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      工業連接和智能傳感論壇
      控制系統

      構建高效智能化工業過程控制系統的三個案例淺析

        2021年03月02日  

        工業的普遍發展趨勢,尤其是對工業制造更高的效率、更佳的魯棒性、更高的通道密度、更快的監控和控制速度的要求,進一步促進了半導體新技術的發展。以保證生產過程的參量為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內的自動控制系統,稱為過程控制系統,正通過精益項目執行原理、軟件和網絡對此做出響應,使控制應用程序與物理設備分離,控制器與物理輸入/輸出(I/O)分離,使工作生產的產量增加、質量提高和能耗減少,加速自動化和數字化進程。

        ADI公司的工業解決方案在業界有非常廣泛的應用,其過程控制解決方案可幫助設計工程師開發安全、高度集成的自動化控制器和現場儀器儀表,具有高能效特性,采用安全的工業通信協議實現連接。本文以三個不同場景的ADI過程控制參考設計為例,闡述ADI如何利用豐富的模擬技術研發設計經驗,滿足最終用戶對于更快速響應、更靈活、更精益制造的要求。

        兼容HART協議的 PLC/DCS四通道電壓和電流輸入

        HART(可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議)協議允許在傳統的模擬4mA至20mA電流環路內實現雙向1.2kHz/2.2kHz FSK (頻移鍵控)調制數字通信,這樣可實現傳感器/執行器的查詢,并且能夠在設備安裝、監控和維護過程中表現出顯著的優勢。通過使用便攜式輔助器件查詢傳感器,HART可為維護人員提供眾多便利,但要完全實現HART帶來的所有好處,必須將傳感器/執行器連接至帶支持HART的電流輸入或輸出的控制系統。

        下圖所示電路提供了一個完整的全隔離、高靈活性的四通道模擬輸入系統,適用于需要多電壓輸入、HART兼容、4mA至20mA電流輸入等要求的可編程邏輯控制器和分布式控制系統。此模擬輸入電路是為分組隔離的工業模擬輸入而設計,可支持的電壓和電流輸入范圍包括±5V、±10V、0V至+5V、0V至+10V、+4mA至20mA和0mA至+20mA。該電路由標準的24V總線供電,并產生一個隔離的5V系統供電電壓。

        數據轉換由24位Σ-Δ模擬至數字轉換器(ADC)AD7173-8來完成。AD7173-8可由軟件配置,允許8路全差分或16路單端輸入通道,通過內置交叉多路復用器提供極大的靈活性。AD7173-8采用小型6 mm × 6 mm LFCSP封裝,是空間尺寸受限場合下的一個理想選擇。內部時鐘和精密2.5 V電壓基準減少了外部組件,進一步節省了空間。四個可編程通用輸出引腳(GPIO0,GPIO1,GPO2,GPO3)允許控制外部多路復用器,因此可以控制切換多路HART接口,從而減少從處理器/控制器的額外連線。

        具有0.5°C精度的隔離式4通道熱電偶/RTD溫度測量系統

        熱電偶和RTD(電阻溫度檢測器)是最常用的傳感器,用于工業應用中的溫度測量。熱電偶可測量極高的溫度,最高可達+2300°C左右,并且響應時間快,可以瞬間完成測量。RTD比熱電偶具有更高的精度和穩定性,且連接遠端RTD的數百米長導線電阻可采用三線式或四線式連接加以補償。因此,對于溫度測量系統的工業現場應用而言,高性能以及針對高壓瞬變事件和直流過壓條件提供保護都是重要的設計考慮因素。

        下圖所示電路設計是用于工業現場環境中的精密溫度測量應用,針對靈活性、性能、穩定性和成本進行了優化。通過采用低噪聲、24位∑-△型ADC AD7193,確保整個電路具有高分辨率和線性度。

        AD7193是一款適合高精密測量應用的低噪聲完整模擬前端,它集成一個低噪聲、24位∑-△型模數轉換器。該ADC具有高分辨率、低非線性度和低噪聲性能,以及極高的50 Hz/60 Hz抑制能力。數據輸出速率可在4.7Hz(24位有效分辨率,Gain=1)到4.8kHz(18.6位有效分辨率,Gain=1)范圍內變化。片上低噪聲PGA可將來自熱電偶或RTD的差分小信號以增益1至128放大,從而允許實現直接接口。增益級緩沖器具有高輸入阻抗,并將輸入漏電流限制為±3nA(最大值)。AD7193的增益必須根據溫度范圍和傳感器類型進行適當配置。片內多路復用器允許四個差分輸入通道共享同一個ADC內核,節省空間與成本。

        適合PLC/DCS應用的通道間隔離溫度輸入

        通道間隔離在自動化系統中極具優勢,因為特定輸入通道的故障不會影響系統中的其它通道。然而,通道間隔離輸入模塊給設計提出了重大挑戰,具體表現在復雜度、空間限制和系統成本這些方面。熱電偶或RTD輸入是工業自動化系統的常用輸入,因此,設計一個能夠處理兩者的溫度輸入模塊很有用。這種靈活性最大程度地減少了兩種輸入模塊的設計工作,而且為模塊用戶提供了靈活性。

        下圖所示電路提供一個雙通道、通道間隔離的熱電偶或RTD輸入,適用于可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(DCS)。該高集成度設計采用低功耗、24位、Σ- 型模數轉換器(ADC),帶有豐富的模擬和數字特性,無需額外的信號調理IC。每個通道可接受熱電偶或RTD輸入。整個電路采用標準24 V總線電源供電。各通道的大小僅有27 mm × 50 mm。

        AD7124-4 24位Σ-型ADC集成可編程增益陣列和基準電壓源,為靈活地連接熱電偶或RTD傳感器提供完整的特性組合,其特性包括片內基準電壓源、可編程增益陣列、激勵電流、偏置電壓發生器以及提供增強50Hz和60Hz抑制選項的靈活濾波。AD7124-4采用5mm×5mm小型LFCSP封裝,因而非常適合空間為重要考慮因素的通道間隔離設計,它還包括多個可供用戶使用的診斷功能,顯著降低了設計復雜度,提供一個片上系統,能夠執行熱電偶和RTD傳感器所需的全部測量功能。

      標簽:ADI我要反饋
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