西门子CPU模块6ES7518-4TP00-0AB0

：本文介绍了利用模拟量输出模块ISODA进行远程设备控制的应用方案。PLC的AO模块或DCS系统输出的模拟量电流或电压信号直接去控制远程的执行设备，往往会因为长距离的传输造成信号的衰减、失真，有时还会因为其他外界信号干扰造成信号出错，影响整个系统的正常工作。应用ISODA远程模拟信号输出模块的RS-485差分数字信号传输可以有效地**系统抗干扰能力，利用RS-485的总线通讯和地址设置，在某些场合还可以减少布线，降低设备控制成本和**系统可靠性。

    关键字：远程DA转换、模拟信号输出、远程IO、RS-485数据通讯

    引言：随着科学技术的不断进步，人们利用各种控制器来的进行工作和生产，比如说控制加热炉的温度，控制灌溉的**，控制物品移动的距离等。PLC的AO模块或DCS系统输出的模拟量电流或电压信号直接去控制远程的执行设备，往往会因为长距离的传输造成信号的衰减、失真，有时还会因为其他外界信号干扰造成信号出错，影响整个系统的正常工作。因此利用RS-485数字信号进行远程传输，然后利用远程模拟信号输出模块ISODA输出模拟信号，在工业现场中得到了越来越多的应用。

    1、模拟信号输出模块ISODA的工作原理概述

    ISODA系列产品实现主机RS-485/232接口信号隔离转换成标准模拟信号，用以控制远程设备。ISODA系列产品可应用在RS-232/RS-485总线工业自动化控制系统，4-20mA，0-5V，0-10V等标准信号输出，用来控制工业现场的执行设备，控制设备以及显示仪表等等。

    产品包括电源隔离，信号隔离、线性化，D/A转换和RS-485串行通信。每个串口多可接256只ISODA系列模块，通讯方式采用ASCII码通讯协议或MODBUSRTU通讯协议，其指令集兼容于大多数同类模块，波特率可由代码设置，能与其他厂家的控制模块挂在同一RS-485总线上，便于计算机编程。

    ISODA系列产品是基于单片机的智能监测和控制系统，所有的用户设定的校准值，地址，波特率，数据格式，校验和状态等配置信息都储存在非易失性存储器EEPROM里。

    ISODA系列产品按工业标准设计、制造，信号输出/通讯接口之间隔离，可承受3000VDC隔离电压，抗干扰能力强，可靠性高。工作温度范围-45℃～+80℃。

    ISODA系列产品框图如图1所示。

图1 ISODA产品原理框图

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    2、模拟信号输出模块ISODA的功能简介

    ISODA信号隔离D/A转换模块，可以用来输出一路电压或电流信号，也可以用来输出两路可以共地的电流或电压信号。

    2．1、模拟信号输出和工作电源

    12位输出精度，产品出厂前所有信号输出范围已全部校准。在使用时，用户也可以很方便的自行编程校准，因此在现场的应用更加灵活。信号输出温度漂移：±20ppm/℃(±30ppm/℃,大)。

    工作电源，+8~50VDC宽供电范围，内部有防反接和过压保护电路。功率消耗：小于1.5W。隔离耐压：通讯接口/输出之间：3KVDC，1分钟，漏电流1mA，其中通讯接口和电源共地。

    2．2、通讯协议

    通讯接口：1路标准的RS-485通讯接口或1路标准的RS-232通讯接口。

    通讯协议：支持两种协议，命令集定义的字符协议和MODBUSRTU通讯协议。可通过编程设定使用那种通讯协议，能实现与多种品牌的PLC、RTU或计算机监控系统进行网络通讯。由于支持通用的MODBUSRTU协议，所以能够在工控领域得到广泛应用。

    数据格式：10位。1位起始位，8位数据位，1位停止位。

    通讯地址（0～255）和波特率（300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400bps）均可设定；通讯网络长距离可达1200米，通过双绞屏蔽电缆连接。

    通讯接口高抗干扰设计，±15KVESD保护，通信响应时间小于100mS。

    2．3、抗干扰

    可根据需要设置校验和。模块内部有瞬态抑制二极管，可以有效抑制各种浪涌脉冲，保护模块，内部的数字滤波，也可以很好的抑制来自电网的工频干扰。

 5、模拟信号的数字化远程传输与还原

    ISODA模块可以通过短接HOST端到GND端（即11脚和12脚短接）设置成主机模式，与ISO4021模块的通讯接口相连接，并将ISO4021模块设置为Modbus通讯方式，就可以实现将ISO4021的两通道输入信号对应在ISODA模块的两个输出通道里输出。该模式主要用于模拟信号的数字化远程传输与还原，在信号的光纤传输，GSM、CDMA无线传输，以太网传输等领域得到广泛应用。

    ISODA模块主机模式设置方法：1，模块没有上电时，短接HOST端到GND端（即11脚和12脚短接）。2，接通电源，给模块上电，模块即进入主机模式，会不断地按Modbus协议的发出读寄存器数据命令。3，注意，要进入主机模式，CONFIG管脚不要短接到地线(GND管脚)，否则会进入缺省模式。

    4-20mA模拟信号在工业现场应用广泛，下面以4-20mA信号为例，实现远程传输与还原。4-20mA模拟信号进入ISO4021A4-232模块后转换成数字量，通过RS-232接口，连接到RS-232转光纤转换器，或者RS-232转GSM/CDMA转换器，或者RS-232转以太网转换器，再通过光纤，或者GSM/CDMA，或者以太网远程传输，在接收端再用相应的RS-232转光纤转换器，或者RS-232转GSM/CDMA转换器，或者RS-232转以太网转换器，将信号转换成RS-232信号。RS-232信号输出到ISODAO1-232模块的RS-232接口，后ISODAO1-232模块输出4-20mA的模拟信号，完成了远程传输功能。

图4 4-20mA信号远程传输

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图5 ISODA与ISO4021的RS-232通讯接线图

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图6 ISODA与ISO4021的RS-485通讯接线图  6、结束语

    工业现场信号远程传输过程中，由于干扰源比较多，处理不当往往会影响正常的生产制造，造成不必要的损失，一些新的方案可以有效地**现场控制的性能。利用RS-485数字信号进行远程传输，然后利用远程模拟信号输出模块ISODA输出模拟信号，在工业现场中可以有效抑制干扰，使用方便，得到了越来越多的应用。  

锁存器74HC573的选通信号由单片机P3～7位控制，锁存允许信号直接接地，在P3～7为O时锁存器输出为P0口数据，可利用单片机P3～6位控制另外一片74HC573的选通与否，以扩展开关量输出口。

通讯部分采用芯片MAX232C与上位机通讯，具体接线如图4所示。

此通讯电路仅能实现15m的通讯距离，如果需要更长距离通讯，则需先将信号转换为RS422全双工信号，在计算机一端再转换为RS232接入计算机即可。

2 编程环境及程序
本系统使用Keil V3．0作为编程环境(编程环境介绍见参考文献)，MAXl86采集子程序如下：

开关量输入输出部分的程序在main函数中，由串口收到的上位机开关量状态数据直接作为单片机输出数据输出到P0口，P0各位作为一个开关量通过图3所示的放大电路驱动各开关量负载。单片机开关量输入数据直接发送回上位机回显单片机Pl口各位状态。

3 结束语
本系统通过PCB制板封装后，调试正常，16路数据采集正常，16路开关量输入、16路开关量输出正常，工作可靠安全，可脱离上位机单独使用。如果需要扩展输入输出端口，只需使用MODBUS协议将此套系统组成RTU设备网络即可实现。本系统不建议采用多片选通的方式增加输入输出口，这样系统执行速度会受到影响，采用STC89C52单片机一片不足5元，为了系统安全可靠的运行，所以采用多片单片机组成MODBUS网络来进行扩展可以增加系统可靠性，而且每个控制模块出现故障时不影响其他控制模块的正常运行和通讯

PROFIBUS是工业自动化领域内市场占有率高的一种现场总线技术，它包括用于制造业自动化的PROFIBUS－DP和用于流程工业领域的PROFIBUS－PA，它是目前我国惟一的现场总线国家标准。随着越来越多工业控制系统采用了PROFIBUS现场总线技术，对这些控制系统进行具体的、直观的和实时的在线分析与诊断成为了基本的要求，要想完成这样的任务，就需要有相应的工程分析诊断工具。国内外目前所研究的这些总线性能分析诊断工程工具存在着功能不够全面、界面不够完善、价格昂贵、不适合中国国情等问题。开发一款能够对总线系统进行分析和诊断，方便的、性能价格比高的分析诊断工程工具必将成为急需的产品。

由于在PRIFBUS传输报文可以反映出总线性能的很多参数，包括各种故障状态。比如：从参数化报文可以看出主站和从站的关系，从站的操作方式，包括通道参数、功能设定、装置参数和ID号等。从组态报文可以看出从站I/0类型及性质，以及模块的I/O性质及数据类型等。从诊断报文可以看出从站各种参数设置错误，各种组态错误，以及装置模块错误类型。所以，本文作者就是在对PROFIBUS-DP报文进行详尽分析的基础上，采用VC++ 6.0开发了一款基于串口通讯的PROFIBUS性能分析诊断软件。

1 PROFIBUS工作机理

1.1 PROFIBUS-DP编码技术

PROFIBUS－DP交换数据使用异步传输技术和NRZ编码。NRZ编码的二进制信号“0”或“1”的信号电平在信号持续期间维持不变。图1所示为NRZ码信号图。

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图1 非归零码信号

每个数据链路层协议数据单元应由一定数量的字符组成，每个字符都是一个用于异步传输的起——停字符。

每个字符由11个比特组成，包括1个总是为二进制“0”的起始比特（ST），8个可以是二进制数“0”亦可以是二进制数“1”的信息比特，1个可以是二进制“1”也可以是二进制数“0”的偶校验比特（P），1个总是为二进制数“1”的停止比特，如图2所示。

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图2 单个字符格式

接收器的比特同步总是从起始比特的下降沿开始，也就是说，在从二进制“1”转换到二进制数“0”时开始。在比特时间的中间应扫描起始比特和所有后继的比特。在比特时间的中间，起始比特应是二进制数“0”，否则认为同步失败并停止同步过程。以二进制“1”的停止比特来结束字符的同步，如果此时出现二进制数“0”来代替此停止比特，则应认为并报告一个同步差错或字符差错，并应等待下一个起始比特的前导沿。

1.2 报文格式

如图3所示，PRFIBUS-DP有以下5种报文格式。其中，SYN为同步周期，它是一个小的时间间隔，在此时间间隔内，每个站在它可以接收发送/请求报文帧或令牌起始部分之前，应从传输介质接收空闲状态（idle state）(idle=二进制“1”)。同步周期小为33个线空闲比特；SD为起始定界符，DA是目的地址，SA是源地址，FC是控制帧；FCS是帧校验和，ED为结束定界符，值为16h，L是信息字段长度，其中SD1= 10h，用于请求FDL状态，寻找一个新的活动的站点，报文长度固定，没有数据单元；SD2= 68h，用于SRD服务，报文的数据长度可变；SD3 = A2h，数据单元长度固定（L总为8字节）；SD4 = DCh，表示该报文为令牌报文；SC =E5h, 短确认报文。

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