6ES7223-1BF22-0XA8大量現(xiàn)貨

搶答器是一種典型的電氣控制產品，廣泛應用在各種智力搶答競賽中。現(xiàn)在市面上的搶答器，種類繁多，功能各異，控制方式也不盡相同。

本文提出了一種新的控制方法--用觸摸屏和PLc（可編程邏輯控制器）實現(xiàn)搶答器的控制。與一般的控制方法相比，運行更加可靠，操作更加直觀，更適合于高檔的場合。

本文以三菱F940GOT-LwD-c型觸摸屏和三菱FXOS_30MR型PLc控制4路搶答器為例，介紹具體的實現(xiàn)方法。

l觸摸屏

20世紀90年代初出現(xiàn)了一種新的人機交互技術--觸摸屏技術，觸摸屏便是這種技術的具體體現(xiàn)。觸摸屏是一種較直觀的計算機的輸入設備，使用者只要觸摸屏幕上的圖形對象，計算機便會執(zhí)行相應的操作，這樣就擺脫了鍵盤和鼠標操作，大大提高了計算機的可操作性。 觸摸屏的基本原理是：用戶用手指或其他物體觸摸觸摸屏時，所觸摸的位置（以坐標形式）被觸摸屏控制器檢測，并通過串行通信接口送到計算機或PLc的CPU，CPU將此坐標和觸摸屏上的各個圖形對象（代表特定的信息）的坐標相對比，從而確定輸入的信息。

觸摸屏系統(tǒng)一般包括觸摸屏控制器（卡）和觸摸檢測裝置兩個部分。觸摸屏控制器（卡）的主要作用是從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉換成觸點坐標，再送給計算機或PLC的CPU，它同時能接收cPu發(fā)來的命令并加以執(zhí)行，例如直觀動態(tài)地顯示開關量和模擬量。觸摸檢測裝置一般安裝在顯示器的，主要作用是檢測用戶的觸摸位置，并傳送給觸摸屏控制器（卡）。

觸摸屏有以下5種類型：電阻式、電容式、紅外線式、聲波式或近場成像式。現(xiàn)在用得較多的是電阻式觸摸屏。

觸摸屏有以下特點：

a）觸摸屏用專用的畫面制作軟件生成畫面。畫面的生成是可視化的，不需要用戶編程。在畫面中用文字或圖形動態(tài)地顯示PLc中開關量的狀態(tài)和數(shù)字量的數(shù)值，還可以實現(xiàn)某些動畫功能。通過各種輸入方式，將操作人員的開關量命令和數(shù)字量設定值傳送到PLC。

b）觸摸屏的按鍵在屏幕上的畫面中。每個畫面可以設置不同大小和個數(shù)的按鍵，每個按鍵均可以設置有明確意義的文字或圖形提示。

c）用觸摸屏上的軟元件代替硬件按鈕和指示燈等外部元件，可以節(jié)省PLC的輸入點和輸出點。

d）觸摸屏的畫面制作軟件帶有豐富的圖庫。使用圖庫中的元件，可以快速方便地生成各種畫面。 e）為了實現(xiàn)觸摸屏與計算機或PLc之間的通信，只要對通信參數(shù)進行簡單的設置，用戶不用編寫通信程序。在生成畫面時將圖形對象與控制器中的存儲器地址聯(lián)系起來，就可以實現(xiàn)PLC與觸摸屏之間的通信。

f）觸摸屏可以在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境使用，其穩(wěn)定性和可靠性與PLC相當。

2搶答器的控制要求

設計1個4個參賽組的搶答器，主持人通過觸摸屏監(jiān)控比賽的進行。為了方便觀眾了解比賽情況，搶答器應設置必要的顯示。搶答器的功能如下：

a）比賽開始之前，主持人要按一次觸摸屏上的復位按鈕，使所有參賽組的顯示均滅。 b）比賽開始后，主持人要按一次觸摸屏上的開始按鈕，當開始燈（綠燈）亮之后，才允許參賽組進行搶答。

c）比賽開始后，如果參賽組在開始燈（綠燈）亮之前按下按鈕進行搶答，則視為搶答違規(guī)。此時，蜂鳴器以1次/s的頻率嗚叫，數(shù)碼管顯示參賽組的序號，同時，觸摸屏顯示違規(guī)組號及搶答違規(guī)信號。

d）比賽開始后，如果參賽組在開始燈（綠燈）亮之后按下按鈕進行搶答，數(shù)碼管顯示先搶到的參賽組的序號，同時，觸摸屏顯示答題組號及答題信號，然后主持人請此參賽組回答問題。

e）為了控制比賽時間，回答問題必須在20 s內完成，**時按錯誤論處。當時間進行到lO s時，紅燈亮，提示搶答者"抓緊時間";當時間進行到20 s時，紅燈亮，同時蜂鳴器不間斷地嗚叫，提示搶答者"答題**時"，同時，觸摸屏顯示"答題**時"信號及"答題**時"組號。

f）答對一題加10分，答錯一題、答題**時或違規(guī)一次扣10分，按積分的多少論勝負。

其中，加分和減分靠現(xiàn)場工作人員手動翻動記分牌進行計分，其余功能靠PLc控制實現(xiàn)。

3搶答器的軟硬件設計

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，綜合控制點數(shù)，本裝置選擇三菱。FXOS-30MR型PLc，它特別適合于小型單機且僅需要開關量控制的普通設備。 觸摸屏選用三菱F940GOT-LwD-C型圖形操作終端，它是基于PLC的軟硬一體人機界面，能以圖形界面方式實現(xiàn)各種工作狀態(tài)的顯示，并具有使用方便、人機對話界面友好、組態(tài)技術易掌握、與PLC可進行良好通信的功能。三菱F940GOT-LWD-c型觸摸屏含有兩個通信接口：RS-232C接口，與裝有專用畫面制作軟件的計算機通信（上載、下載畫面）；RS一422接口，與PLC通信（通過畫面實時監(jiān)控PLC的運行）。

3.1觸摸屏畫面設計

本文中的觸摸屏操作畫面是用三菱公司專用的畫面制作軟件SWOPC-FXDU/wIN-c制作的。

為了達到用觸摸屏操作畫面實時監(jiān)控PLc運行的目的，必須將操作畫面中的圖形對象與PLC中的編程軟器件聯(lián)系起來。

觸摸屏操作畫面制作完成后，再通過計算機的RS-232C串行通信口將操作畫面下載到觸摸屏中。

3.2 PLC硬件配置

3.2.1 PLC的I/O分析

a）輸入端：主持人開始和復位按鈕由觸摸屏操作畫面中的開始和復位觸摸鍵代替，不占PLC的輸入點；4個參賽組共4個搶答按鈕，因此，PLc應該配置4個輸入點。

b）輸出端：采用1個共陰極的七段數(shù)碼管顯示參賽組的序號，七段數(shù)碼管直接由PLc輸出端驅動，占7個輸出點；再加上1個綠燈、1個紅燈、1個蜂鳴器共3個負載，因此，PLC應該配置10個輸出點。另外，PLC與觸摸屏之間只要連接專用的通信電纜便可以。

3.2.2 PLC的I/O地址分配

1）輸入地址分配：

X1：l#搶答者按鈕SBl;X2：2#搶答者按鈕SB2;

x3：3#搶答者按鈕SB3;X4：4#搶答者按鈕SB4;

2）輸出分配：

Y0：七段數(shù)碼管a段；Y1：七段數(shù)碼管b段；

Y2：七段數(shù)碼管c段；Y3：七段數(shù)碼管d段；

Y4：七段數(shù)碼管e段；Y5：七段數(shù)碼管f段；

Y6：七段數(shù)碼管g段；Y7：蜂鳴器HA;

Y10：綠燈L1; Y11：紅燈L2。

1）設計方案

根據(jù)搶答器的控制要求和工作流程圖，可知搶答器的特點是：顯示先搶答者的信息，同時屏蔽后搶答者；屬于順序步進控制。因此，應該選用選擇性分支結構復合循環(huán)結構的順序功能圖來編程。

2）狀態(tài)繼電器S分配

S0：初始狀態(tài)；S10：開始狀態(tài)；s11：*1組違規(guī)狀態(tài)；S12：*2組違規(guī)狀態(tài)；S13：*3組違規(guī)狀態(tài)：s14：*4組違規(guī)狀態(tài)；S15：*1組答題狀態(tài)；S16：*2組答題狀態(tài)；s17：*3組答題狀態(tài)；s18：*4組答題狀態(tài)。

3）七段數(shù)碼管顯示程序設計

顯示"1"：輸出Y1、Y2;

顯示"2"：輸出Y0、Y1、Y3、Y4、Y6：

顯示"3"：輸出Y0、Yl、Y2、Y3、Y6：

顯示"4"：輸出Y1、Y2、Y5、Y6。

4結束語

用觸摸屏結和PLC實現(xiàn)控制，不僅可以節(jié)省PLC的I/O點、省略傳統(tǒng)的按鈕、按鍵和指示燈等，減少布線，提高控制系統(tǒng)的運行可靠性，而且可以在短時間完成友好、直觀、實用的觸摸屏監(jiān)控畫面，因此值得大力推廣。

安全制動器是一種非常成熟可靠的產品，對安全制動器采用何種控制方式以確保其準確無誤的動作，使其在事故狀態(tài)下確實起到安全保護作用，對電氣控制提出了較高的要求，即控制的可靠性、準確性非常重要。

1安全制動器在鑄造起重機上的作用

鑄造起重機用于冶金行業(yè)，其工作任務是為冶煉爐運送鋼水。一般有5大機構：主起升，副起升、大車、主小車、副小車機構。電機安裝在高速軸上，卷筒安裝在低速軸上，高速軸和低速軸通過減速器連接在一起。傳統(tǒng)的起升機構制動器設在高速軸上，稱工作制動器。在這種情況下，如果高速軸和低速軸之間的某個傳動環(huán)節(jié)故障，主起升制動器對于卷筒將失去作用。針對這種情況，在卷筒上裝設制動器，稱安全制動器。在傳動環(huán)節(jié)故障和**速故障時，運行制動器先動作，安全制動器延時動作。確保起吊的液態(tài)金屬鋼水包能夠在事故狀態(tài)時受到保護并制動。

2安全制動器控制方式

（1）卷筒上裝設**速開關，在起升機構故障且卷筒**速時，安全制動器動作。優(yōu)點是控制原理比較簡單，調試方便。缺點是卷筒只有在**速時才起作用，安全制動器動作對機械結構破壞較大。

（2）高低速的傳動速比是常數(shù)，通過裝置不間斷的檢測該常數(shù)。當這個常數(shù)發(fā)生變化時，就意味著機械的傳動環(huán)節(jié)被破壞，安全制動器立即動作。優(yōu)點是在故障發(fā)生的初期就能判斷出來，使安全制動器動作，安全制動器動作對機械結構破壞較小。缺點是控制原理比較復雜，調試需專業(yè)電氣技術人員。

3安全制動器的控制硬件組成

（1）安裝在2卷筒上的2個編碼器。

（2）安裝在2主起升電機上的2個編碼器。

（3）安全制動器控制屏（或柜）（安裝有：可編程控制器、斷路器、繼電器、接觸器、穩(wěn)壓電源、接線端子等）。

（4）控制屏到4個編碼器的屏蔽電纜。

（5）安裝在操作臺上的急停按鈕和故障復位按鈕，安全制動器松閘指示燈，編碼器故障指示燈等。

4電氣安裝與元件選型

安全制動器誤動作影響起重機的正常使用，可能造成更大的損失。如果安全制動器經(jīng)常誤動作，使用者會對安全制動器所起的作用產生懷疑并失去信心。為了確保安全制動器不會誤動作，在可編程控制器的程序完全無誤并且可以正常工作的情況下，元器件的選型和電氣安裝顯得尤為重要。

4.1電氣安裝

（1）控制屏到4個編碼器的屏蔽電纜中間無斷點，如有斷點要對斷點做屏蔽處理。

（2）控制屏到4個編碼器的屏蔽電纜的屏蔽層需2端接地，且**是同一地。為**是同一地，主小車上應裝有接地裝置。使主小車和大車處于同一地。

（3）計算屏蔽電纜的長度，確認編碼器脈沖信號的傳輸距離在有效的范圍內。

（4）4個編碼器的信號線和電源線用不同的屏蔽電纜。信號線和起重機上的各種電源線要分開布置。

（5）穩(wěn)壓電源安裝在靠近可編程控制器處，并接地。

（6）信號線不上接線端子，直接接在可編程控制器輸入模塊上。

（7）如果起重機的某機構裝有變頻器或其他干擾比較強的設備，要裝有進出線電抗器或其他裝置，把對安全制動器控制系統(tǒng)的干擾減少到較少。

4.2元件選型

（1）編碼器的選型要和可編程控制器相匹配。輸出方式要選推挽輸出方式。煉鋼廠的環(huán)境比較差，鐵粉塵很大，編碼器要選用比較高的防護等級值。編碼器的輸出電壓要和供電電壓值相匹配。

（2）可編程控制器要有4個獨立的高速計數(shù)器，且高速計數(shù)器的高速計數(shù)能力要能滿足要求。這需要通過計算來確定。實際使用中發(fā)現(xiàn)高速計數(shù)器的高速計數(shù)能力較好能達到1.5～2倍的實際需要計數(shù)能力，這樣才能確保可編程控制器程序正常工作。

5 PLC控制系統(tǒng)原理

（1）PLC控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)選用西門子S7-200PLC進行控制，具有較高的性價比，較高的可靠性、豐富的指令，實時特性強的通訊能力，易于掌握，便于操作，豐富的內置集成功能和擴展模塊。PLC控制系統(tǒng)原理框圖見圖1。

（2）PLC程序編制

將程序結構化編程，控制任務分解為能夠反映過程的工藝、功能或可以反復使用的小任務，這些任務由相應的程序部分表示，即為所知的塊，為使用戶程序工作，組成用戶程序的塊必須被調用，塊調用指令只能在邏輯中編寫和啟動。為了能讓程序正常工作，編制時要注意以下幾點：

①盡量使中斷程序短小、簡單。且執(zhí)行中斷程序時對其他處理不要延時太長；

②幾個中斷程序的、執(zhí)行、退出的工作時序要計算好；

③比較時要留有一定的余量。

該系統(tǒng)對安全制動器的控制已用于生產實踐中，對于鋼水的運送起到了保護作用，在意外事故狀態(tài)下避免了設備、財產損失，杜絕了人身傷亡事故的發(fā)生，在生產中對安全制動器的控制應用準確、可靠、良好。

1、引言

在工業(yè)現(xiàn)場控制領域，可編程控制器（PLC）一直起著重要的作用。隨著國家在供水行業(yè)的投資力度加大，水廠運行自動化水平不斷提高，PLC在供水行業(yè)應用逐步增多。觸摸屏與PLC配套使用，使得PLC的應用更加靈活，同時可以設置參數(shù)、顯示數(shù)據(jù)、以動畫等形勢描繪自動化過程，使得PLC的應用可視化。 

變頻恒壓供水成為供水行業(yè)的一個主流，是**供水管網(wǎng)在恒壓狀態(tài)的重要手段。現(xiàn)代變頻器完善的網(wǎng)絡通信功能，為電機的同步運行，遠距離集中控制和在線監(jiān)控等提供了必要的支持。通過與PLC連接的觸摸屏，可以使控制更加形象、直觀，操作更加簡單、方便。 

組合應用PLC、觸摸屏及變頻器，采用通信方式對變頻器進行控制來實現(xiàn)變頻恒壓供水。

2、系統(tǒng)結構

變頻恒壓供水系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、觸摸屏、壓力變送器、動力及控制線路以及泵組組成。用戶可以通過觸摸屏了解和控制系統(tǒng)的運行，也可以通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉換開關來了解和控制系統(tǒng)的運行。通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力變送器，把出口壓力信號變成4～20mA或0～10V標準信號送入PLC內置的PID調節(jié)器，經(jīng)PID運算與給定壓力參數(shù)進行比較，輸出運行頻率到變頻器。控制系統(tǒng)由變頻器控制水泵的轉速以調節(jié)供水量，根據(jù)用水量的不同，PLC頻率輸出給定變頻器的運行頻率，從而調節(jié)水泵的轉速，達到恒壓供水。PLC設定的內部程序驅動I/O端口開關量的輸出來實現(xiàn)切換交流接觸器組，以此協(xié)調投入工作的水泵電機臺數(shù)，并完成電機的啟停、變頻與工頻的切換。通過調整投入工作的電機臺數(shù)和控制電機組中一臺電機的變頻轉速，使系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力始終穩(wěn)定，進而達到恒壓供水的目的。

3、工作原理

該系統(tǒng)有手動和自動兩種運行方式。手動方式時，通過觸摸屏或控制柜上的啟動和停止按鈕控制水泵運行，可根據(jù)需要分別控制1#～3#泵的啟停，該方式主要供設備調試、自動有故障和檢修時使用。自動運行時，首先由1#水泵變頻運行，變頻器輸出頻率從0HZ上升，同時PID調節(jié)器把接收的信號與給定壓力比較運算后送給變頻器控制。如壓力不夠，則頻率上升到50HZ，由PLC設定的程序驅動I/O端口開關量的輸出來實現(xiàn)切換交流接觸器組，使得1＃泵變頻迅速切換為工頻，2＃泵變頻啟動，若壓力仍達不到設定壓力，則2＃泵由變頻切換成工頻，3＃泵變頻啟動；如用水量減少，PLC控制從先起的泵開始切除，同時根據(jù)PID調節(jié)參數(shù)使系統(tǒng)平穩(wěn)運行，始終保持管網(wǎng)壓力。

若有電源瞬時停電的情況，則系統(tǒng)停機，待電源恢復正常后，人工啟動，系統(tǒng)自動恢復到初始狀態(tài)開始運行。變頻自動功能是該系統(tǒng)較基本的功能，系統(tǒng)自動完成對多臺泵的啟動、停止、循環(huán)變頻的全部操作過程。

4、設備參數(shù)的設置

在進行通信之前必須對PLC、觸摸屏和變頻器的通訊參數(shù)進行正確設置。本系統(tǒng)定義為Modbus協(xié)議，波特率為9600，數(shù)據(jù)位為8，無校驗，停止位為1。變頻器除設置通信參數(shù)外，還需啟用“自由停車”以保護電機。 

5、PLC控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用三菱FX-200的PLC，繼電器輸出，PLC編程采用三菱PLC的專用編程軟件，軟件提供完整的編程環(huán)境，可進行離線編程、在線連接和調試。為了提高整個系統(tǒng)的性價比，該系統(tǒng)采用可編程控制器的開關量輸入輸出來控制電機的起停、自動投入、定期切換，供水泵的變頻及故障的報警等，而且通過PLC內置的PID給定電機的轉速、設定壓力、頻率、電流、電壓等模擬信號量。 

以往的變頻恒壓供水系統(tǒng)在水壓高時，通常采用停變頻泵，再將變頻器以工頻運行方式切換到正在以工頻運行的泵上進行調節(jié)。這種切換的方式理論上要比直接切換工頻的方式**，但其容易引起泵組的頻繁起停，從而減少設備的使用壽命。而在該系統(tǒng)中采用直接停工頻泵的運行方式，同時由變頻器迅速調節(jié)，只要參數(shù)設置合適，即可實現(xiàn)泵組的無沖擊切換，使水壓過渡平穩(wěn)，有效的防止了水壓的大范圍波動及水壓太低時的短時間缺水的現(xiàn)象，提高了供水品質。

點擊時間后的數(shù)字可以彈出軟鍵盤，在軟鍵盤中設定切泵時間，單位為小時，設定后輕壓“Enter”確認。按上面的方法依次設定加泵時間和減泵時間，單位為秒；用同樣的方法對P、I值進行設定。 

輕壓“系統(tǒng)壓力設定”后面的方框，在軟鍵盤上設定管網(wǎng)壓力，單位為MPa，即1MPa＝10個壓。

第五步：輕壓“啟動”，啟動PLC設定的程序，開始控制切泵，實現(xiàn)恒壓供水。狀態(tài)監(jiān)視頁面將會顯示當前工作狀態(tài)。 

在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，手指輕壓“停止”后，水泵停止工作，然后進行維護。

7、結束語

該系統(tǒng)采用PLC和變頻器結合，系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，實現(xiàn)了真正意義上的無人職守的全自動循環(huán)切泵、變頻運行，**了各臺水泵運行效率的較優(yōu)和設備的穩(wěn)定運轉啟動平穩(wěn)，了啟動大電流沖擊，由于泵的平均轉速降低了，從而可延長泵的使用壽命，可以啟動和停機時的水錘效應。通過觸摸屏上的組態(tài)畫面就可進行供水壓力的設定，運行狀況同時可以查詢設備故障信息，大大提高恒壓供水系統(tǒng)的自動化水平及對現(xiàn)場設備的監(jiān)控能力。

引言
工業(yè)過程控制系統(tǒng)應用多種多樣，范圍覆蓋從簡單的流量控制到復雜的電網(wǎng)，從環(huán)境控制系統(tǒng)到煉油廠過程控制。這些自動化系統(tǒng)的智能性依賴于它們的測量和控制單元。可編程邏輯控制器(PLC)1和分布式控制系統(tǒng)(DCS)2是用于控制機器和過程、處理各種各樣模擬和數(shù)字輸入及輸出的兩個較常見計算機系統(tǒng)，這些系統(tǒng)包含電源、*處理單元(CPU)，以及多種模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入和數(shù)字輸出模塊。

標準通信協(xié)議已經(jīng)存在很多年了；模擬變量的范圍主要為4mA至20mA、0V至5V、0V至10V、±5V和±10V。關于下一代系統(tǒng)無線解決方案的討論已有很多，但是設計人員仍然認為4mA至20mA通信和控制環(huán)路可繼續(xù)使用多年。下一代系統(tǒng)的標準涵蓋更高的性能、更小的尺寸、更好的系統(tǒng)診斷、更高級別的保護，以及更低的成本——所有要素都將幫助制造商實現(xiàn)區(qū)別于其競爭對手的差異化設備產品。

我們將討論過程控制系統(tǒng)的關鍵性能要求，以及所包含的模擬輸入/輸出模塊，還將介紹一個過程控制評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用較新集成電路技術將這些構件整合在一起。我們還著眼于應對魯棒系統(tǒng)的設計挑戰(zhàn)，這類系統(tǒng)將能經(jīng)受工業(yè)環(huán)境下的電快速瞬變脈沖群()、靜電放電(ESD)和浪涌電壓干擾，并提供檢驗設計魯棒性的測試數(shù)據(jù)。

PLC概覽和應用實例
一個過程變量，例如流率或氣體濃度，是通過輸入模塊進行監(jiān)控的。這些信息由中央控制單元處理；輸出模塊則采取一些行動，如驅動一個執(zhí)行器。

這種類型的一個典型工業(yè)子系統(tǒng)。CO2氣體傳感器測定一個受保護區(qū)域的氣體積累濃度，并將此信息傳送給一個中央控制點。該控制單元包含一個模擬輸入模塊——用來調理來自傳感器的4mA至20mA信號，一個*處理單元，以及一個模擬輸出模塊——用來控制必需的系統(tǒng)變量。電流環(huán)路能夠處理大的電流負載——這些負載經(jīng)常存在于一些工業(yè)系統(tǒng)中常見的數(shù)百米長的通信路徑上。表述氣體濃度級別的傳感器單元輸出被轉換為標準的4mA至20mA信號，通過電流環(huán)路傳送。這個簡化的例子所示的是一個單獨的4mA至20mA傳感器輸出連接到一個單通道輸入模塊，以及一個單一的0V至10V輸出。在實際情況下，大多數(shù)模塊都具有多個通道和可配置范圍。

輸入/輸出模塊的分辨率范圍一般是12至16位，在工業(yè)溫度范圍上具有0.1%的精度。對于橋式傳感器，輸入范圍可小至±10mV ；對于執(zhí)行器控制，可擴大至±10V；過程控制系統(tǒng)的輸入范圍為4mA至20mA電流。模擬輸出電壓和電流范圍一般包括±5V、±10V、0V至5V、0V至10V、4mA至20mA和0mA至20mA。數(shù)模轉換器(DAC)的穩(wěn)定時間要求從10μs到10ms不等，取決于具體應用和電路負載。

PLC評估系統(tǒng)
這里描述的PLC評估系統(tǒng)3集成了生成一個完整輸入/輸出設計所需的所有級，它包含4個完全隔離的ADC通道，1個帶RS-232接口的ARM7微處理器，以及4個完全隔離的DAC輸出通道。該評估板由一個直流電源供電。硬件可配置的輸入量程包括0V至5V、0V至10V、±5V、±10V、4mA至20mA、0mA至20mA、±20mA和熱電偶及RTD。軟件可編程的輸出量程包括0V至5V、0V至10V、±5V、±10V、4mA至20mA、0mA至20mA以及0mA至24mA。

輸出模塊：表2列出了PLC輸出模塊的一些關鍵技術規(guī)格。因為真實系統(tǒng)的精度有賴于測量通道(ADC)，所以控制機制(DAC)僅需要足夠的分辨率去調節(jié)輸出。對于高端系統(tǒng)而言，需要16位的分辨率，采用標準數(shù)模轉換架構很容易滿足這個要求。精度并非至關重要；一般來說，12位積分非線性誤差(INL)對于高端系統(tǒng)已經(jīng)足夠。

通過**輸出量程并調整達到期望值，可以很容易實現(xiàn)25℃時0.05%的校準精度。如今的16位DAC，例如AD5066,4 可提供25°C時0.05mV典型偏移誤差，以及0.01%典型增益誤差，在很多情況下*校準。0.15%的總精度誤差看起來很容易實現(xiàn)，但實際上在**溫情況下這個指標是比較嚴苛的。在工業(yè)溫度范圍上，30ppm/°C的輸出漂移會增加0.18%的誤差。

輸出模塊可具有電流輸出、電壓輸出，或者兩者兼具。6位nanoDAC?數(shù)模轉換器 AD5660 可提供0V至5V輸出電壓，該電壓通過感應電阻RS設置電流，再經(jīng)由R1。此電流通過R2實現(xiàn)鏡像。

這種分立設計方案有很多缺陷：器件數(shù)量多，造成系統(tǒng)復雜、大的電路板尺寸以及成本；總誤差難以計算，多個器件導致誤差度隨著不同極性系數(shù)而變化；這種設計不能提供短路/保護或者任何故障診斷；不包括許多工業(yè)控制模塊中必需的電壓輸出。添加任何這類特性都將會導致設計復雜性和器件數(shù)量的增加，更好的解決方案是集成上述所有特性的單芯片IC，例如， AD5412/AD5422 這些、高精度的12位/16位數(shù)模轉換器。基于這些器件的方案能夠提供完全集成的可編程電流源和可編程電壓輸出，專為滿足工業(yè)過程控制應用需求而設計。

輸出電流范圍可編程為：4mA至20 mA、0mA至20mA或者擴展的0mA至24mA。電壓輸出由獨立的引腳提供，輸出范圍可以設置為：0V至5V、0V至10V、±5V或±10V，并且所有范圍都允許擴展10%。模擬輸出具有短路保護，在發(fā)生錯誤接線輸出時，這是一個關鍵特性——例如，用戶將輸出連接到地而非負載。AD5422也具有斷路檢測特性，能夠監(jiān)控電流輸出通道，以確保在輸出和負載之間沒有故障發(fā)生。在斷路情況下，F(xiàn)AULT管腳將，向系統(tǒng)控制器報警。可編程電流/電壓輸出驅動器 AD5750 則兼具短路檢測和保護特性。

早期的系統(tǒng)一般需要隔離500V至1kV的電壓，而現(xiàn)今通常需要隔離**2KV的電壓。 ADuM1401 數(shù)字隔離器采用 iCoupler5 技術，為MCU和遠端負載之間，或者輸入/輸出模塊和背板之間提供必要的隔離。ADuM1401的3個通道在一個方向上進行通信，*4個通道在相反方向進行通信，提供來自轉換器的隔離數(shù)據(jù)回讀。對于更新的工業(yè)設計，ADuM3401 及該系列數(shù)字隔離器的其它產品能夠提供增強的系統(tǒng)級ESD保護。

AD5422產生自己的邏輯電源(DVCC)，它能被直接連接到ADuM1401的現(xiàn)場側，而*攜帶邏輯電源通過隔離勢壘。AD5422包括一個內部感應電阻，但是當要求更低的漂移時，也可采用一個外部感應電阻(R1)。因為感應電阻控制輸出電流，其電阻的任何漂移都將影響輸出。內部感應電阻的典型溫度系數(shù)是15ppm/°C至20ppm/°C，在60°C溫度范圍上會增加0.12%的誤差。在高性能系統(tǒng)應用中，一個外部感應電阻(2ppm/°C)能被用于保持漂移小于0.016%。

AD5422內置基準電壓源(較大漂移10ppm/°C)，這個基準電壓源在PLC評估系統(tǒng)中的所有4個通道上均可被。另一個選擇方案是**低噪聲XFET基準電壓源 ADR445 它具有0.04%的內部精度，溫漂3ppm/°C，可用于兩個輸出通道，選擇內置或是外部基準電壓取決于總的系統(tǒng)性能需求。

輸入模塊： 輸入模塊的技術規(guī)格與輸出模塊相似。通常，高分辨率和低噪聲是很重要的。在工業(yè)應用中，當測量來自熱電偶、應變計以及橋式壓力傳感器的低水平信號時，通常需要差分輸入信號，以抑制來自電機、交流電力線，或其它的噪聲源(這些噪聲源將噪聲引入模數(shù)轉換器(ADC)模擬輸入端)的共模干擾信號。

對于輸入模塊而言，Σ-Δ型ADC是較受歡迎的選擇，因為它們能夠提供高精度及高分辨率。此外，其內置可編程增益放大器(PGA)可以精確測量小的輸入信號。圖7所示為用于評估系統(tǒng)的輸入模塊設計。3通道、24位Σ-Δ模數(shù)轉換器AD7793 被配置為可提供較大范圍的輸入信號，例如4mA至20mA、±10V以及直接來自傳感器的小信號輸入。

這種普遍的輸入設計很容易適應RTD/熱電偶模塊。如圖所示，每個輸入通道提供兩個輸入接線端子。一個輸入端子直接連到AD7793。用戶可以對內置PGA進行編程，以提供高達128的模擬增益。*二個輸入端子使信號能夠通過JFET輸入儀表放大器 AD8220 被調理。這樣，輸入信號就被削弱、放大，并經(jīng)過電平轉換，以提供單端輸入信號給ADC。除了提供電平轉換功能，AD8220還具有非常好的共模抑制特性，這在寬動態(tài)范圍的應用中很重要。

低功耗、高性能的AD7793功耗小于500μA，而AD8220功耗小于750μA。這個通道被設計為可接受4mA至20mA、0V至5V以及0V至10V的模擬輸入信號。輸入模塊的其它通道針對雙極性工作方式設計，可接受±5V 和±10V的輸入信號。

為測量一個4mA至20mA輸入信號，一個低漂移精密電阻通過開關(S4)連入電路。在這個設計中，該電阻的阻值為250Ω，但是，只要產生的電壓在AD8220的輸入范圍內，就可以用任意電阻值。在測量電壓時，S4保持斷開狀態(tài)。

大多數(shù)輸入模塊設計都需要隔離。圖7展示了在PLC評估系統(tǒng)的一個通道上如何實現(xiàn)隔離。4通道數(shù)字隔離器ADuM5401 采用isoPower?6 技術，可提供2.5kV的有效值(RMS)信號和功率隔離。除了提供4個隔離的信號通道，ADuM5401還包含1個隔離的DC-DC轉換器，能夠提供一個穩(wěn)定的5V、500mW輸出信號，以驅動輸入模塊的模擬電路

完整的系統(tǒng)： ADuC7027 精密模擬微控制器7是主要的系統(tǒng)控制器。其內嵌ARM7TDMI內核，32位架構可輕松實現(xiàn)該器件與24位ADC的連接。它還支持16位thumb模式，如果需要，可實現(xiàn)更高的代碼密度。ADuC7027帶有16kB片上閃存，并可外接512kB存儲器。高精度、低壓降穩(wěn)壓器(LDO)ADP3339 可為微控制器提供穩(wěn)壓電源。

評估板和PC之間的通信通過ADM3251E提供，該器件與RS-232收發(fā)器隔離。ADM3251E結合了isoPower技術，*另外的隔離式DC-DC轉換器。它非常適于嚴苛電力環(huán)境下的操作，或者需要頻繁插拔RS-232電纜的場合，因為RS-232的引腳，包括Rx和Tx，都需要防范±15kV的靜電放電干擾。

評估系統(tǒng)軟件和評估工具：這套評估系統(tǒng)具有多種功能。與PC的通信可通過LabView8實現(xiàn)。微控制器(ADuC7027)的固件用C語言編寫，能夠控制往來ADC和DAC通道的低級命令。

左側的下拉菜單使用戶能夠選擇的ADC和DAC通道。在每一個ADC和DAC菜單下方是一個范圍設置下拉菜單，用于選擇期望的輸入和輸出范圍進行測量和控制。它支持的輸入和輸出范圍包括：4mA至20mA、0mA至20mA、0mA至24mA、0V至5V、0V至10V、±5V和±10V。通過利用內置的PGA，ADC可直接提供小的信號輸入范圍。

ADC配置屏，用于設置ADC通道、更新速率和PGA增益；使能或禁止激勵電流；以及其它通用ADC設置。通過將相應的DAC輸出通道連接到ADC輸入端，并調整每個范圍，可以校準每個ADC通道。采用這種校準方法時，AD5422的偏移和增益誤差指示每個通道的偏移和增益。如果這些不夠精確，可采用**高精度電流和電壓源進行校準。

在選擇ADC的輸入通道、輸入范圍和更新速率之后，現(xiàn)在我們利用ADC Stats屏幕，如圖11所示，顯示一些被測量的數(shù)據(jù)。在這個屏幕上，用戶選擇數(shù)據(jù)點的數(shù)目進行記錄；軟件生成所選通道的柱狀圖，計算峰-峰(P-P)和有效值(RMS)噪聲并顯示結果。在此處顯示的測量范例中，輸入信號通過AD8220被連接到AD7793：增益=1，更新速率=16.7Hz，采樣數(shù)=512，輸入范圍=±10V，輸入電壓=2.5V。峰-峰分辨率為18.2位。

模擬輸出保護： PLC評估系統(tǒng)可通過軟件配置為各種范圍內的輸出模擬電壓或電流。輸出信號由AD5422提供，該器件是一款高精度、、完全集成的16位數(shù)模轉換器，它能提供可編程電流源和可編程電壓輸出。AD5422的電壓和電流輸出可被直接連到外部負載上，因此它們易受到電壓浪涌和脈沖的影響。

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