利用AD5755节省多通道PLC的空间、成本和功耗

可编程逻辑控制器(PLC)使用逻辑、时序控制、定时、计数和算术算法等快速、确定性的功能来控制机器和过程。PLC使用 模拟和数字信号与终端节点通信，例如读取传感器和控制执行 器。典型的通信方法包括电流/电压环路、Fieldbus1和工业以太网2协议

随着工业远程应用领域传感器和控制节点数的不断增加，控制器中I/O模块节点数也相应增加，一些分布式控制系统(DCS) 能够处理成千上万的节点。如此密集的节点使温度相关的挑战难度越来越大，尤其是对于4mA至20mA环路通信标准的系统。

对系统设计人员而言，最大且最密切相关的挑战是提高效率并降低功耗，因为现有系统的低效率导致电能浪费，运营成本增加。本文将说明设计更高效率系统面临的挑战，并介绍一款多功能、4通道、16位数模转换器(DAC) AD5755，它作为一种集成度更高的解决方案有助于解决这些问题。

系统

典型工业控制系统的通信分层情况如图1所示。直到最近，分布式输入/输出（远程I/O和PLC）通常仍然使用Modbus3、 PROFIBUS4（过程现场总线）或Fieldbus等开放或专有协议进行连接。如今，业界对使用PROFINET5的兴趣日渐增强，它是 一种设计用于在以太网设备之间快速交换数据的工业以太网协议。

图 1. 控制系统的层级结构

PROFINET的优势包括：

●速度更快，从RS-232的9.6 kbps提高到1 Gbps。

●改进的整体性能。

●距离更长。

●能够使用标准接入点、路由器、交换机、集线器、电 缆和光纤，这比等效串行端口设备便宜得多。

一条链路可以有两个以上的节点。这对于RS-485是可行的，但对于RS-232则不可行。

在现场级，用于将工业驱动器、电机、执行器、控制器与PLC/DCS I/O系统互连的现场总线协议为数众多，包括 DeviceNet?、CAN 6、InterBus?7和上述PROFIBUS、Fieldbus。

输入输出(I/O)控制器连接工厂或过程环境中的传感器和控制执行器，并通过上述模拟和数字方式与多个终端节点通信。本身安全的系统通过4mA至20mA电流环路进行连接，一些系统则使用隔离技术。控制处理器通常为8位至32位处理器，性能最高可达100 DMIPS（Dhrystone 百万条指令/秒）。工厂自动化设备结实耐用，能在恶劣的工业环境中工作而不需要风扇。

图2显示了几个8通道模拟I/O模块的例子。由于其尺寸小，因此功耗有限，有些甚至不到5W。

图 2. I/O 模块

模拟4mA至20mA电流环路常用于工业过程控制的信号传输，4mA代表范围的低端，20mA代表范围的高端。电流环路的主 要优势在于信号精度不受互连线路的压降影响，而且环路可以提供最高4mA电流为器件供电。即使线路电阻很大，电流环 路变送器也会在其电压能力范围内维持适当的电流。

通过4mA所代表的活动—零状态，接收仪表可以检测环路的一些故障（例如：0mA表示开环，3mA表示传感器发生故障），双线变送器设备也能通过环路电流供电。此类仪表用于测量压力、温度、流量、pH值和其它过程变量，以及控制阀门定位器或其它输出执行器。模拟电流环路中的电流可以在环路中的任一点，通过一个串联精密电阻转换为电压输入。仪表的输入端可能会将电流环路的一端连接到机壳（大地），因 此当串联连接多个仪表时，可能需要模拟隔离器。

功耗考虑

在图3所示的系统中，一个通道配置为4mA至20mA通信（本例中为从DAC驱动一个执行器负载）。执行器的端接电阻决定环路所需的最大电源电压。例如，100电阻至少需要2 V电压才能提供20 mA电流。如今的系统必须能够驱动最高达（有时甚至超过）1k的负载，这是很常见的要求。对于这一负载阻抗和20 mA的满量程电流，电源需要提供至少20 V电压。所产生的功率为：

P = V × I = 20 V × 0.02 A = 0.4 W.

如果负载阻抗变为100 ，使用同一电源（有效条件）时，即使只需要 0.04 W功率，功耗仍将为0.4 W。这种情况下，系统的效率损失为90%，360mW功率遭到浪费。

图 3. 当满量程输出远低于电源电压时，功率被浪费

对于一个8通道模块，20V电源下的总功耗将为3.2 W，其中多达2.88 W的功率遭到浪费（如果所有负载均为100 ）。这种情况下，自热效应和功耗预算的提高开始演变成问题。模块内的温度升高可能导致系统误差增大，各个器件的漂移特性需要纳入系统整体的误差预算中加以考虑。

设计人员会考虑各种办法来解决这些问题：

●增大模块尺寸以支持更多功耗，但成本会增加，因而 这种解决方案的竞争力不强。

●使用散热和/或风扇控制，这是一种昂贵的解决方案，同时会增大空间。事实上，在一些安全关键应用中，不允许使用这种温度控制设备。

●减小最大负载阻抗，以便限制电路的整体功耗。在一些应用中，