Аналоговый ввод/вывод ПЛК

Опубликовано в номере:
PDF версия
Десятки лет программируемые логические контроллеры остаются неотъемлемой частью систем автоматизации предприятий и систем управления технологическими процессами. Правильная реализация аналоговых входов и выходов является одной из приоритетных задач, лежащих в основе применения ПЛК.

Обычно понятие «программируемый логический контроллер» (ПЛК, Programmable logic controllers, PLC) подразумевает блочно-модульную систему универсального назначения, построенную на основе микропроцессора. Как правило, ПЛК содержит центральный процессор, преобразователь напряжения, различную периферию для работы с коммуникационными и беспроводными интерфейсами, а также входы и выходы для взаимодействия с внешними устройствами. Обобщенная структурная схема ПЛК показана на рис. 1.

Обобщенная структурная схема ПЛК (PLC)

Рис. 1. Обобщенная структурная схема ПЛК (PLC)

Все имеющиеся на борту контроллера входы и выходы можно разделить на три класса: аналоговые, дискретные и специальные. Аналоговые входы ПЛК служат для ввода непрерывного сигнала с датчиков и других внешних устройств. Аналоговые сигналы делятся на два типа: сигналы по току (4–20 мА) и сигналы по напряжению (от 0–10 В). Аналоговые выходы ПЛК, в свою очередь, служат для плавного управления устройствами. Разделение у аналоговых выходов такое же, как и у входов (по току и по напряжению). Примеры использования аналоговых входов/выходов приведены на рис. 2.

Применение аналоговых входов и выходов ПЛК

Рис. 2. Применение аналоговых входов и выходов ПЛК

 

Аналоговые входы

Согласно ГОСТ IEC 61131-2-2012, аналоговый вход (analogue input) — это устройство, преобразующее непрерывный сигнал в дискретное мультибитовое двоичное число для работы в системе программируемых контроллеров.

Для аналоговых входов самыми распространенными являются стандартные диапазоны постоянного напряжения: –10…+10 и 0…+10 В. Для токовых входов диапазоны составляют 0–20 и 4–20 мА (табл. 1).

Таблица 1. Номинальные значения и пределы импеданса для аналоговых входов

Диапазон сигнала

Пределы для импеданса входов

±10 В

 10 кОм

0–10 В

 10 кОм

1–5 В

 5 кОм

4–20 мА

 300 Ом

0–20 мА

 300 Ом

В общем случае измерительный тракт системы обработки аналоговых сигналов состоит из нескольких звеньев (рис. 3): входной сигнал, получаемый с датчика (или датчиков), поступает на усилитель через мультиплексор или напрямую. Главная задача усилителя в данной схеме — нормирование/усиление сигнала до оптимального для АЦП уровня. В свою очередь, АЦП производит оцифровку сигнала в соответствии с уровнем напряжения источника опорного напряжения (ИОН), затем сигнал поступает на центральный процессор, где проходит цифровую обработку.

 Обобщенная структурная схема аналогового входа ПЛК

Рис. 3. Обобщенная структурная схема аналогового входа ПЛК

Однако в зависимости от конкретных задач возможны различные варианты реализации измерительного тракта:

  • с независимыми предварительными усилителями и АЦП, одновременно конвертирующими входные сигналы в цифровое представление;
  • с мультиплексором в качестве первой ступени, за которым в тракте перед АЦП стоит общий усилитель;
  • с отдельными каналами, в каждом из которых стоит усилитель, а перед АЦП включен мультиплексор.

Мультиплексоры в тракте служат для выборки одного из нескольких входных каналов. Мультиплексор, соответствующий требованиям по защите от высоковольтных электростатических разрядов (вплоть до ±35 кВ) или защищенный от скачков напряжения на входах, способен устранить необходимость использования внешних схем, таких как делители напряжения и оптоэлектронные реле. При этом важно иметь низкие согласованные сопротивления открытого канала (RON), поскольку они позволяют обеспечить малые искажения сигналов, улучшив тем самым надежность системы, а также низкие токи утечки, критичные для минимизации ошибок измерения напряжений. К мультиплексорам, применимым в подобных трактах, можно отнести MUX508, MUX36D04, MUX36D08 и MUX36S08 производства Texas Instruments. Данные устройства способны работать с напряжениями 10–36 В (рис. 4).

Пример подключения мультиплексора к АЦП

Рис. 4. Пример подключения мультиплексора к АЦП

Уровень выходного сигнала с датчика может быть очень низким или очень высоким, что для максимизации динамического входного диапазона АЦП требует добавления усилителей или аттенюаторов соответственно. Эти предварительные каскады обычно реализуют на усилителях с программируемым коэффициентом усиления или на дискретных операционных усилителях и прецизионных резистивных делителях. АЦП и усилитель работают в тандеме, чтобы обеспечить наилучшее отношение сигнал/шум (SNR) при заданных ограничениях по стоимости, размерам и потребляемой мощности. Компания Texas Instruments предлагает широкий спектр усилителей с программируемым коэффициентом усиления (PGA281, PGA112), инструментальных усилителей (INA188, INA826), а также операционных усилителей семейства OPA (OPA320, OPA2196, OPA2320, OPA196, OPA191). Пример подключения PGA281 приведен на рис. 5.

 Пример подключения усилителя PGA281 к АЦП

Рис. 5. Пример подключения усилителя PGA281 к АЦП

Реализация аналоговых входов по описанным выше схемам достаточно сложна с практической точки зрения, а необходимость использования множества компонентов увеличивает габариты конечного решения. Альтернативой в этом случае может послужить АЦП с интегрированными каскадами предварительной обработки.

Ведущие производители АЦП выпускают специализированные преобразователи для применения в аналоговых модулях ПЛК. Такие преобразователи, как правило, представляют собой многоканальные системы сбора данных на кристалле и содержат множество функциональных модулей: источники тока, программируемые усилители, входы/выходы общего назначения, источники опорного напряжения, блоки достоверности данных и т. д. Примером таких преобразователей являются ADS124S06 и ADS124S08, не так давно выпущенные компанией Texas instruments.

ADS124S06 и ADS124S08 — это высокоточные сигма-дельта АЦП с разрядностью 24 бит и низким энергопотреблением (рис. 6).

 Структурная схема ADS124S08

Рис. 6. Структурная схема ADS124S08

Данные АЦП имеют в своем составе шесть (ADS124S06) и двенадцать (ADS124S08) мультиплексированных каналов, устройства выборки и хранения, программируемые усилители, цифровые фильтры, а также устройства мониторинга различных системных параметров, в том числе и температурный датчик.

Благодаря встроенным усилителям PGA, ADS124S06 и ADS124S08 не нуждаются во внешних схемах усиления. Усилитель PGA позволяет выбирать усиление в пределах 1–128.

На кристалле данных АЦП расположен ИОН — прецизионный блок с низким дрейфом, откалиброванный производителем до 2,5 В. На соответствующем контакте Vref внутренний ИОН может быть подавлен внешним (внешний ИОН может быть в диапазоне 2,3 В — Vref). Кроме того, ADS124S06 и ADS124S08 оснащены настраиваемыми цифровыми фильтрами с низкой задержкой преобразования и частотой 50 или 60 Гц для работы в промышленных средах с высоким уровнем шума, что в совокупности с ранее описанными особенностями делает их прекрасным решением для применения в ПЛК. Обобщенные характеристики этих АЦП приведены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики ADS124S06 и ADS124S08

Характеристика

ADS124S06

ADS124S08

Разрядность АЦП

24 бит

24 бит

Количество измерительных каналов

6

12

Частота захвата сигнала

4 кГц

4 кГц

Тип аналого-цифрового преобразователя

сигма-дельта

сигма-дельта

Цифровой интерфейс

SPI

SPI

Потребляемая мощность

1,75 мВт

1,75 мВт

Конфигурация источника опорного напряжения

внешний, встроенный

внешний, встроенный

Диапазон питающих напряжений цифровой части

2,7–3,6 В

2,7–3,6 В

Диапазон рабочих температур

–50…+125 °C

–50…+125 °C

Для примера реализации аналоговых входов на базе ADS124S08 компания Texas Instruments выпустила опорный дизайн TIDA-01434.

 

TIDA-01434

TIDA-01434 — это полнофункциональный законченный модуль аналоговых входов ПЛК (рис. 7), который удовлетворяет современным требованиям эффективности и плотности каналов при небольших габаритах печатной платы, а также обладает низким энергопотреблением и широким диапазоном рабочих температур. Конструкция данного модуля использует конвертер DC/DC в режиме Charge Pump, а переход из одноканального режима в многоканальный легко осуществляется без изменения параметров питания.

Внешний вид модуля TIDA-01434

Рис. 7. Внешний вид модуля TIDA-01434

Особенности модуля:

  • Наличие изолированного источника питания и высокоточного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя;
  • наличие биполярного аналогового источника питания с Inverting Charge Pump;
  • отсутствие необходимости подключения дополнительных цепей обвязки;
  • отсутствие катушек индуктивности на борту, благодаря чему высота модуля составляет всего 3,5 мм;
  • возможность внешнего подключения.

Обобщенные характеристики модуля отображены в таблице 3.

Таблица 3. Характеристики модуля TIDA-01434

Параметр

Величина

Источник питания входного сигнала

Общая шина питания

Напряжение питания

3–5,5 В

Ток потребления

17 мА

Выходное напряжение

3,3 В; –2,5 В; 2,5 В

КПД

≈ 12%

Рабочая температура

–40…+124 °C

Размеры

35×35×3,65 мм

В конструкции современных модулей управления аналоговыми сигналами к АЦП, как правило, для повышения производительности добавляется LDO-регулятор. На модуле TIDA-01434 для этих целей предусмотрен специально выделенный LDO-регулятор LM27762 с высоким коэффициентом подавления нестабильности питания (PSRR). Также LM27762 осуществляет функцию формирования биполярного сигнала на АЦП.

При работе с модулем TIDA-01434 нет необходимости включения в цепь дополнительных компонентов, в частности не нужно добавлять фильтры типа RC или LC для фильтрации импульсов с источника питания; это стало возможным благодаря применению в схеме цифрового изолятора ISOW7841.

TIDA-01434 предназначен для работы в качестве одно- или много­канального аналогового входа с биполярными входными сигналами и применяется в большинстве случаев для построения решений на базе ПЛК, но не ограничивается только этим. Модуль подходит как для систем типа «канал-канал» (channel-to-channel), так и для входов с групповой изоляцией. В системе channel-to-channel каждый канал входного сигнала имеет собственную «землю» — такая топология позволяет работать с входными сигналами с большей разницей потенциалов. При использовании топологии групповой изоляции величины допустимых напряжений ограничены. В данном случае предпочтительно использовать топологию типа channel-to-channel.

Модуль TIDA-01434, помимо упомянутых ранее АЦП ADS124S08 и преобразователя LM27762 типа Charge Pump, имеет на борту линейный регулятор TPS7A87, источник опорного напряжения и тока REF6225, цифровой изолятор ISOW7841 и ISO7741, а также неинвертирующие буферы SN74AHC1G04 и SN74AHC1G125 (рис. 8).

 Блок-схема TIDA-01434

Рис. 8. Блок-схема TIDA-01434

Для удобства отладки и оценки возможностей модуля можно использовать отладочную плату на базе контроллера MSP430FR5969 (рис. 9).

Внешний вид отладочной платы MSPEXP430FR5969

Рис. 9. Внешний вид отладочной платы MSPEXP430FR5969

 

Аналоговые выходы

В соответствии с ГОСТ IEC 61131–2-2012 аналоговый выход (analogue output) — это устройство, которое преобразовывает мультибитовое двоичное число из системы программируемых контроллеров в непрерывный сигнал. Номинальные значения и пределы импеданса для аналоговых выходов отображены в таблице 4.

Таблица 4. Номинальные значения и пределы импеданса для аналоговых выходов

Диапазон сигнала

Пределы для импеданса вводов

±10 В

1000 Ом

0–10 В

1000 Ом

1–5 В

500 Ом

4–20 мА

600 Ом

0–20 мА

600 Ом

В общем случае тракт генерации выходных аналоговых сигналов включает ряд звеньев (рис. 10): цифровые данные, поступающие от центрального процессора, могут быть преобразованы в аналоговое напряжение или ток, например, с помощью ЦАП и схем последующей обработки выходного сигнала. Дальнейшая обработка обеспечивает необходимую подстройку выходного сигнала, в том числе калибровку смещения, опорного напряжения и усиления.

Обобщенная структурная схема аналогового выхода ПЛК

Рис. 10. Обобщенная структурная схема аналогового выхода ПЛК

ЦАП, применяемые в программируемых логических контроллерах, должны соответствовать строгим электротехническим требованиям как по точности (погрешность на выходе не более 0,1%), так и по защитным характеристикам (4-й уровень защиты согласно ГОСТ 30804.4.2-2013), а также удовлетворять параметрам подачи аналоговых сигналов (коммутировать 4–20 мА и 0–10 В), работать со стандартным в этой сфере диапазоном напряжений (12–32 В) и иметь рассеиваемую мощность не более 1 Вт.

Одним из таких ЦАПов является DAC8775 от компании Texas Instruments (рис. 11).

Структурная схема DAC8775

Рис. 11. Структурная схема DAC8775

DAC8775 — это первый в отрасли ЦАП с выходом 4–20 мА и интегрированным преобразователем напряжения, имеет полную нескорректированную ошибку в 0,1% и способен работать в расширенном промышленном диапазоне температур –40…+125 °C. При работе с напряжением 12 В DAC8775 имеет потребляемую мощность всего 780 мВт. Кроме того, данный ЦАП динамически регулирует величину напряжения питания в соответствии с током нагрузки, подключенной к выходу 4–20 мА. В результате система имеет хорошо управляемые тепловые характеристики, позволяющие разместить большее количество каналов в меньшем форм-факторе. Более подробные характеристики DAC8775 приведены в таблице 5.

Таблица 5. Характеристики DAC8775

Параметр

Величина

Разрешение преобразователя

16

Количество каналов

4

Время стабилизации

10 мкс

Скорость преобразования

33 кГц

Интерфейс обмена данными

SPI

Тип выхода

Выходной усилитель тока, выходной усилитель напряжения

Отклонение коэффициента усиления от идеального значения

±0,1%

Опорное напряжение

5 В

Конфигурация источника опорного напряжения

Внешний, встроенный

Напряжение питания

12–36 В

Потребляемая мощность

780 мВт

Рабочая температура

–40…+125 °C

Корпус

QFN-72, VQFN-72

На базе данного цифро-аналогового преобразователя компанией Texas Instruments был выпущен модуль TIPD215.

 

TIPD215

TIPD215 представляет собой аналоговый 4-канальный модуль (рис. 12) на базе DAC8775 с интегрированным преобразователем LM5166, благодаря которому общая рассеиваемая мощность (при задействовании всех четырех каналов, по 20мА на канал) составляет менее 1 Вт.

Внешний вид модуля TIPD215

Рис. 12. Внешний вид модуля TIPD215

Модуль TIPD215 работает с входным напряжением в диапазоне 12,5–40 В и генерирует на выходе четыре независимых источника, которые можно использовать для контроля за подключенной периферией (рис. 13).

Схема включения модуля TIPD215

Рис. 13. Схема включения модуля TIPD215

К особенностям модуля TIPD215 стоит отнести:

  • четыре канала для управления аналоговыми выходами;
  • коммутируемый ток: 4–20 мА на канал;
  • выходное напряжение: ±10 В;
  • диапазон входных напряжений: 12,5–40 В;
  • менее 1 Вт рассеиваемой мощности;
  • адаптивное управление питанием токовых выходов.

Построенный на базе DAC8775 модуль обладает высокими параметрами надежности: встроенные в DAC8775 средства диагностики способны находить обрывы и короткие замыкания нагрузки, вести мониторинг температуры кристалла, вычислять циклические суммы, с помощью сторожевого таймера контролировать зависание шины SPI и проверять соответствие границ напряжения питания заданным значениям. Кроме того, разработчикам предоставляется возможность программировать способы реакции устройства на аварийные ситуации, что, в свою очередь, значительно упрощает процесс выявления неполадок системы на ранних стадиях и помогает обеспечить высокую надежность ее функционирования.

Также модуль TIPD215 обладает высоким КПД и малым временем отклика. В устройство заложены инновационные возможности самообучения, позволяющие вычислять импеданс нагрузки токовой петли 4–20 мА и динамически снижать напряжение источника питания, благодаря чему уменьшается время установления и достигается эффективный баланс между КПД и скоростью отклика.

Для обеспечения генерации биполярного напряжения в цепь DAC8775 включена индуктивность величиной 100 мкГн. Данная индуктивность рассчитана на коммутацию максимально возможного значения тока 500 мA и может быть уменьшена до 80 мкГн, однако в таком случае это снизит эффективность конвертера и увеличит пульсации на выходе.

 

Другие решения Texas Instruments, используемые для реализации аналоговых входов и выходов

Компания Texas Instruments предоставляет разработчикам широкий перечень всевозможных решений для упрощения процесса реализации аналоговых входов и выходов (табл. 6).

Таблица 6. Решения от Texas Instruments для реализации аналоговых входов и выходов

Наименование

Описание

TIPD216

4-канальный драйвер выхода на базе цифро-аналогового преобразователя DAC8775

TIDA-03031

Оценочная плата на базе электронного предохранителя TPS2660 и 25-Вт резервного источника питания

TIDA-00233

Решение для защиты входов ПЛК (10 А, 24 В)

TIDA-00401

10-Вт изолированный источник питания с широким диапазоном входных напряжений (15–36 В)

TIDA-00118

Тестовая плата для 16-разрядного модуля аналогового выхода ПЛК

PMP10189

Преобразователь напряжения на базе микросхем LM5017, TPS62160, TLV62080 и TPS62160

TIDA-01438

Модуль защиты от электростатических импульсов, построенный на базе TVS-диодов

TIDA-00689

Низкопрофильный и малогабаритный изолированный источник питания

TIDA-00688

Изолированный источник питания. Имеет изолированные выходы ±15 В и 5 В в форм-факторе с высотой 2,2 мм

TIDA-00237

Изолированный источник питания мощностью 1 Вт с диапазоном входного напряжения 12–36 В

TIDA-00400

Изолированный источник питания с 3 выходами: ±15 В/30 мА и +5 В/40 мА

PMP8871

Обратноходовой преобразователь с выходным напряжением 5 В, 1 А

TIDEP-0086

Оценочный модуль для работы с Ethernet-интерфейсом

TIDEP0033

Оценочный модуль для работы с SPI-интерфейсом

TIDA-00204

Оценочный модуль для работы с гигабитным Ethernet

TIDA-00230

Модуль для настройки и логирования NFC (два порта FRAM: NFC<->FRAM<->Serial)

TIDA-00560

Проект 16-канального статусного LED-драйвера, предназначенный для индикации статуса нескольких аналоговых и цифровых входных и выходных каналов

TIDA-01333

8-канальный модуль аналогового ввода на базе АЦП ADS8681

TIDA-00550

Проект модуля с двумя изолированными универсальными аналоговыми входными каналами на базе АЦП ADS1262

TIDA-00164

8-канальный модуль аналогового ввода на базе 16-битного АЦП ADS8688

TIDA-00764

8-канальный модуль аналогового ввода на базе 16-битного АЦП ADS8681

TIPD195

Референс-дизайн 3-контактного ПЛК

TIPD169

16-битная система сбора данных (DAQ) с частотой выборки 1 MSPS и несбалансированным мультиплексированным входом

TIPD166

8-канальный модуль аналогового ввода на базе 16-битного АЦП ADS8688

TIPD164

Модуль аналогового ввода для промышленного оборудования и температурных датчиков

TIPD151

Базовый проект 16-битной 4-канальной мультиплексированной системы сбора данных с частотой выборок 400 KSPS, высоковольтными входами и низким уровнем искажений

TIDEP0032

Мулитипротокольный промышленный Ethernet-детектор W/PRU-ICSS

TIDEP0028

Платформа разработчика Ethernet PowerLink

TMDSICE3359

Отладочная платформа для индустриальных систем на базе процессора Sitara AM335x и с возможностью работы с PROFIBUS

TIDEP0029

Сертифицированное устройство для работы с Profinet IRT V2.3 с 1-ГГц процессором

TIDEP0010

Платформа разработки связи по Sercos III на базе AM335x

TIDEP0003

Решение является платформой для создания и разработки ETHERNET/IP-коммуникаций

TIDEP0079

Проект EtherCAT на базе Sitara AM57x и PRU-ICSS с передачей в определенных временных интервалах

TIDA-00231

Адаптивный источник питания для ПЛК с аналоговым защищенным выходом на базе DAC8760 и LM5017

TIPD155

2-канальный модуль с аналоговыми выходами по напряжению и току на базе АЦП DAC8563 и драйвера XTR300

 

Заключение

В создании автоматизированных систем на базе ПЛК правильное построение аналоговых входов и выходов является одной из главных задач: от разработчика требуется следование ГОСТ IEC 61131-2-2012, точное выполнение приведенных спецификаций токов и напряжений, а также обеспечение необходимого уровня защиты с соблюдением стоимостных и габаритных характеристик конечного продукта. Компания Texas Instruments предоставляет специалистам весь необходимый перечень компонентов и модулей для простого и быстрого выполнения данной задачи.

Литература
  1. ГОСТ IEC 61131-2-2012 «Контроллеры программируемые. Часть 2. Требования к оборудованию и испытания».
  2. Isolated, Transformerless, Bipolar Supply for 24-Bit ADCs Reference Design. www.ti.com/tool/TIDA-01434
  3. Less Than 1-W, Quad-Channel, Analog Output Module With Adaptive Power Management Reference Design. www.ti.com/tool/TIPD215
  4. Лившиц Ю. Е., Лакин В. И., Монич Ю. И. Программируемые логические контроллеры для управления технологическими процессами. Минск, БНТУ, 2014.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *