基于Modbus主机管控的PLC和DCS系统设计

未知 发表于 2019-12-01 14:00

基于Modbus主机管控的PLC和DCS系统设计

未知 发表于 2019-12-01 14:00
可编程序控制器(PLC)和集散控制系统(DCS)用于工业自动化应用中的智能(Hart支持)和模拟现场仪表的监控。
所示的电路是一个简单的 DCS 系统,由一个主机、一个节点、两个四通道隔离模拟输入板和两个四通道隔离模拟输出板组成,由 arduino 尺寸板在本地管理。 Rs-485收发信机连接到 PC 或其他主机,因此用户可以使用 Modbus 协议与节点交换数据。
模拟输入数据在本地读取,并通过串行接口提供,该接口使用行业标准Modbus协议,以确保一系列软件应用程序和库中的数据完整性和兼容性。类似地,模拟输出通过写入Modbus寄存器来设置,然后转换为模拟电压或电流信号。
每个节点可支持四个模拟输入和输出板的组合。 2,在设计多节点系统最多16个节点,可以使用硬件和软件基础设施提供来实现。支承点的HART通信电路,它可以扩展到传送站多分HART网络中,多个在同一信道上集成HART设备。
每个板(4个一组)的模拟输入和模拟输出被电隔离。模拟量输入支持开路检测,简化了故障检测和诊断过程。在恶劣的工业自动化环境中使用时,这些特性提高了可靠性和耐用性。
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图1.PLC(或单节点DCS)Modbus系统功能框图
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图2。多节点DCS-MODBUS系统功能框图
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电路描述
该节目的重点是通过Modbus主站控制应用开发PLC / DCS系统,并通过示例演示如何使用最新功能的重要组成部分。通常被称为单节点系统的PLC,较大的系统通常被称为DCS。
每个节点可以控制多达16个模拟场设备、传感器或驱动程序(兼容HART或只支持仿真),系统可以扩展到包括多达16个独立节点。该系统还可用于一般精度模拟数据采集应用,如仪器仪表,模拟数据记录,或测试和测量。
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PLC/DCS 拓扑
它支持多种连接拓扑。单个节点(PLC,单个节点或DCS)系统中,主机可利用微型USB电缆,直接连接到USB串行端口EVAL-ADICUP3029平台板,理想的从主机之间的实验需要小于2米的应用和节点室测试和测量应用。
在这种点对点的拓扑结构中,电路板的模拟输入和输出(四个一组)与主机保持隔离。虽然MODBUS协议一般与实验室设备无关,但它提供了一种方便、标准的与节点通信的方式。Hart连接支持智能传感器和驱动程序的配置。
当主机与节点之间的距离增加到2米以上时,信号完整性、噪声拾取和电气故障将成为更严重的隐患。 在这些情况下,EVAL-CN0416-ARDZ 提供到主机的可靠 RS-485连接。 在单节点点对点系统中,根据波特率的不同,支持1公里以上距离的全双工或半双工通信。
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对于多节点系统(称为DCS),EVAL-CN0416-ARDZ提供支持可切换半/全双工操作和可切换终端电极的菊花链端口,因此系统可以集成2到16个节点。
因为Modbus协议被用作串行通信,通过串行链路,信息设备之间传输,所以无论大小,可以是简单的,可靠的和耐用的系统。 PLC / DCS应用硬件协议栈包括三个不同的基准的设计。
模拟输入板
图3所示的Cn-0414用于测量4个全差分信号,或8个单端电压和4个电流信号。该电路以低功耗、低噪声的24位sigma-delta模数转换器(ADC)为核心,集成了±10v和20ma的模拟前端。
其电压输入支持高达10V 输入范围。 Ad4111的独特之处在于,它支持10V 输入的开路检测,并由5V 或3.3 v 的单一电源供电,而以前的解决方案通常需要大于10V 的电源供应。
电流输入支持0mA到24 mA的输入范围。电路输入阻抗为250Ω(AD 4111内60Ω),所有输入均以绝缘接地为基础。电流输入需要250个Ω输入电阻,这样符合HART要求的AD5700-1调制解调器可以与AD 4111一起使用。
AD5700-1 AD4111模拟前端电路和通过处理侧ADuM5411和ADuM3151分离的,离散的解决方案相比基于变压器,可以节省大量的空间。
Cn-0414板采用9.5v~36V直流电源供电,在工业自动化系统中非常典型,因此可以方便地集成到您的系统中。
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图 3. 模拟输入板
模拟输出板
图4所示的CN-0418是一个4通道电压和电流输出板,它建立在AD 5755-1 DAC上,具有动态功率控制。
该电路提供一个4毫安到20毫安的电流输出和单极或双极输出电压(±10V)。该板还具有AD5700-1 HART调制解调器,提供完整的支持HART模拟输出连接的解决方案。它还包括一个外部瞬态保护电路,用于在恶劣的工业环境,这是非常重要的应用。
电流输出和电压输出由独立的管脚提供,并且一次只有一个输出处于有效状态,因此允许两个输出管脚连接在一起并连接到单个端口。模拟输出受短路和开路保护。
Ad5755-1集成了基于 DC-DC 升压转换电路的动态功率控制功能,降低了电流输出模式的功耗。
AD 5755-1有四个图表引脚对应四个输出通道.HART信号可以耦合到这些引脚上,并出现在相应的输出端(如果启用了输出)。
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图 4. 模拟输出板
RS-485 收发器板
图5所示的Cn-0416是一个隔离的、非隔离的RS-485收发器板,可以方便地实现多个系统或节点之间的数据传输,尤其是远距离传输。
该电路采用adm2682e RS-485收发器进行隔离通信,ltc2865 RS-485收发器进行非隔离通信。这两个设备都可以配置为全双工或半双工操作,带有开放或终止的传输线。
该电路采用车载RJ-45千斤顶,可以使用常用的CT 5以太网电缆快速连接到节点。终端电极电阻默认设置为CAT 5电缆的特性阻抗,但配置后可以支持标准RS-485电缆的120阻抗。
ADM2682E数据率可以达到16 Mbps的,以提供真正保护和调整通过接收器输入差分电压阈值。它采用的iCoupler数据信道,提供了5千伏的信号隔离,使用集成isoPower DC-DC转换器,提供5千伏电源隔离。
Ltc2865的数据速率可以达到20mbps,提供真正安全的接收器输入。 安全状态由内部窗口比较器决定,不需要调整差分输入电压阈值。
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图5.RS-485收发板
与HART现场设备兼容布线
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图6.HART兼容场设备的布线
HART 网络
HART设备可以在两种网络配置中的一种操作:点对点或多点.
在ad hoc模式中,4个毫安到20毫安的信号被用来发送一个过程变量,和附加过程变量,配置参数,以及其他数据设备经由HART协议进行数字发送。 4 mA至20毫安的模拟信号将不被影响HART,它可用于实现控制。 HART协议提供了访问辅助变量和其他数据,这些数据可以被用来实现该操作,调试,维护和诊断。
Modbus 协议
在eval-adicup3029上运行的软件采用Modbus协议,这是一个事实上的开放式工业通信标准。Modbus提供了一种与单个节点进行数据交换的可靠方式,并通过CRC错误检测来保证数据的完整性。作为一个开放的标准,有许多可用的开源和商用MODBUS软件库,它们适合各种平台(如windows、Linux、嵌入式平台等)。
该软件还提供了一个简单的命令行界面模式,允许系统从串行端口手动验证,而无需在主机上加载任何额外的软件。
硬件和软件协议栈
PLC/DCS节点系统软件和硬件协议栈如图7所示。
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图7。PLC/DCS节点系统软硬件协议栈
在配置PLC/DCS硬件后,用户通常会根据语言(如C、Python、MATLAB)和主机平台(如Linux、Windows、嵌入式平台)选择合适的Modbus库。然后,您必须编写一个简单的测试应用程序,将模拟和HART参数转换为Modbus寄存器地址和值。
CN-0435用户指南提供了对此应用程序的Modbus寄存器映射的完整描述,并使用开源Modbus调试器验证Modbus遵从性。
此外,它还提供了基于的顶级应用程序,其中包括开源库多的Modbus:
测试系统配置:查询所有MODBUS节点并显示配置。
读写输出保持寄存器: 检查或更改所有板的输出保持寄存器的状态。
读取模拟输入寄存器:输入寄存器通过检查所有的检测板的状态。
读取模拟数据:读取单个模拟输入或所有模拟输入,并在控制台中显示数据。
写入模拟数据: 写入模拟输出以产生电压或电流。
模拟回波:读取模拟输入板的模拟电压或电流,然后将相同值的模拟电压或电流写入模拟输出板。
常见变化
CN-0435软件读取模拟输入值和写入模拟输出值,而不执行本地处理。该软件可以包括扩展功能如故障检测和响应,或闭环PID控制回路,其包括,卸载这些功能从主机,节约了通信总线的带宽。
覆盆子派可以作为一个紧凑和廉价的主机解决方案。覆盆子派提供有线或无线以太网连接,可直接连接到eval-adicup3029的usb uart。
三个最常用的 Modbus 版本是: Modbus ASCII,Modbus RTU 和 Modbus TCP。 所有 Modbus 消息都以相同的格式发送。 这三种 Modbus 类型之间的唯一区别是消息的编码方式。
通过Modbus连接的设备数量由物理层和数据协议决定。如果RS-485物理层与Modbus RTU或Modbus ASCII数据协议一起使用,则可以寻址的最大节点数为32,但如果将以太网物理层与Modbus TCP数据协议一起使用,则可以寻址的节点数为247。
从0到247的数字设备地址。消息(广播消息)发送到地址0将是可接受的向所有从站,但是这些值是特定的设备的地址的1到247。
cn-0414和cn-0418的Arduino尺寸确保与支持多种其他自动化通信协议的开发平台兼容,这些协议包括过程现场网络(PROFINET)、过程现场总线(PROFIBUS)、控制自动化技术以太网(EtherCAT)、以太网/IP、Modbus Plus和其他协议。