自动化以及自动化_ 实现工业自动化，模拟I/O系统怎么设计？

支持PLC/DCS应用程序，支持HART和Modbus连接的模拟I/O系统

评估和设计支持

电路评估板

CN-0414电路评估板

CN-0418电路评估板

CN-0416电路评估板

ADALM-UARTJTAG板

Arduino尺寸开发平台

文件的设计与集成

PLC/DCS Wiki用户指南

电路图、布局文件、物料清单和软件

电路的功能和优点

可编程逻辑控制器和分布式控制系统用于工业自动化应用的智能和模拟现场仪表的监控与控制。

图1所示的电路示出了一种简单的DCS系统，包括一个主机、一个单节点、两个四信道隔离模拟输入板和两个四信道隔离模拟输出板，其中，每个板均通过原始大小的板本地管理。 RS-485收发器通过连接到PC或其他主机，可以使用Modbus协议与节点交换数据。

通过从本地读取模拟输入数据并通过使用行业标准Modbus协议的串行接口提供模拟输入数据，在一系列软件应用程序和库中确保数据的完整性和兼容性。 同样，模拟输出通过写入Modbus寄存器进行设置，转换为模拟电压或电流信号。

每个节点可以支持四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可以使用所提供的硬件和软件基础设施来设计。 该电路支持点对点HART通信，并且可扩展到多分支HART网络以在相同信道上集成多个HART设备。

各板的模拟输入和模拟输出电隔离，模拟输入支持开路检测，简化了故障检测和诊断过程。 在严格的工业自动化环境中使用时，这些功能可以提高可靠性和耐久性。

图1.PLCModbus系统功能框图

图2 .多节点DCS Modbus系统功能框图

电路说明

本应用程序以Modbus主机管理的PLC/DCS系统的开发为重点，以如何使用关键组件的最新功能为例进行说明。 单节点系统通常被称为PLC，而更大的系统通常被称为DCS。

每个节点最多可管理16个模拟现场设备、传感器或驱动器，系统可扩展，最多可包含16个单独节点。 该系统还可用于通用精密仿真数据采集应用，如仪器仪表、仿真数据记录或测试和测量。

PLC/DCS拓扑

支持多个连接拓扑。 在单节点系统中，主机可以使用micro-USB缆线直接连接到EVAL-ADICUP3029平台上的USB串行端口，非常适合主机和节点之间距离小于2米的实验室测试和测量应用。

在此点对点拓扑中，电路板上的四组模拟输入和输出保持与主机隔离。 虽然Modbus协议通常与实验室设备无关，但它提供了方便和标准节点通信的方法。 HART连接支持智能传感器和驱动程序配置。

当主机与节点之间的距离增加到2米以上时，信号完整性、噪声拾取和电气故障会变得更加严重。 在这种情况下，EVAL-CN0416-ARDZ为主机提供了可靠的RS-485连接。 单节点、点对点系统在1 km以上的距离内支持全双工或半双工通信，具体取决于波特率。

对于多节点系统，EVAL-CN0416- ARDZ提供菊花链端口，支持可切换的半双工和可切换的终端电极，从而使系统能够整合2到16个节点。

Modbus用作串行通信协议，可通过串行链路在设备之间传输和接收信息，从而实现简单、可靠、耐用的系统，而不受规模限制。 PLC/DCS应用程序的硬件协议栈包含三种不同的参考设计。

模拟输入板

图3所示的CN-0414用于测量四个全差分信号，以及八个单端子电压和四个电流信号。 该电路的核心是AD4111低功耗、低噪声的24位σ-δ模拟数字转换器，集成了±10 V和20 mA模拟前端。

其电压输入对应最高±10 V的输入范围。 AD4111具有独特的特性，支持在±10 V的电压输入下进行开路检测，同时通过5 V或3.3 V的单电源供电，但传统解决方案需要±10 V以上的电源。

电流输入对应0 mA到24 mA的输入范围。 电路的输入阻抗为250 Ω，所有输入都以绝缘接地为基准。 电流输入需要250 Ω的输入电阻，以便能够与AD4111并用符合HART要求的AD5700-1调制解调器。

电路的模拟前端AD4111和AD5700-1通过ADuM5411和ADuM3151与处理侧隔离，与基于分纵型变压器的解决方案相比，能够大幅节省空间。 CN-0414板由9.5 V到36 V的直流电源供电。 这在工业自动化系统中是非常典型的，所以很容易集成到系统中。

图3 .模拟输入板

模拟输出板

图4所示的CN-0418是基于具有动态功率控制功能的AD5755-1 DAC构建的4通道电压和电流输出板。

该电路提供4ma~20ma的电流输出和单极性或双极性的电压输出。 此主板还包括AD5700-1 HART调制解调器，提供支持HART连接的模拟输出解决方案。 同时还包括外瞬变保护电路，对于在恶劣工业环境下的应用至关重要。

电流输出和电压输出通过独立的端子供给，一次只启用一个输出，因此可以将两个输出端子连接到一个端口。 模拟输出通过短路和开路得到保护。

AD5755-1集成了基于DC-DC升压转换器电路的动态电源控制功能，可在电流输出模式下降低功耗。 AD5755-1有4个CHART引脚，每个引脚对应4个输出通道。 HART信号可以连接到这些引脚并且出现在相应的输出端。

图4 .模拟输出板

RS-485收发机基板

图5中所示的CN-0416是隔离式非隔离式RS-485收发机板，有助于在多个系统或节点之间传输数据，特别是在长距离内。

此电路使用ADM2682E RS-485收发器来执行绝缘通信，并使用LTC2865 RS-485来执行非绝缘通信。 这两个设备都可以配置为执行带有开放或终止传输路径的全双工或半双工操作。

此电路采用集成RJ-45插孔，使用常见的cat 5以太网缆线可以快速实现与节点的物理连接。 端子电极电阻默认设定为CAT5电缆的特性阻抗100，但配置后，可对应标准RS-485电缆的120阻抗。

ADM2682E的数据速率可达到16 Mbps，且可提供实际安全的接收器输入和经调整的差分电压阈值。 使用iCoupler数据通道提供5 kV的信号分离，使用isoPower集成DC-DC转换器提供5 kV的电源分离。

LTC2865的数据速率高达20 Mbps且能够提供真正安全的接收器输入。 无需通过内部窗口比较器确认安全状况，调整差动输入电压的阈值。

图5.RS-485收发板

支持HART的现场设备的接线

图支持HART的现场设备的接线

HART网络

HART设备可以在点对点或多分支站上的两种网络配置之一上运行。

在点对点模式下，使用4 mA到20 mA的信号来携带过程变量，并且附加过程变量、设置参数和其他装置数据经由HART协议以数字方式被传输。 4 mA到20 mA的模拟信号不受HART信号的影响，可用于控制。 HART协议提供访问可用于执行操作、调试、维护和诊断的辅助变量和其他数据的权限。

Modbus协议

在EVAL-ADICUP3029上运行的软件采用实际上为Modbus协议的开放式工业通信标准。 Modbus提供了可靠的方法来与单个节点交换数据，并通过CRC错误检测确保数据完整性。 开放标准包括许多可用的开放源代码和商业Modbus软件库，并且适用于不同的平台。

此外，由于这些软件提供了简单的命令行界面，因此系统可以通过串行端口进行手动验证，而无需将其他软件加载到主机。

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硬件时，一般根据语言和主机平台选择适当的Modbus库。 然后，必须创建简单的测试应用程序，并将模拟和HART参数转换为Modbus寄存器地址和值。

CN-0435用户指南提供了此应用程序的Modbus寄存器映射的完整说明，并使用开源Modbus调试器来验证Modbus的合规性。

它还提供了基于开源Modbus库的顶级应用程序，包括

检查系统配置:查询所有Modbus节点并显示配置。

读写输出保持寄存器:检查或变更所有检查对象板的输出保持寄存器的状态。

模拟输入寄存器的读取:检查所有板的输入寄存器的状态。

读取模拟数据:读取单一模拟输入或所有模拟输入，在控制台上显示数据。

模拟数据的写入:写入模拟输出，生成电压或电流。

模拟回波:读取模拟输入板的模拟电压或电流，将相同数值的模拟电压或电流写入模拟输出板。

常见的变化

CN-0435软件进行模拟输入值的读取和模拟输出值的写入，因此无需实施本地处理。 该软件可以扩展诸如故障检测和响应之类的功能，或者从主机卸载包括闭环PID控制环路在内的这些功能，以节省通信总线带宽。

草莓派可以作为紧凑、廉价的主机解决方案使用。 草莓派提供有线或无线以太网连接，可以直接连接到EVAL-ADICUP3029的USB-UART。

目前最常用的Modbus版本是Modbus ASCII、Modbus RTU和Modbus TCP。 所有Modbus消息都以相同的格式发送。 这三种Modbus类型的唯一区别是消息编码。

Modbus可以连接的设备数取决于物理层和数据协议。 将RS-485物理层与Modbus RTU或Modbus ASCII数据协议结合使用时，最多可寻址32个节点，而将以太网物理层与Modbus TCP数据协议结合使用时，最多可寻址247个节点。

设备地址为0到247之间的数字。 发送到地址0的消息被所有从属设备接受，但1到247之间的数字是特定设备的地址。

CN-0414和cn-0418 arduino大小可支持多种其它自动通信协议，例如过程现场网络、过程现场总线、控制自动化技术的以太网、以太网/ IP、Modbus Plus和其它协议

电路评估和测试

以下各节介绍了使用参考演示所需的设备和常规步骤。 软件CLI选项允许您组装DCS系统并测试基本功能。 有关详细说明和其他信息，请参阅分布式控制系统演示Wiki用户指南。

设备要求

需要以下设备

配备USB端口和Windows 7或更高版本的PC

TeraTerm或Putty等串行终端程序

适用于每个节点的一个或多个EVAL-CN0414-ARDZ电路评估板和/或一个或多个EVAL-CN0418-ARDZ电路评估板

用于Modbus接口的EVAL-CN0416-ARDZ板，以及用于每个节点的EVAL-CN0416-ARDZ板

添加了ADALM-UARTJTAG评估板和EVAL-CN0416-ARDZ板

适用于每个节点的eval-adi杯3029评估板

微型USB电缆

RS-485接口用RJ-45电缆1根和各节点用电缆1根

PLC系统软件或预设的十六进制文件

1a电源采用24 V直流电压

开始使用

基本的设定步骤如下所示

将eval-ADI cup 3029 USB电缆插入PC，然后将固件刷新到要使用的每个电路板。

2 .配置硬件。 根据分布式控制系统演示Wiki用户指南。 验证每个板的跳线和开关设置是否正确。 或者，传感器或信号源与模拟输入板连接，驱动器或测试器与模拟输出板连接。

3 .对于每个节点，按以下顺序堆叠平台和扩展板

• EVAL-CN0416-ARDZ

EVAL-CN0418-ARDZ或EVAL-CN0418-ARDZ

EVAL-CN0418-ARDZ或EVAL-CN0418-ARDZ

EVAL-CN0418-ARDZ或EVAL-CN0418-ARDZ

EVAL-CN0418-ARDZ或EVAL-CN0418-ARDZ

• EVAL-ADICUP3029

4 .在节点和RS-485适配器之间连接RJ-45电缆。

将RS-485适配器连接到主机。

按3029_Reset按钮或重新启动系统。

有关详细信息，请参阅分布式控制系统演示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