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MAX15500在可编程逻辑控制器中的应用

关键词:Maxim MAX15500 PLC 可编程逻辑 控制器

时间:2011-01-17 10:17:46       来源:MAX15500

Maxim应用工程师 高峰

随着现代电子计算机技术的发展,可编程逻辑控制器由最初主要用于汽车制造成为自动化控制领域的一种工业控制趋势,这主要得益于可编程逻辑控制在控制系统中能够有效节约时间、降低生产成本以及简化系统设计。

基本的可编程逻辑控制器模块由4部分组成:CPU、存储器、输入/输出端口以及电源。PLC必须能够灵活配置以满足不同工厂以及不同的应用要求,输入端口可接收来自外部传感器、机器以及处理事件的电压或电流信号,然后将该信号转换为CPU可识别的信号,CPU接收到信号后进行处理,然后产生一系列的控制指令,这些指令通过输出端口输出(数字信号/模拟信号),对受控设备进行控制。下面针对PLC的模拟输出进行讨论。

PLC的模拟输出

可编程逻辑控制器(PLC)的模拟输出模块接收来自微控制器的命令并将其转换为模拟信号,对外部的电机、阀门以及继电器等进行控制。微控制输出命令一般为数字量,须通过DAC将其转换为模拟的电压或电流,然后通过信号调理器输出进行控制。

信号调理器的输出可以是电压信号,也可以是电流信号,电压输出一般应用于传输距离较短,控制方式较为简单的应用中,传输距离一般在几米之内。这是因为电压信号容易受到外部的干扰,而且长线传输的时候,由于线缆的电阻影响,会影响测量或者控制的精度。因此,目前在远距离传输中都是采用4mA~20mA的电流环传输。4mA~20mA的电流环除了能够支持远距离传输外,还具有较强的抗干扰性能,另外,HART协议采用在4mA~20mA的电流环上携带附加的数字信息,因此可以符合HART协议的标准。

4mA~20mA电流环一般情况下可提供0mA~24mA的电流范围,0mA~4mA以及20mA~24mA通常用于诊断和系统校准,如果检测到电流小于4mA,可以判断出负载端开路,同样,如果检测到电流大于20mA,可以得出负载端短路的诊断信息,然后系统根据要求进行下一步的维护。

由于模拟输出通常是通过长电缆或者短电缆与现场设备进行连接,因此输出模块必须具有保护功能以使系统免受ESD、RFI、EMI的干扰。另外,由于现场电缆容易受运动和振动的影响,特别容易造成开路或者与其他的导体短路,因此输出模块还必须具有信号监视的功能,能够在线缆完全失效之前的间歇故障期间,对这些故障进行检测和报告,这些失效检测可提高工作可靠性,使工厂停工时间最短。

Maxim公司最新推出的模拟输出调理器MAX15500适合用于PLC的模拟输出以及分布式I/O中,该器件具有可编程的电压/电流输出且具有超量程的驱动能力。多种故障检测为PLC的模拟输出提供安全保证,而且该器件还符合HART的通讯协议。

MAX15500工作原理

MAX15500内部结构以及外部电路连接如图1所示,内部电路按照功能可分为接口、偏置发生器、可编程增益放大器、输出级四部分组成,接口部分包括SPI接口和逻辑I/O,MAX15500通过SPI接口与控制器进行通讯,I/O接口可设置器件的工作状态以及对错误状态进行检测。来自外部DAC的输入电压与偏置发生器产生的偏置电压一起通过内部增益放大器提供给输出级。

图1 MAX15500内部结构及外部连接图

输出级可以看作一个差分的功率放大器,在输出电压时,该输出提供开尔文连接,开尔文连接的优点是在长线传输的时候,可以通过sense线来补偿由于线缆引起的误差。因此,该器件在电压传输的时候也可以支持长线传输,输出端的引线有3根:cable1~cable3。其中cable1为电压信号sense线,cable2为主输出线,用于输出电压或者电流,cable3为地信号sense线,该线可以补偿由于长线传输时地电位不同引起的误差。下面详细说明该器件是如何实现施加电压和电流以及开尔文连接方式对误差的补偿。

当输出电压时,cable1和cable2在靠近负载端闭合在一起,cable3连接到负载端的地,连接到SENSEVP和SENSEVN的内部开关闭合,为了便于说明,现假设输出级差分放大器增益为1,负载端地电位与MAX15500的地之间存在1V的电位差(通常该电位差为数毫伏或者几十毫伏)。如果希望在远端负载两端产生2V的电压,PGA输出施加到输出级的电压应为-2V,由于负载地端为1V电压,差分放大器的同相输入端为0.5V,反向输入端同样也为0.5V,这样,可得到A2放大器的输出端为3V,由于cable1电缆上没有电流流过。因此负载端的电压(cable2和cable3闭合点)也为3V。施加在负载两端的电压为3V-1V=2V。这样,虽然电缆的地电位之间存在一定的电压差,通过开尔文连接方式,也能将电压精密地施加到远端的负载端。输出电压与开尔文连接图如图2所示。

当输出电流时,此时只用到一根电缆:cable2。电流回路由连接到负载和MAX15500的地线提供,此时cable1和cable3不用,连接到SENSERP和SENSERN的内部开关闭合,由于输出电流,因此我们不关心负载端的具体电压是多少,为了方便说明,假设负载地端的电压为0V,负载端的电压为Vx,假设cable2线缆压降忽略不计(该线缆两端一定有压差,通常情况下该压差对输出电流的大小没有影响),继续假设施加到输入级电压为-1V,采样电阻Rsense为1,现在计算输出电流的大小。

由于A3反向输入端电压为Vx,那么A1的同相输入端电压为Vx/2,可得到A2输出端的电压为(Vx+1)V,采样电阻两端的电压为Vx+1-Vx=1V,和施加电压一致(方向相反)。电阻两端有电压差时一定有电流流过电阻,因此,输出电流的大小等于施加到输出级的电压除以采样电阻。电流输出内部结构图如图3所示。

图2 输出电压与开尔文连接

图3 电流输出内部结构图

MAX15500通过开漏输出中断标志/ERROR和SPI接口产生故障报警,检测到故障时,拉低/ERROR,同时故障寄存器保存该故障状态。典型应用中将/ERROR引脚连接到控制器的中断输入引脚,在中断子程序中读取故障状态,然后对故障状态进行处理,读取故障寄存器后将复位/ERROR引脚,故障修复后,第二次读取故障寄存器将清除故障寄存器,然后第三次读取故障寄存器以验证故障寄存器是否已经清除。

在故障寄存器中,有一个称为间断位,如果发生输出短路或负载开路,并且在读取故障寄存器之前故障已经清除,该位将置位,当发生电源电压跌落或热故障时,不能对该位置位。

MAX15500能够处理的故障包括:输出短路、负载开路、内部过热以及电源电压跌落故障。

当控制器接收到/ERROR为低电平的中断信号后,在中断子程序中应该做如下处理:

(1)控制器读取故障寄存器,判断故障类型并提供故障指示(可用LED指示发生何种故障)。如果此时间断位为1,表明故障已经自行处理。此时直接跳到第3步运行。

(2)控制器根据故障类型,进行处理故障。

(3)控制器再次读取故障寄存器,如果故障是输出短路或者负载开路,并且故障已经成功处理,此时读取间断位为1,表明故障已经成功解除,器件将复位故障寄存器,控制器关闭故障指示。如果故障仍然存在,故障寄存器将保持不变。

(4)第三次读取故障寄存器,此时,数据应该显示为故障已经解除,如果仍然有故障,需要控制器做下一步的处理。

设计注意事项

第一,该器件下方有一个裸焊盘,裸焊盘内部连接到AVSS,因此,应将其连接到AVSS并大面积敷铜以增强散热性能。

第二,取样电阻应选择低温漂精密电阻,应将SENSERN、SENSERP直接连接到电阻两端,引线尽可能短。

第三,连接引线Cable1、Cable2应在靠近负载端进行闭合,不要在器件端闭合。在加压模式下如果这两个引线没有闭合,将导致内部放大器开路输出,为避免发生这种情况,可在SENSEVP和OUT之间连接一个10kΩ电阻。

第四,在不同负载条件下需要的补偿电容不同,因此需要根据负载的不同选择合适的补偿电容。

第五,器件在上电后处于待机模式,因此必须先对器件通过SPI接口进行配置才能使其正常工作。

综上所述,MAX15500是一款高度集成的可编程模拟电压/电流输出源,外部电路连接简单并且集成了故障诊断功能,工作在-40℃~+105℃温度范围,是PLC设计中模拟输出部分的较理想选择。

GEC

 

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