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2021 IAS展
控制系统

构建高效智能化工业过程控制系统的三个案例浅析

  2021年03月02日  

  工业的普遍发展趋势,尤其是对工业制造更高的效率、更佳的鲁棒性、更高的通道密度、更快的监控和控制速度的要求,进一步促进了半导体新技术的发展。以保证生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统,称为过程控制系统,正通过精益项目执行原理、软件和网络对此做出响应,使控制应用程序与物理设备分离,控制器与物理输入/输出(I/O)分离,使工作生产的产量增加、质量提高和能耗减少,加速自动化和数字化进程。

  ADI公司的工业解决方案在业界有非常广泛的应用,其过程控制解决方案可帮助设计工程师开发安全、高度集成的自动化控制器和现场仪器仪表,具有高能效特性,采用安全的工业通信协议实现连接。本文以三个不同场景的ADI过程控制参考设计为例,阐述ADI如何利用丰富的模拟技术研发设计经验,满足最终用户对于更快速响应、更灵活、更精益制造的要求。

  兼容HART协议的 PLC/DCS四通道电压和电流输入

  HART(可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议)协议允许在传统的模拟4mA至20mA电流环路内实现双向1.2kHz/2.2kHz FSK (频移键控)调制数字通信,这样可实现传感器/执行器的查询,并且能够在设备安装、监控和维护过程中表现出显著的优势。通过使用便携式辅助器件查询传感器,HART可为维护人员提供众多便利,但要完全实现HART带来的所有好处,必须将传感器/执行器连接至带支持HART的电流输入或输出的控制系统。

  下图所示电路提供了一个完整的全隔离、高灵活性的四通道模拟输入系统,适用于需要多电压输入、HART兼容、4mA至20mA电流输入等要求的可编程逻辑控制器和分布式控制系统。此模拟输入电路是为分组隔离的工业模拟输入而设计,可支持的电压和电流输入范围包括±5V、±10V、0V至+5V、0V至+10V、+4mA至20mA和0mA至+20mA。该电路由标准的24V总线供电,并产生一个隔离的5V系统供电电压。

  数据转换由24位Σ-Δ模拟至数字转换器(ADC)AD7173-8来完成。AD7173-8可由软件配置,允许8路全差分或16路单端输入通道,通过内置交叉多路复用器提供极大的灵活性。AD7173-8采用小型6 mm × 6 mm LFCSP封装,是空间尺寸受限场合下的一个理想选择。内部时钟和精密2.5 V电压基准减少了外部组件,进一步节省了空间。四个可编程通用输出引脚(GPIO0,GPIO1,GPO2,GPO3)允许控制外部多路复用器,因此可以控制切换多路HART接口,从而减少从处理器/控制器的额外连线。

  具有0.5°C精度的隔离式4通道热电偶/RTD温度测量系统

  热电偶和RTD(电阻温度检测器)是最常用的传感器,用于工业应用中的温度测量。热电偶可测量极高的温度,最高可达+2300°C左右,并且响应时间快,可以瞬间完成测量。RTD比热电偶具有更高的精度和稳定性,且连接远端RTD的数百米长导线电阻可采用三线式或四线式连接加以补偿。因此,对于温度测量系统的工业现场应用而言,高性能以及针对高压瞬变事件和直流过压条件提供保护都是重要的设计考虑因素。

  下图所示电路设计是用于工业现场环境中的精密温度测量应用,针对灵活性、性能、稳定性和成本进行了优化。通过采用低噪声、24位∑-△型ADC AD7193,确保整个电路具有高分辨率和线性度。

  AD7193是一款适合高精密测量应用的低噪声完整模拟前端,它集成一个低噪声、24位∑-△型模数转换器。该ADC具有高分辨率、低非线性度和低噪声性能,以及极高的50 Hz/60 Hz抑制能力。数据输出速率可在4.7Hz(24位有效分辨率,Gain=1)到4.8kHz(18.6位有效分辨率,Gain=1)范围内变化。片上低噪声PGA可将来自热电偶或RTD的差分小信号以增益1至128放大,从而允许实现直接接口。增益级缓冲器具有高输入阻抗,并将输入漏电流限制为±3nA(最大值)。AD7193的增益必须根据温度范围和传感器类型进行适当配置。片内多路复用器允许四个差分输入通道共享同一个ADC内核,节省空间与成本。

  适合PLC/DCS应用的通道间隔离温度输入

  通道间隔离在自动化系统中极具优势,因为特定输入通道的故障不会影响系统中的其它通道。然而,通道间隔离输入模块给设计提出了重大挑战,具体表现在复杂度、空间限制和系统成本这些方面。热电偶或RTD输入是工业自动化系统的常用输入,因此,设计一个能够处理两者的温度输入模块很有用。这种灵活性最大程度地减少了两种输入模块的设计工作,而且为模块用户提供了灵活性。

  下图所示电路提供一个双通道、通道间隔离的热电偶或RTD输入,适用于可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)。该高集成度设计采用低功耗、24位、Σ- 型模数转换器(ADC),带有丰富的模拟和数字特性,无需额外的信号调理IC。每个通道可接受热电偶或RTD输入。整个电路采用标准24 V总线电源供电。各通道的大小仅有27 mm × 50 mm。

  AD7124-4 24位Σ-型ADC集成可编程增益阵列和基准电压源,为灵活地连接热电偶或RTD传感器提供完整的特性组合,其特性包括片内基准电压源、可编程增益阵列、激励电流、偏置电压发生器以及提供增强50Hz和60Hz抑制选项的灵活滤波。AD7124-4采用5mm×5mm小型LFCSP封装,因而非常适合空间为重要考虑因素的通道间隔离设计,它还包括多个可供用户使用的诊断功能,显著降低了设计复杂度,提供一个片上系统,能够执行热电偶和RTD传感器所需的全部测量功能。

标签:ADI我要反馈
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