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控制系統(tǒng)

過程控制和PLC設計指南(二)

星之球激光 來源:中國工控網(wǎng)2012-05-12 我要評論(0 )   

PLC基本原理 電流控制環(huán)的應用始于20世紀早期的電傳打字機,最先使用的是060mA環(huán)路,后來改為020mA環(huán)路,PLC系統(tǒng)率先加入420mA環(huán)路。420mA電流環(huán)有很多優(yōu)勢,將4mA作為...

PLC基本原理

   電流控制環(huán)的應用始于20世紀早期的電傳打字機,最先使用的是0–60mA環(huán)路,后來改為0–20mA環(huán)路,PLC系統(tǒng)率先加入4–20mA環(huán)路。4–20mA電流環(huán)有很多優(yōu)勢,將4mA作為最低通信電流,傳輸線斷開(開路)時很容易檢測到這一故障,只需兩條連線即可實現(xiàn)遠端傳感器供電,大約3.5mA。4–20mA環(huán)路可以采用模擬通信,也可以采用數(shù)字通信。

  在傳統(tǒng)的分立器件設計中需要仔細計算,而且電路占用較大空間。Maxim推出了幾款20mA器件,能夠大大簡化系統(tǒng)設計。我們首先考慮典型的PLC功能,如圖3所示。

   圖3. PLC簡化框圖

  圖3. PLC簡化框圖

  PLC用于完成某項工作或任務。我們先檢測一個物理參數(shù),對其處理并進行決策,然后命令某個物理設備進行動作。根據(jù)這一模型,左下框顯示了信號調(diào)理輸出,可以采用MAX15500/MAX15501集成電路。

  MAX15500/MAX15501允許選擇近程電壓控制或遠程電流控制。從圖4可以看出,除了傳統(tǒng)的分立方案中所具備的基本通信功能外,器件中又加入了新的監(jiān)測和保護功能。

   圖4. MAX15500/MAX15501輸出調(diào)理器系列產(chǎn)品,器件功能包括:為1kΩ提供的±12V加載感應輸出、供給750Ω的±24mA電流、100µs的14位建立時間、40µs的12位建立時間。

  圖4. MAX15500/MAX15501輸出調(diào)理器系列產(chǎn)品,器件功能包括:為1kΩ提供的±12V加載感應輸出、供給750Ω的±24mA電流、100µs的14位建立時間、40µs的12位建立時間。

   工廠布線受運動、震動等因素的影響,可能導致與其它連接器之間的開路或短路。為了保證設備和人身安全,需要進行安全監(jiān)測。電纜發(fā)生失效時,在系統(tǒng)徹底失效之前會有一段間隔時間。MAX15500系列能夠智能化地進行監(jiān)測,管理不同的失效狀況。

  考慮到工廠極端的EMI、RFI、#p#分頁標題#e#電源浪涌條件,任何監(jiān)控措施都必須可靠,能夠不受外界環(huán)境的干擾。MAX15500系列包含了一個最小260ms的開路、短路超時周期,這個時間周期足以避免監(jiān)測嘈雜環(huán)境引起的錯誤報警,而且也足夠捕獲短暫的電纜故障。此外,器件將鎖存故障并觸發(fā)一個獨立的硬件中斷引腳報警,從而使處理器快速響應電纜短路故障。處理器收到中斷后可以讀取MAX15500的寄存器內(nèi)容,獲取準確的故障信息,清除故障中斷。除了監(jiān)測電纜的狀況外,器件還提供其它安全功能,例如,通過檢測芯片溫度監(jiān)控環(huán)境是否過熱。可調(diào)節(jié)的電源跌落檢測門限對于可靠的系統(tǒng)設計非常關(guān)鍵,電源電壓檢測門限可以在±10V至±24V范圍調(diào)節(jié),級差為2V。

  為了保證系統(tǒng)安全,MAX15500/MAX15501輸出還具有過流保護、對地短路保護以及高達±35V的過壓保護。為滿足客戶需求,MAX15500/MAX15501提供可編程的超量程能力。某些用戶采用滿量程的105%,甚至120%進行測試或處理緊急操作(系統(tǒng)可能出于部分故障或強噪聲環(huán)境)。MAX15500/MAX15501采用32引腳、5mm² TQFN封裝,帶有裸焊盤,改善散熱。

  MAX15500/MAX15501輸出調(diào)理器符合HART®標準,HART (高速可尋址遠端傳感器)協(xié)議能夠在4–20mA控制線路上承載雙向數(shù)字信號,類似于1200波特率、用于固定電話呼叫的Bell 202協(xié)議。

  MAX15500/MAX15501還具有獨立的SPI總線,減少了電氣隔離所需要的光隔離器。器件采用的是特殊的自定時SPI接口,支持菊鏈協(xié)議。當多個SPI器件需要通過電氣隔離控制時,這種模式有助于減少控制線和隔離光耦的需求。

  在更小的PCB (PC板)上集成更多功能

   設計分立、可選電壓(單極性和雙極性)或電流輸出調(diào)節(jié)電路是一項極具挑戰(zhàn)的任務,特別是當設計人員了解到需要控制滿量程可變增益、針對單極性和雙極性電壓設置的多種復位電平、0mA和4mA電路需求時,會對系統(tǒng)的復雜度又進一步的認識。圖5簡化了這些功能設計,因為這些功能已經(jīng)集成在MAX5661電流和電壓輸出DAC的內(nèi)部。

   圖5. MAX5661的簡化功能框圖

  圖5. MAX5661的簡化功能框圖

   MAX5661借助其編程功能解決了分立方案設計難題,可以方便地選擇以下參數(shù):

  輸出電壓

  單極性范圍:0至+10.24V,±25%

  雙極性范圍:±10.24V,±25%#p#分頁標題#e#

  電流輸出

  單極性低檔范圍:0至20.45mA

  單極性高檔范圍:3.97mA至20.45mA

  滿量程輸出增益

  以10位分辨率或間隔調(diào)整到高達±25%的超范圍

  異步復位或清零,或預置到16位數(shù)字

  這些功能提供了設計靈活性,作為模擬電源時,輸出電壓范圍為±13.48V至±15.75V;電流輸出時,輸出電壓擺幅為:+13.48V至+40V。差分電壓輸出可以通過電壓輸出放大器的加載/感應檢測實現(xiàn)遠程檢測。故障輸出中斷指示開路電流輸出、短路電壓輸出或狀態(tài)清除。該功能由限流電壓輸出驅(qū)動;對于電流輸出,壓差檢測器對超出規(guī)定范圍的電流輸出進行監(jiān)測。/LDAC引腳用于控制異步DAC更新和多DAC同步系統(tǒng)。

  上述所有功能集成在MAX5661 10mm x 10mm LQFP封裝內(nèi)。

      

利用電壓和電流調(diào)理提供多PLC輸出

   很明顯,可以利用多片MAX5661 16位器件提供其它附加功能,但是,對于需要低分辨率、低成本的PLC系統(tǒng)可以考慮其它方案,Maxim提供分辨率為6位至16位的DAC,擁有超過2500種不同型號的器件。該系列產(chǎn)品的通道選擇包括: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串行總線等。另外,還可以選擇快速建立時間(《 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系列產(chǎn)品包括MAX5134–MAX5137和MAX5138/MAX5139,這些DAC包括六路可選的緩沖電壓輸出。所有器件采用+2.7V至+5.25V單電源供電,提供3線SPI/QSPI™/MICROWIRE™/DSP兼容串行接口。

  MAX5134–MAX5137為引腳兼容、軟件兼容的16位和12位DAC。MAX5134為四通道16位器件,INL為±8。MAX5135同樣為四通道DAC,分辨率為12位,INL為±1;MAX5136為雙通道16位器件,INL為±8;MAX5137為雙通道12位器件,INL為±1。每款DAC都提供超小尺寸(4mm²)、24引腳TQFN封裝,工作在-40°C至+105°C擴展工業(yè)級溫度范圍。#p#分頁標題#e#

  MAX5138/MAX5139都是單通道、引腳和軟件兼容的DAC,提供小尺寸(3mm²)、16引腳TQFN封裝。MAX5138為16位DAC,INL典型值為±2;MAX5139為12位DAC,INL典型值為±0.25。

  高性能MAX5134–MAX5139內(nèi)置10ppm/°C的高精度基準,也可以使用外部基準,以支持滿擺幅輸出。利用一個硬件輸入引腳控制DAC的輸出設置,可以在上電或復位時將DAC輸出置于0或中間值。該特性為閥門驅(qū)動或其它需要在上電時處于關(guān)閉狀態(tài)變送器應用提供了附加保護。硬件加載DAC (/LDAC)引腳支持多片DAC的同步更新。串行接口提供/READY輸出,簡化多片MAX5134–MAX5139、MAX15500/MAX15501以及MAX5661器件鏈接時的控制。

  對于高性價比的4路輸出PLC應用,可以選擇MAX5135四通道12位DAC和四通道MAX15500輸出調(diào)理器。

   結(jié)論

   Maxim DAC的高線性度和輸出調(diào)理功能使得這些器件能夠理想用于高精度控制和儀器儀表。Maxim器件為設計人員提供了一個簡單、明智的選擇,能夠消除分立電路復雜、大尺寸的設計困擾。簡化設計意味著可以隨意選擇電壓或電流驅(qū)動,使繁忙的工程師能夠?qū)W⒂谙到y(tǒng)設計的關(guān)鍵部分,減少浪費,提供更加有效的高精度控制,進而改進我們的環(huán)境。

 

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