基于PLC的模拟I/O系统的实现

可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)被用于监测和控制工业自动化应用中的智能(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，如此，用户可以使用Modbus协议与节点交换数据。

模拟输入数据从本地读取，通过使用行业标准Modbus协议的串行接口提供，确保在一系列软件应用和库中，保证数据完整性和可兼容性。同样地，模拟输出通过向Modbus寄存器写入来置位，然后被转换为模拟电压或电流信号。

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，可以使用提供的硬件和软件基础架构。该电路支持点对点HART通信，可以扩展为多分转站HART网络，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过程。在严峻的工业自动化环境中使用时，这些功能可以增强可靠性和耐用性。

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

该应用侧重于展示受Modbus主机管控的PLC/DCS系统的开发，并且通过示例说明如何使用重要组件的最新功能。单节点系统通常被称为PLC，更大型的系统则通常被称为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，最多包含16个单独的节点。该系统也可用于通用精密模拟数据采集应用，例如仪器仪表、模拟数据记录，或测试和测量。

PLC/DCS拓扑

支持多个连接拓扑。在单节点(PLC，或单节点DCS)系统中，主机可利用micro-USB电缆，直接连接至EVAL-ADICUP3029平台板的USB串行端口，非常适合要求主机和节点之间距离小于2米的实验室测试和测量应用。

在这个点对点拓扑中，电路板四个一组的模拟输入和输出仍然与主机保持隔离。虽然一般来说与实验室设备不相关，但Modbus协议提供一种方便、标准的与节点通信的方法。HART连接支持对智能传感器和驱动器实施配置。

主机和节点之间的距离增大到2米以上时，信号完整度、噪音拾取和电气故障会成为更严重的隐患。在这些情况下，EVAL-CN0416-ARDZ为主机提供可靠的RS-485连接。在单节点、点对点系统中，支持在1 km以上距离中进行全双工或半双工通信，具体由波特率决定。

对于多节点系统(称为DCS更加合适)，EVAL-CN0416- ARDZ提供菊花链端口，支持可切换的半/全双工操作和可切换的端电极，因此系统可以集成2到16个节点。

因为Modbus被用作串行通信协议，以通过串行链路，在器件之间发送信息，因此无论规模大小，都可以实现简单、可靠且耐用的系统。PLC/DCS应用的硬件协议栈包含三个不同的参考设计。

模拟输入板

图3所示的CN-0414用于测量4个全差分信号，或者测量8个单端电压和4个电流信号。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具有独特的特性，支持在±10 V电压输入上进行开路检测，同时采用5 V或3.3 V单电源供电，而之前的解决方案一般都需要大于±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。电流输入上需要250 Ω输入电阻，以使符合HART要求的AD5700-1调制解调器可与AD4111配合使用。

电路的模拟前端AD4111和AD5700-1通过ADuM5411和ADuM3151与处理侧隔离，相比基于分立式变压器的解决方案，能够节省大量空间。

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非常典型，因此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，以具备动态功率控制功能的AD5755-1 DAC为基础构建。

此电路提供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，提供完整的支持HART连接的模拟输出解决方案。 同时还包括外部瞬变保护电路，这对恶劣工业环境中的应用极其重要。

电流输出和电压输出通过独立引脚提供，一次仅一个输出处于有效状态，因而允许将两个输出引脚连在一起并接到单个端口上。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控制功能，在电流输出模式下可降低功耗。

AD5755-1有四个CHART引脚，分别对应于四个输出通道。HART信号可以耦合至这些引脚，并出现在对应的输出端(如果该输出已使能)。

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，尤其是在长距离下。

该电路使用ADM2682E RS-485收发器来进行隔离通信，使用LTC2865 RS-485来进行非隔离通信。 这两种器件都可以配置进行全双工或半双工操作，具备开路或端接传输线。

该电路采用板载式RJ-45插孔，因此能够使用常用的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电缆的特性阻抗100 Ω，但在配置之后，可以支持标准RS-485电缆的120 Ω阻抗。

ADM2682E的数据速率可以达到16 Mbps，提供真正安全的接收器输入和经过调整的差动电压阈值。它使用iCoupler数据通道，提供5 kV信号隔离，利用isoPower集成式DC-DC转换器，提供5 kV电源隔离。

LTC2865的数据速率可以达到20 Mbps，提供真正安全的接收器输入。由一个内部窗口比较器确定安全状况，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网络

HART器件可在点对点或多分转站这两种网络配置中的一种运行。

在点对点模式下，4 mA至20 mA信号被用于传输一个过程变量，而额外的过程变量、配置参数和其他器件数据则通过HART协议以数字方式传输。4 mA至20 mA模拟信号不会受到HART信号影响，可用于实施控制。HART协议提供访问辅助变量和其他数据的权限，这些数据可用于实施操作、调试、维护和诊断。

Modbus协议

在EVAL-ADICUP3029上运行的软件采用Modbus协议——一种事实上的开放型工业通信标准。Modbus提供一种与单个节点交换数据的可靠方式，通过CRC误差检测来确保数据的完整性。作为一项开放标准，存在众多可用的开放源和商用Modbus软件库，适用于各种平台(例如Windows®、Linux®、嵌入式平台等)。

这些软件也提供简单的命令行接口(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

配置PLC/DCS硬件之后，用户一般会根据语言(例如C、Python、MATLAB)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应用程序，将模拟和HART参数转化为Modbus寄存器地址和值。

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

此外，还提供多个基于开源Modbus库的顶层应用，包括：

检测系统配置：查询所有Modbus节点，显示配置。

读写输出保持寄存器：检查或更改所有受检测板的输出保持寄存器的状态。

读取模拟输入寄存器：检查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，在控制台显示数据。

写入模拟数据：写入模拟输出，以产生电压或电流。

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。

常见变化

CN-0435软件读取模拟输入值和写入模拟输出值，无需实施本地处理。该软件可以扩展包含故障检测和响应等功能，或者包含闭环PID控制环路，从主机上卸载这些功能，节省通信总线的带宽。

树莓派可以用作结构紧凑、价格低廉的主机解决方案。树莓派提供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消息都采用相同格式发送。这三种Modbus类型的唯一区别在于消息的编码方式。

可以通过Modbus连接的器件的数量由物理层和数据协议决定。如果RS-485物理层和Modbus RTU或Modbus ASCII数据协议一起使用，那么可以寻址的节点的最大数量为32，但是，如果以太网物理层和Modbus TCP数据协议一起使用，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)会被所有从机接受，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发平台兼容，包括过程现场网(PROFINET)、过程现场总线(PROFIBUS)、控制自动化技术的以太网(EtherCAT)、EtherNet/IP、Modbus Plus，以及其他协议。