现代化工业网络支持可远程实时监测并配置工厂分布传感器的高级协议，大幅缩短生产停工时间
作者：
Sean Long，Analog Devices工业与医疗健康事业部执行总监
Konrad Scheuer，Analog Devices首席技术人员


在配线柜中将传感器、执行器连接到过程控制器仍然需要大量的人工操作，而且非常繁琐。例如，如果在过程控制改造中需要将一个由数字输出(DO)电压驱动的阀门改为使用4-20mA模拟输出(AO)电流驱动，技术人员就必须到配线柜，在硬件上将阀门连接从DO通道移到AO通道，无论是连接不同的IO模块还是更换IO卡(如果使用的是机架式模块)。如果数字输入(DI)传感器必须更改为模拟输入(AI)，也将面临相同的操作。尽管自动化设计工程师在新的过程控制调试阶段必须选择具有充足通道(允许有一定的冗余)的IO模块，但随着时间推移，传感器和执行器数量不断增加，备用通道数量将越来越少，这会造成某种特定类型的通道数量不足以支持进一步流程改造的尴尬情况。对于需要一个AI通道但又没有可用模拟通道的技术人员，那些备用的DI通道并无价值。技术人员面临的另一难题是，在狭小拥挤的机柜内可能无法添加一块新(且昂贵)的IO模块。如果考虑到需要定期重新校准的不同类型的IO通道，人工操作的工作量以及由此引发的产线停工时间将极具增加。


图1. 技术人员正在配线柜调整连线
过程自动化系统开发工程师当然期待一种可远程配置并校准的通用IO通道，能够实现任何信号(模拟或数字)的任何功能(输入或输出、电压或电流)操作，无需技术人员到配线柜现场实地工作。本设计方案中，我们首先简要回顾了工业环境下所用传感器和执行器信号的主要特征，然后提出一款新的参考设计，该参考设计清晰指明了通往过程控制自动化的光明大道 ——可远程进行工厂校准、配置的通用IO模块。
数字IO
数字输入(DI)和数字输出(DO)信号通常为0-24V范围的直流电压。DI用于检测液位、目标物或指示按钮开关的状态。DO则用于驱动电机、执行器或激励电磁阀。这些IO具有不同配置 —— 高边、低边和推挽式，具体取决于负载参考端；驱动电流是其主要的技术指标，范围从数百毫安到几安不等。
模拟IO
模拟IO信号为4-20mA电流信号或0-10V的直流电压(当然，也有双极性信号，甚至更宽范围的电压信号)。AI接收来自传感器的信号，用于精确测量距离、压力、光强等；AO则用于精密控制执行器的运动和位置。
温度
在工业环境中，温度测量主要采用两种类型的传感器之一 —— 热电偶(TC)或/和2线/3线/4线电阻温度传感器(RTD)。与RTD相比，热电偶坚固耐用、工作温度范围较宽，价格也相对便宜；RTD则更加稳定、具有较高精度和更好的线性度。信号输出电平取决于所使用的TC/RTD类型，可连接到AI通道。可靠性(例如，要求符合IEC-61000-4瞬态抗扰性标准)是所有类型工业IO接口的关键指标。
 
通用IO模块参考设计
对于近期推出的IO模块，其集成度的提高意味着模块的各个通道可配置为输入或输出，但模拟域和数字域仍然保持分离。而在图2所示的新型IO模块参考设计功能框图中，每个通用UIO引脚均可通过软件配置为模拟输入(AI)、模拟输出(AO)、DI、DO，以单个接地引脚(GND)为参考端。可配置模式包括：模拟电压输入(0至+10V)、模拟电流输入(0至+20mA)、模拟电压输出(0至+10V)和模拟电流输出(0至+20mA)。参考设计也可接受兼容IEC 61131-2的Type 1、Type 2或Type 3的0-24V数字电压输入，或配置为推挽式数字输出/高边数字输出(驱动电流高达1.3A)。同时也支持电阻温度传感器(RTD)连接，进行温度测量；支持热电偶测量并提供内部冷端补偿。利用行业标准的四线PCB端子支持UIO模式，以及2线、3线或4线温度测量。
模块的AI和AO功能通过MAX22000实现，该器件为软件可配置的模拟输入/输出IC，可工作在电压或电流模式。模拟输出信号由内部18位DAC产生，集成24位ADC带有低噪声PGA，提供高压和低压输入范围，支持RTD测量。DI和DO功能则通过低漏电MAX14914A实现，该器件可作为高边/推挽式驱动器，也可配置工作在DI模式。除提供DIO功能外，MAX14914A也可监测高边和推挽模式下的输出电流。可通过MAX22000 GPIO上的GPIO获得对应DO状态的逻辑电平，这是高安全性应用中必不可少的一项功能。
 

图2. MAXREFDES185#通用IO模块参考设计功能框图
软件配置
这款通用IO模块采用了微控制器和FPGA平台非常普及的标准12针Pmod连接器。为方便测试，模块可通过软件GUI及USB-SPI转换适配器进行配置，例如：可提供与电路板连接物理接口的USB2PMB2#。GUI界面有两个标签页 — Universal IO标签页(图3)有一个下拉菜单，可以选择模拟或数字、输入或输出配置。根据所选模式，GUI显示与IC的内部连接简化框图，IC使能当前所选功能。
 

图3. GUI的Universal IO标签页
Analog Input标签页可用于监测目标参数，允许将UIO引脚的电压或电流信号与MAX22005的实测信号进行比较；该器件为12通道、24位模拟输入器件。为便于两个ADC核之间的关联，也提供十六进制结果。
校准
该模块的另一主要优势是能够可靠地通过板载MAX22005进行电压和电流校准，该器件为12通道、工厂校准的模拟输入IC，可作为基准参考同时监测UIO引脚的模拟信号。该器件经过工厂校准，25°C下具有0.02% FSR精度，在±50°C范围内，精度可达0.05% FSR。通过点击GUI的Universal IO标签页的“Autocal”，即可执行校准过程。图4所示为UIO引脚和MAX22005的模拟电压信号的FSR精度，两者均优于对精密仪器的0.02% FSR预期，并呈现高度相关性。
 

图4. 电压测量精度
电流测量的精度等级与之类似。图5所示为使用Fluke 724校准器仿真PT100 RTD传感器温度读数的精度。-100°C至+300°C范围内，误差保持在 1°C之内；室温下可轻松达到0.02% FSR之内。整个模块在±50°C温度变化范围内的总精度达到 0.1% FSR。
 


图5. 温度测量精度
 
功率优化
电源跟踪功能可用于限制模块耗散的热量。通过选用低静态电流的线性稳压器和高效降压转换器组合跟踪所要求的电源电压。MAX17651可从直流输入产生稳定的24V电源电压，静态电流只有8µA；MAX17532和MAXM17552降压转换器则产生多路模拟输出所需的电源电压，其中一路可编程设置在4.2V至24V范围的5个预设值。该功能通过MAX22005的GPIO引脚控制切换外部FET开关，进而选择不同的反馈电阻实现。模块在常规条件下的耗流典型值为10mA，但如果选择电流输入或电流输出模式，电流损耗会增大。LED绿灯用于指示是否存在外部电源。
可靠性
虽然该模块不能以当前的外形立即放置到现场使用，但在根据IEC 61131-2标准对工业设备的要求进行瞬态抗扰性测试时，该模块依然表现出较高的可靠性。该模块可承受高达±1.0kV的浪涌，持续时间为1.2/50µs，信号源总阻抗为42Ω。连续发送10个浪涌脉冲，在线与线、线与地之间进行了浪涌测试，模块持续保持正常工作且无损坏。IC内部数据和控制寄存器没有受到损坏，通过主机适配器的数据通信没有间断。在现场连接端子处的测试表明，模块能够承受高达±4kV端口对地的静电放电，包括接触放电和气隙放电。未观察到任何损坏，试验后能够正常与主机通信。模块的前视图如图6所示，外形尺寸只有75mm x 20mm。