Аналоговый ввод/вывод 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.

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.

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).

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.

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).

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.

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).

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 V_ref внутренний ИОН может быть подавлен внешним (внешний ИОН может быть в диапазоне 2,3 В — V_ref). 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.

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.

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.

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).

Рис. 8. Блок-схема TIDA-01434

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

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.

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.

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).

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.

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.

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).

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).

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.