出维持寄存器:反省或变动所有受检测板的输出维持寄存器的状态。

• 读取模拟输入寄存器:反省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,在节制台显示数据。

• 写入模拟数据:写入模拟输出,以孕育发生电压或电流。

• 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。

常见变更

CN-0435软件读取模拟输入值和写入模拟输出值,无需实施本地处置惩罚。该软件可以扩展包孕故障检测和相应等功能,或者包孕闭环PID节制环路,从主机上卸载这些功能,节省通信总线的带宽。

树莓派可以用作布局紧凑、价格低廉的主机办理规划。树莓派供给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消息都采纳相同款式发送。这三种Modbus类型的独一差别在于消息的编码要领。

可以经由过程Modbus连接的器件的数量由物理层和数据协议抉择。假如RS-485物理层和Modbus RTU或Modbus ASCII数据协议一路应用,那么可以寻址的节点的最大年夜数量为32,然则,假如以太网物理层和Modbus TCP数据协议一路应用,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)会被所有从机吸收,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拓平台兼容,包括历程现场网(PROFINET)、历程现场总线(PROFIBUS)、节制自动化技巧的以太网(EtherCAT)、EtherNet/IP、Modbus Plus,以及其他协议。

电路评估与测试

以下部分将先容采纳参考演示所需的设备和一样平常步骤。可应用软件的CLI选项,来装置DCS系统并测试其基础功能。如需查看完备阐明和附加信息,请参阅散播式节制系统(DCS)演示Wiki用户指南。

设备要求

必要以下设备:

• 具有USB端口和Windows 7(32位)或更高版本的PC

• 串行终端法度榜样,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电源时采纳24 V直流电压

开始应用

以下是基础设置步骤:

1. 将EVAL-ADICUP3029的USB电缆插入PC,然后将固件闪存到应用的每个电路板上。

2.设置设置设备摆设摆设硬件。遵照散播式节制系统(DCS)演示Wiki用户指南。确保精确设置每块板上的跳线和开关。或者,对付模拟输入板,连接传感器或旌旗灯号源,对付模拟输出板,则连接履行器或万用表

3.对付每个节点,按以下顺序将平台和扩展板堆叠在一路:

• 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,或从新启动系统。

如需查看完备细节,请参阅散播式节制系统(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

懂得更多

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开拓平台(EVAL-ADICUP3029)

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