Оценочная плата программируемого логического контроллера упрощает проектирование промышленных АСУ ТП

В статье рассмотрены требования к АСУ ТП и модулям ввода/вывода аналоговых сигналов в этих системах управления. Представлена оценочная плата, включающая основные узлы АСУ ТП и позволяющая упростить проектирование этих систем.

К. Слаттери, Д. Хартман, Ли Ки

Автоматические системы управления тех­нологическими процессами (АСУ ТП) широко используются в промышленном производстве, транспорте, автомобильном машиностроении, микроэлектронике и т.п. Уровень интеллекта современных АСУ ТП определяется параметра­ми средств измерения, контроля и управления, применяемых в таких системах. Базовыми устройствами АСУ ТП являются программируе­мые логические контроллеры (ПЛК) и распре­деленные системы управления. Они содержат источники питания, центральные процессор­ные модули, модули ввода/вывода аналоговых, дискретных, цифровых и частотно-временных сигналов. Стандартные диапазоны входных/ выходных сигналов современных АСУ ТП со­ставляют по напряжению: 0-5, 0-10, ±5 и ±10 В и по току: 0-20, 4-20 мА. К основным тенденци­ям развития АСУ ТП относятся следующие: совершенствование технических характеристик, уменьшение габаритов, расширение функций диагностики, повышение степени защиты от внешних воздействий и др. Кроме того, совре­менные АСУ ТП должны иметь высокую на­дежность, быть устойчивыми к воздействию электромагнитных помех, электростатических разрядов, бросков напряжения и т.п.

На рис. 1 приведена упрощенная структур­ная схема типовой АСУ ТП. Изменение вход­ных контролируемых параметров, таких как скорость потока газа или жидкости, их кон­центрация, температура, давление и др., непрерывно измеряется модулями входных сиг­налов. Результаты измерения обрабатываются модулем контроллера. Модули выходных сиг­налов АСУ ТП — это драйверы, управляющие исполнительными механизмами.

Рис. 1. Структурная схема типовой АСУ ТП

На рис. 2 представлена упрощенная функ­циональная схема одноканальной системы уп­равления концентрацией углекислого газа (СО₂). Она содержит газовый датчик с токовой петлей от 4 до 20 мА, входной модуль для ко­дирования изменяющегося токового сигнала, модуль контроллера, выходной модуль с выхо­дом по напряжению от 0 до 10 В. Токовая пет­ля позволяет работать с удаленными датчика­ми в условиях промышленных помех и при большой емкостной нагрузке линии связи.

Рис. 2. Функциональная схема одноканальной системы управления концентрацией СО2

Разрешение модулей входных/выходных ана­логовых сигналов может составлять от 12 до 16 бит, погрешность — 0.1% в диапазоне рабо­чих температур. Диапазон входных сигналов промышленных АСУ ТП составляет от ±10 мВ (в этом случае используется мостовая схема включения датчиков) до ± 10 В (сигналы высо­кого уровня). Сигналы на выходе драйверов могут составлять ±5, ±10, 0-5, 0-10 В или 4-20, 0-20 мА. Время установления управляющих сигналов на выходе ЦАП (модуль выходных сигналов) зависит от условий применения АСУ ТП и может составлять от 10 мкс до 10 мс. Если диапазоны входных значений токов на­ходятся в пределах от 4 до 20 мА, это соответ­ствует нормальному режиму функционирова­ния АСУ ТП. Если значение тока выходит за указанные пределы, система фиксирует не­исправности в соответствии с табл. 1.

Таблица 1. Состояние АСУ ТП в зависимости от величины выходного тока

Оценочная плата компании Analog Devices содержит все необходимые узлы для проекти­рования и отладки основных блоков современ­ных АСУ ТП (рис. 3). Она включает четыре гальванически изолированных АЦП, микроконтроллер с ядром ARM7 и интерфейсом RS-232 и четыре изолированных ЦАП. Аппа­ратно конфигурируемые входы АЦП поддер­живают следующие диапазоны входных сиг­налов: 0-5, ±5, ±10 В или 4-20, 0-20 и ±10 мА. Оценочная плата, кроме того, обеспечивает подключение сигналов низкого уровня от тер­мопар и других датчиков (используется мосто­вая схема включения). Программно управляе­мые выходы ЦАП поддерживают следующие диапазоны выходных сигналов: 0-5, ±5, ±10 В или 4-20, 0-20 и 0-24 мА. В табл. 2 приведены основные параметры выходного модуля ПЛК.

Рис. 3. Оценочная плата ПЛК

Применение в модуле ПЛК ЦАП AD5064 с разрешением 16 бит, типовым смещением ну­ля 0.05 мВ, погрешностью наклона передаточ­ной характеристики при температуре 25 °С не более 0.01% в большинстве случаев позволяет обходиться без калибровки его параметров. Однако суммарная погрешность этого ЦАП при температуре 25 °С, равная 0.15%, плюс температурный дрейф, составляющий в диапа­зоне рабочих температур 33 ppm/°C и добавля­ющий в суммарную погрешность ЦАП еще 0.18%, в ряде случаев не позволяют использо­вать его в составе ПЛК.

Как уже отмечалось, выходным сигналом оценочной платы является ток или напряже­ние. Преобразователь напряжения в ток на вы­ходе ЦАП AD5660 может быть построен по схеме, приведенной на рис. 4. ЦАП AD5660 — 16-разрядный nanoDAC с выходом по напря­жению в диапазоне 0-5 В. Преобразование нап­ряжения в ток обеспечивается резисторами R_S, R₁ и R₂ в соответствии со следующими выраже­ниями:

где I_R — выходной ток преобразователя напря­жения в ток, равный:

Если выбрать R_S = 15 кОм, R₁ = 3 кОм, R₂ = 50 Ом, то при U _{вых.цап} = 5 В, IR2 = 20 мА.

Отметим, что такое решение не лишено не­достатков. Применение ИМС и резисторов мо­жет привести к увеличению погрешности и стоимости платы контроллера. Более предпоч­тительным в этом случае является использова­ние в ПЛК ЦАП типа AD5412/AD5422. Это 12/16-разрядные преобразователи, которые имеют программируемые выходы как по току, так и по напряжению (рис. 5). Диапазоны вы­ходных сигналов ЦАП AD5422 по напряже­нию: 0-5, 0-10, ±5, ±10 В (допускается перена­пряжение 10%) и по току: 4-20, 0-20, 0-24 мА (диапазон с допустимой перегрузкой по току).

Таблица 2. Основные параметры выходного модуля ПЛК

Рис. 4. Схема преобразователя напряжения в ток на выходе ЦАП AD5660

Рис. 5. Функциональная схема ЦАП AD5422 с выходом по напряжению и току

Предусмотрены защита от КЗ и формирование сигнала ошибки при обрыве линии связи или КЗ. Как было отмечено, в оценочной плате ПЛК предусмотрена гальваническая развязка модулей ввода/вывода аналоговых сигналов. Как реализована гальваническая развязка мо­дуля вывода аналоговых сигналов, выполнен­ного на основе ЦАП AD5422, показано на рис. 6. Для гальванической развязки исполь­зована четырехканальная ИМС ADuM1401, выполненная по технологии iCoupler и обеспе­чивающая прочность изоляции не менее 2 кВ (с.к.з.). В новых разработках АСУ ТП может быть использована ИМС ADuM3401, обеспечи­вающая кроме гальванической развязки защи­ту от электростатического электричества.

Температурный дрейф сопротивления резис­торов ЦАП AD5422 не превышает 20 ppm/°C, что в диапазоне рабочих температур 60 °С сос­тавляет не более 0.12%. В ЦАП имеется встро­енный опорный источник с максимальным температурным дрейфом 10 ppm/°C. Для уменьшения этого дрейфа может быть исполь­зован внешний опорный источник ADR445 с температурным дрейфом не более 3 ppm/°C (см. рис. 6).

Рис. 6. Схема модуля вывода сигналов ПЛК с гальванической развязкой

Требования, предъявляемые к модулю вво­да аналоговых сигналов, практически не отли­чаются от требований, предъявляемых к моду­лю вывода аналоговых сигналов ПЛК. Сиг­ма-дельта АЦП, имеющий высокие точность и разрешение, является наиболее предпочти­тельным выбором для использования в составе ПЛК. Функциональная схема модуля ввода аналоговых сигналов, выполненного на основе сигма-дельта АЦП AD7793, приведена на рис. 7.

Рис. 7. Схема модуля ввода сигналов ПЛК с гальванической развязкой

24-разрядный АЦП AD7793 имеет три входных дифференциальных канала, число эффективных двоичных разрядов равно 23. Он предназначен для преобразования в код напря­жения в диапазоне ±10 В и тока — в диапазоне от 4 до 20 мА. Кроме того, этот АЦП можно ис­пользовать для преобразования в код сигналов низкого уровня. В преобразователе имеется PGA-усилитель с коэффициентом усиления до 128. На одном из входов АЦП AD7793 вклю­чен измерительный усилитель AD8220, отли­чающийся высоким КОСС, максимальное зна­чение которого составляет 100 дБ. Измери­тельный усилитель используется для подклю­чения ко входу АЦП униполярных входных сигналов 4-20 мА, 0-5 и 0-10 В. Для преобразо­вания напряжения в ток на входе усилителя AD8220 имеется ключ S4, который в этом слу­чае должен быть замкнут. Гальваническая развязка модуля ввода аналоговых сигналов обеспечивается ИМС ADuM5401, выполнен­ной по технологии isoPower. Эта ИМС обеспе­чивает гальваническую развязку не только сигнальных цепей, но и цепей питания напря­жением 5 В. Прочность изоляции этой ИМС составляет 2.5 кВ (с.к.з.).

Функциональная схема оценочной платы ПЛК приведена на рис. 8. В качестве микрокон­троллера в ней использована ИМС ADuC7027 с ядром ARM7TDMI. Благодаря 32-разрядной архитектуре микроконтроллер легко сопряга­ется с 24-разрядными АЦП. В составе микро­контроллера ADuC7027 имеется встроенная флэш-память объемом 16 кбайт. В качестве стабилизатора напряжения для ADuC7027 в ПЛК используется ИМС ADP3339.

Связь микроконтроллера с ПК обеспечива­ется через гальванически развязанный прие­мопередатчик RS-232 типа ADM3251E, кото­рый обеспечивает защиту от электростатичес­кого электричества с зарядом до ±15 кВ. Оце­ночная плата ПЛК работает под управлением программного пакета LabView. Программное обеспечение для микроконтроллера ADuC7027 может быть написано на языке С+. С помощью дружественного человеко-машинного интер­фейса можно задать число входных/выходных каналов ПЛК, их конфигурацию по входу и выходу, откалибровать ЦАП AD5422, задать коэффициент усиления встроенного в АЦП AD7793 PGA-усилителя, выбрать частоту вы­борки входного сигнала и число отсчетов, за­писываемых в память микроконтроллера.

Во входные и выходные цепи оценочной платы ПЛК включены специальные ограничи­тели переходного напряжения (Transient Vol­tage Suppressor), которые могут быть использо­ваны в любой АСУ ТП, работающей в условиях промышленных помех. Принципиальные схе­мы ограничителей, включенных на входе АЦП и выходе ЦАП, приведены на рис. 9 и 10.

На рис. 11 показан пример использования оценочной платы ПЛК для съема сигналов с газового детектора и датчика уровня.

Рис. 8. Функциональная схема оценочной платы ПЛК

Рис. 9. Принципиальная схема ограничителя переходного напряжения на входе АЦП AD7793

Рис. 10. Принципиальная схема устройства защиты выходных цепей ЦАП AD5422 от переходных процессов

Рис. 11. Пример подключения оценочной платы ПЛК к датчику уровня и газовому детектору

ВЫВОДЫ

1. Для ускорения проектирования и от­ладки АСУ ТП и их основных узлов компания Analog Devices разработала оценочную плату программируемого логического конт­роллера.
2. Оценочная плата ПЛК содержит модули ввода/вывода аналоговых сигналов, микро­контроллер, цепи гальванической развязки входных/выходных устройств и источников питания, цепи защиты от переходных процес­сов на входе и выходе, интерфейс для сопряже­ния ПЛК с компьютером.
3. Оценочная плата ПЛК работает под уп­равлением программного пакета LabView и мо­жет быть использована для проверки проект­ных решений, отладки основных узлов, их ап­паратных и программных средств, что позво­ляет ускорить процесс создания новых АСУ ТП, выполненных на современной элементной базе.