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完整传感器数据采集解决方案简化工业数据采集系统设计

发布时间:2020-07-21 17:20:49 阅读: 来源:磨刀机厂家

简介

可编程逻辑控制器(PLC)是很多工业自动化和过程控制系统的核心,可监控和控制复杂的系统变量。基于PLC的系统采用多个传感器和执行器,可测量和控制模拟过程变量,例如压力、温度和流量。PLC广泛应用于众多不同应用,例如工厂、炼油厂、医疗设备和航空航天系统,它们需要很高的精度,还要保持稳定的长时间工作。此外,激烈的市场竞争形势要求必须降低成本和缩短设计时间。因此,工业设备和关键基础设施的设计人员在满足客户对精度、噪声、漂移、速度和安全的严格要求方面遇到了严峻的挑战。本文以PLC应用为例,说明多功能、低成本的高度集成 ADAS3022如何通过更换模拟前端(AFE)级,降低复杂性、解决多通道数据采集系统设计中遇到的诸多难题。这种高性能器件具有多个输入范围,非常适合高精度工业、仪器、电力线和医疗数据采集卡应用,可以降低成本和加快产品面市,同时占用空间很小,易于使用,在1 MSPS速率下提供真正的16位精度。

PLC应用示例

图1显示在工业自动化和过程控制系统中使用PLC的简化信号链。PLC通常包括模拟和数字输入/输出(I/O)模块、中央处理器(CPU)和电源管理电路。

在工业应用中,模拟输入模块可获取和监控恶劣环境中的远程传感器信号,例如存在极端温度和湿度、振动、爆炸化学物品的环境。典型信号包括具有5 V、10 V、±5 V和±10 V满量程范围的单端电压或差分电压,或者0 mA至20 mA、4 mA至20 mA、±20 mA范围的环路电流。当遇到具有严重电磁干扰(EMI)的长电缆时,通常使用电流环路,因为它们本身具有良好的抗扰度。

模拟输出模块通常控制执行器,例如继电器、电磁阀和阀门等,以形成完整自动化控制系统。它们通常提供具有5 V、10 V、±5 V和±10 V满量程范围的输出电压,以及4 mA至20 mA的环路电流输出。

典型模拟I/O模块包括2个、4个、8个或16个通道。为满足严格行业标准,这些模块需要提供过压、过流和EMI浪涌保护。大多数PLC包括ADC和CPU之间、CPU和DAC之间的数字隔离。高端PLC可能还有国际电工委员会(IEC)标准规定的通道间隔离。很多I/O 模块可以对每通道的对单端或差分输入范围、带宽和吞吐率单独进行软件编程。

在现代PLC中,CPU自动执行多个控制任务,利用实时信息访问进行智能决策。CPU可能包含高级软件和算法以及Web连接,用于差错校验诊断和故障检测。常用通信接口包括RS-232、RS-485、工业以太网、SPI和UART。

图1. 典型PLC信号链。

分立式数据采集系统方案

工业设计人员可以使用分立式高性能组件,为PLC或类似数据采集系统构建模拟模块,如图2所示。主要设计考虑因素包括输入信号配置、整体系统速度、精度和精确性。此处所示的信号链采用 ADG1208/ADG1209 低泄漏多路复用器、 AD8251快速建立可编程增益仪表放大器(PGIA)、 AD8475高速漏斗放大器、 AD7982差分输入18位PulSAR? ADC和 ADR4550超低噪声基准电压源。这种解决方案提供四个不同增益范围,但在±10 V的最大输入信号的情况下,设计人员必然会担心多路复用器的切换和建立时间,以及其他模拟信号调理问题。此外,在1 MSPS速率下实现真正的16位性能可能是一个严峻挑战,即便在使用这些高性能器件时也是如此。

AD7982具有满量程阶跃的290 ns瞬态响应性能。因此,要在1 MSPS速率下进行转换的同时保证指定性能,PGIA和漏斗放大器必须在710 ns时间内建立。但是,AD8251针对10 V阶跃达到16位转换精度(0.001%)的建立时间为785ns,因此该信号链的保证最大吞吐率将小于1 MSPS。

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