设计指南 4603

过程控制和PLC设计指南


摘要 : 可编程逻辑控制器(PLC)在过程控制系统中能够有效节省时间,降低成本和能耗,简化系统设计。从制造业发展进程可以了解到如何用现代IC替代分立电路。这些IC能够简化系统设计,扩展设备监测功能并保障操作人员的安全。MAX15500/MAX15501、MAX5661以及MAX5134–MAX5139是过程控制应用中的典型IC。

简介

工业控制、工厂自动化以及PLC (可编程逻辑控制器)是发展成熟的技术,能够有效地节约时间、材料、能源和金钱。但从何入手呢? 设计一个完全自动化的工厂是一项巨大工程,有可能在还没有启动项目时就放弃了。

这使我们想起多年以前非洲的一位探险家,当他询问本地的一位部落男子:“如何吃掉一头大象?”,这位男子惊讶地看着探险家回答到:“我们吃大象就像吃别的任何东西一样,一次一口”。与其它大型系统开发一样,工业控制系统可以划分成许多小规模电路。下面我们就开始探讨这些细分后的电路。

过程控制流程

装配生产线是人类历史上相当新的发明创造,许多国家都在同一时期涌现出了类似的创新方案。我们将列举其中的几个示例,阐述如何演进到一个完整的自动化工厂。

Samuel Colt (美国的枪支制造商)在19世纪中叶展示了一种通用部件。早期的枪支需要独立制造每只枪的部件,然后进行组装。Colt先生展示了10只枪的通用部件,然后随机地从箱子里抓取这些部件并组装好一只枪。在20世纪初期,Henry Ford进一步拓展了大批量生产技术。他采用固定的装配厂,用卡车在工厂之间运输零部件。雇员只需要了解很少的装配知识,在以后的工作中也只进行这些操作。1954年,George Devol申请了美国专利2,988,237,这项专利标志着首台工业机器人的诞生,该机器人被命名为Unimate。20世纪60年代末期,General Motors®使用PLC (可编程逻辑控制器)组装汽车的自动变速器。被称为PLC之父的Dick Morley为GM生产了首个PLC。他的美国专利3,761,893是当前许多PLC的基础(有关上述四位发明家的详细信息,请参考:www.wikipedia.org/;相关专利请查询:http://patft.uspto.gov/netahtml/PTO/srchnum.htm)。

过程控制可以简单到何种程度? 图1给出了一个常见的家用加热器。

图1. 家用电子加热器,一个简单的过程控制示例。
图1. 家用电子加热器,一个简单的过程控制示例。

加热器部件密封在一个容器内,简化系统通信。这个概念可以扩展到远端控制的恒温加热器,通信距离在几米左右,通常采用电压控制。

现在,我们可以考虑一个小型的简单过程控制系统,在图2所示工厂中需要哪些必要部件?

图2. 工厂的远程通信
图2. 工厂的远程通信

长距离传输线的阻抗、EMI以及RFI (电磁及无线电干扰)使得电压控制方案的实施非常困难,这种情况下,电流环不失为简单、有效的解决方案。由基尔霍夫定律可知,电流环中任何一点的电流等于环路中其它所有点的电流之和,由此可以抵消传输线阻抗的影响。由于环路阻抗和带宽较低(几百欧姆,< 100Hz),EMI和RFI的杂散拾取最小。

PLC基本原理

电流控制环的应用始于20世纪早期的电传打字机,最先使用的是0–60mA环路,后来改为0–20mA环路,PLC系统率先加入4–20mA环路。4–20mA电流环有很多优势,将4mA作为最低通信电流,传输线断开(开路)时很容易检测到这一故障,只需两条连线即可实现远端传感器供电,大约3.5mA。4–20mA环路可以采用模拟通信,也可以采用数字通信。

在传统的分立器件设计中需要仔细计算,而且电路占用较大空间。Maxim推出了几款20mA器件,能够大大简化系统设计。我们首先考虑典型的PLC功能,如图3所示。

图3. PLC简化框图
图3. PLC简化框图

PLC用于完成某项工作或任务。我们先检测一个物理参数,对其处理并进行决策,然后命令某个物理设备进行动作。根据这一模型,左下框显示了信号调理输出,可以采用MAX15500/MAX15501集成电路。

MAX15500/MAX15501允许选择近程电压控制或远程电流控制。从图4可以看出,除了传统的分立方案中所具备的基本通信功能外,器件中又加入了新的监测和保护功能。

图4. MAX15500/MAX15501输出调理器系列产品,器件功能包括:为1kΩ提供的±12V加载感应输出、供给750Ω的±24mA电流、100µs的14位建立时间、40µs的12位建立时间。
图4. MAX15500/MAX15501输出调理器系列产品,器件功能包括:为1kΩ提供的±12V加载感应输出、供给750Ω的±24mA电流、100µs的14位建立时间、40µs的12位建立时间。

工厂布线受运动、震动等因素的影响,可能导致与其它连接器之间的开路或短路。为了保证设备和人身安全,需要进行安全监测。电缆发生失效时,在系统彻底失效之前会有一段间隔时间。MAX15500系列能够智能化地进行监测,管理不同的失效状况。

考虑到工厂极端的EMI、RFI、电源浪涌条件,任何监控措施都必须可靠,能够不受外界环境的干扰。MAX15500系列包含了一个最小260ms的开路、短路超时周期,这个时间周期足以避免监测嘈杂环境引起的错误报警,而且也足够捕获短暂的电缆故障。此外,器件将锁存故障并触发一个独立的硬件中断引脚报警,从而使处理器快速响应电缆短路故障。处理器收到中断后可以读取MAX15500的寄存器内容,获取准确的故障信息,清除故障中断。除了监测电缆的状况外,器件还提供其它安全功能,例如,通过检测芯片温度监控环境是否过热。可调节的电源跌落检测门限对于可靠的系统设计非常关键,电源电压检测门限可以在±10V至±24V范围调节,级差为2V。

为了保证系统安全,MAX15500/MAX15501输出还具有过流保护、对地短路保护以及高达±35V的过压保护。为满足客户需求,MAX15500/MAX15501提供可编程的超量程能力。某些用户采用满量程的105%,甚至120%进行测试或处理紧急操作(系统可能出于部分故障或强噪声环境)。MAX15500/MAX15501采用32引脚、5mm² TQFN封装,带有裸焊盘,改善散热。

MAX15500/MAX15501输出调理器符合HART®标准,HART (高速可寻址远端传感器)协议能够在4–20mA控制线路上承载双向数字信号,类似于1200波特率、用于固定电话呼叫的Bell 202协议。

MAX15500/MAX15501还具有独立的SPI™总线,减少了电气隔离所需要的光隔离器。器件采用的是特殊的自定时SPI接口,支持菊链协议。当多个SPI器件需要通过电气隔离控制时,这种模式有助于减少控制线和隔离光耦的需求。

在更小的PCB (PC板)上集成更多功能

设计分立、可选电压(单极性和双极性)或电流输出调节电路是一项极具挑战的任务,特别是当设计人员了解到需要控制满量程可变增益、针对单极性和双极性电压设置的多种复位电平、0mA和4mA电路需求时,会对系统的复杂度又进一步的认识。图5简化了这些功能设计,因为这些功能已经集成在MAX5661电流和电压输出DAC的内部。

图5. MAX5661的简化功能框图
图5. MAX5661的简化功能框图

MAX5661借助其编程功能解决了分立方案设计难题,可以方便地选择以下参数:
  • 输出电压
    • 单极性范围:0至+10.24V,±25%
    • 双极性范围:±10.24V,±25%
  • 电流输出
    • 单极性低档范围:0至20.45mA
    • 单极性高档范围:3.97mA至20.45mA
  • 满量程输出增益
    • 以10位分辨率或间隔调整到高达±25%的超范围
  • 异步复位或清零,或预置到16位数字
这些功能提供了设计灵活性,作为模拟电源时,输出电压范围为±13.48V至±15.75V;电流输出时,输出电压摆幅为:+13.48V至+40V。差分电压输出可以通过电压输出放大器的加载/感应检测实现远程检测。故障输出中断指示开路电流输出、短路电压输出或状态清除。该功能由限流电压输出驱动;对于电流输出,压差检测器对超出规定范围的电流输出进行监测。/LDAC引脚用于控制异步DAC更新和多DAC同步系统。

上述所有功能集成在MAX5661 10mm x 10mm LQFP封装内。

利用电压和电流调理提供多PLC输出

很明显,可以利用多片MAX5661 16位器件提供其它附加功能,但是,对于需要低分辨率、低成本的PLC系统可以考虑其它方案,Maxim提供分辨率为6位至16位的DAC,拥有超过2500种不同型号的器件。该系列产品的通道选择包括:1至4通道、8通道、16通道以及32通道。通信接口包括并行、高速SPI和I²C串行总线等。另外,还可以选择快速建立时间(< 1µs)、小尺寸(SOT23、QFN、µMAX®)以及更高精度(≤ 1 LSB INL)等器件。

Maxim近期推出的高精度DAC系列产品包括MAX5134–MAX5137MAX5138/MAX5139,这些DAC包括六路可选的缓冲电压输出。所有器件采用+2.7V至+5.25V单电源供电,提供3线SPI/QSPI™/MICROWIRE™/DSP兼容串行接口。

MAX5134–MAX5137为引脚兼容、软件兼容的16位和12位DAC。MAX5134为四通道16位器件,INL为±8。MAX5135同样为四通道DAC,分辨率为12位,INL为±1;MAX5136为双通道16位器件,INL为±8;MAX5137为双通道12位器件,INL为±1。每款DAC都提供超小尺寸(4mm²)、24引脚TQFN封装,工作在-40°C至+105°C扩展工业级温度范围。

MAX5138/MAX5139都是单通道、引脚和软件兼容的DAC,提供小尺寸(3mm²)、16引脚TQFN封装。MAX5138为16位DAC,INL典型值为±2;MAX5139为12位DAC,INL典型值为±0.25。

高性能MAX5134–MAX5139内置10ppm/°C的高精度基准,也可以使用外部基准,以支持满摆幅输出。利用一个硬件输入引脚控制DAC的输出设置,可以在上电或复位时将DAC输出置于0或中间值。该特性为阀门驱动或其它需要在上电时处于关闭状态变送器应用提供了附加保护。硬件加载DAC (/LDAC)引脚支持多片DAC的同步更新。串行接口提供/READY输出,简化多片MAX5134–MAX5139、MAX15500/MAX15501以及MAX5661器件链接时的控制。

对于高性价比的4路输出PLC应用,可以选择MAX5135四通道12位DAC和四通道MAX15500输出调理器。

结论

Maxim DAC的高线性度和输出调理功能使得这些器件能够理想用于高精度控制和仪器仪表。Maxim器件为设计人员提供了一个简单、明智的选择,能够消除分立电路复杂、大尺寸的设计困扰。简化设计意味着可以随意选择电压或电流驱动,使繁忙的工程师能够专注于系统设计的关键部分,减少浪费,提供更加有效的高精度控制,进而改进我们的环境。
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