Izgradnja digitalnih I/O modula-kanalne-gustoće za sljedeće-generacije kontrolera industrijske automatizacije
[Uvod] Kako val Industrije 4.0 zahvata krajolik, pametni senzori postaju sve prisutniji u tvorničkim okruženjima. Široka primjena senzora dovodi do značajne promjene: potrebe za obradom velikih količina I/O-i digitalnih i analognih-unutar naslijeđenih kontrolera. Posljedično, razvoj I/O modula visoke-gustoće koji održavaju upravljivu veličinu i toplinske profile postao je kritičan. U ovom se članku ADI fokusira na digitalni I/O.
Obično se digitalni I/O u PLC-ovima sastoji od diskretnih komponenti kao što su otpornici/kondenzatori ili zasebni FET pogonitelji. Kako bi se veličina kontrolera svela na najmanju moguću mjeru uz rukovanje 2 do 4 puta više kanala, industrija prelazi s diskretnih na integrirana rješenja.
Nadalje, diskretni pristup ima brojne nedostatke, osobito kada svaki modul upravlja s osam ili više kanala. Zapravo, samo spominjanje velike disipacije topline/snage, samog volumena diskretnih komponenti (uzimajući u obzir i veličinu i srednje vrijeme između kvarova (MTBF)) i potrebu za pouzdanim specifikacijama sustava dovoljno je da pokaže nepraktičnost diskretnog pristupa.
Slika 1 ilustrira tehničke izazove s kojima se susreće prilikom izgradnje digitalnih ulaznih (DI) i digitalnih izlaznih (DO) modula visoke-gustoće. I DI i DO sustavi zahtijevaju pažljivo razmatranje veličine i upravljanja toplinom.
Slika 1. Razmatranja za digitalne ulazne i izlazne module
Za digitalne ulaze imajte na umu da podržava različite vrste ulaza, uključujući ulaze klase 1/2/3, au nekim slučajevima i ulaze od 24 V i 48 V. U svim scenarijima, pouzdane radne karakteristike su najvažnije, pa čak i otkrivanje otvorenog-kruga je kritično.
Za digitalne izlaze, sustav koristi različite FET konfiguracije za pokretanje opterećenja. Preciznost pogonske struje obično je ključna stvar. Dijagnostika se također mora uzeti u obzir za mnoge primjene.
U nastavku istražujemo kako integrirana rješenja mogu pomoći u rješavanju nekih od ovih izazova.
Projektiranje digitalnih ulaznih modula-kanala-visoke gustoće
Tradicionalni diskretni dizajni koriste mreže razdjelnika otpornika za pretvaranje 24V/48V signala u signale koje mogu koristiti mikrokontroleri. Diskretni RC filtri također se mogu koristiti u prednjem kraju. Vanjski optokapleri ponekad se koriste kada je potrebna izolacija.
Slika 2 ilustrira tipičan diskretni pristup za konstruiranje digitalnih ulaznih krugova.
Slika 2. Dizajn tradicionalnog digitalnog ulaza koji koristi diskretnu logikuOvaj tip dizajna prikladan je za određeni broj digitalnih ulaza, točnije 4 do 8 po ploči. Izvan ovog broja, dizajn brzo postaje nepraktičan. Ovaj diskretni pristup uvodi različita pitanja, uključujući:
● Velika potrošnja energije i povezana vruća mjesta na ploči.
● Svaki kanal zahtijeva poseban optički sprežnik.
● Prekomjerne komponente dovode do niskih FIT stopa i mogu zahtijevati veće uređaje.
Kritičnije, pristup diskretnog dizajna podrazumijeva da ulazna struja raste linearno s ulaznim naponom. Uzmite u obzir ulazni otpornik od 2,2 KΩ i VIN od 24 V. Kada je ulaz 1 (npr. pri 24 V), ulazna struja je 11 mA, što odgovara disipaciji snage od 264 mW. 8-kanalni modul troši preko 2W, dok 32-kanalni modul troši preko 8W. Pogledajte sliku 3 u nastavku:
Slika 3. Procijenjena potrošnja energije digitalnog ulaznog modula konstruiranog pomoću diskretne logike
Samo iz toplinske perspektive, ovaj diskretni dizajn ne može podržati više kanala na jednoj ploči.
Jedna od ključnih prednosti dizajna integriranog digitalnog ulaza je značajno smanjena potrošnja energije, čime se minimaliziraju toplinski zahtjevi. Većina integriranih digitalnih ulaznih uređaja omogućuje podešavanje ograničenja ulazne struje za znatno nižu potrošnju energije.
Kada je ograničenje struje postavljeno na 2,6 mA, potrošnja energije značajno pada na približno 60 mW po kanalu. Nazivna potrošnja energije za 8-kanalni digitalni ulazni modul sada se može postaviti ispod 0,5 vata, kao što je prikazano na slici 4 u nastavku:
Slika 4. Procijenjena ušteda energije za digitalne ulazne module koji koriste integrirane DI čipove
Drugi razlog protiv korištenja dizajna diskretne logike je taj što DI moduli ponekad moraju podržavati različite vrste ulaza. IEC-objavljeni standard za 24V digitalne ulaze navodi tipove 1, 2 i 3. Tipovi 1 i 3 obično se koriste zajedno jer su njihova ograničenja struje i praga vrlo slični. Tip 2 ima veće ograničenje struje od 6 mA. S diskretnim pristupom može biti potreban redizajn jer bi većinu diskretnih komponenti trebalo ažurirati.
Proizvodi s integriranim digitalnim unosom općenito podržavaju sva tri tipa. U osnovi, tip 1 i tip 3 obično podržavaju integrirani digitalni ulazni uređaji. Međutim, kako bi se zadovoljio minimalni zahtjev struje od 6 mA za ulaze tipa 2, dva kanala moraju biti spojena paralelno za jedan ulaz polja. Potrebno je prilagoditi samo -otpornik za ograničenje struje. To zahtijeva manju modifikaciju PCB-a.
Na primjer, trenutačni ADI DI uređaji imaju ograničenje struje od 3,5 mA/kanal. Stoga, kao što je prikazano na slici, kada se dva kanala koriste paralelno i sustav mora prihvatiti ulaze tipa 2, REFDI i RIN otpornici moraju biti podešeni. Za neke novije komponente, trenutna vrijednost se također može odabrati putem pinova ili softvera.
Slika 5. Upotreba dva paralelna kanala za podršku dva-tipa digitalnih ulaza
Za podršku digitalnih ulaznih signala od 48 V (nije uobičajeni zahtjev), potreban je sličan postupak, koji zahtijeva dodavanje vanjskog otpornika za podešavanje praga napona na kraju polja. Postavite vrijednost ovog vanjskog otpornika tako da "ograničenje struje * R + prag" pina zadovoljava specifikaciju praga napona na kraju polja (pogledajte tablicu s podacima o uređaju).
Konačno, budući da se digitalni ulazni modul povezuje sa senzorima, dizajn mora zadovoljiti pouzdane radne karakteristike. Kada koristite diskretno rješenje, ove zaštitne značajke moraju biti pažljivo dizajnirane. Prilikom odabira integriranog digitalnog ulaznog uređaja, provjerite je li sljedeće određeno u skladu s industrijskim standardima:
● Širok raspon ulaznog napona (npr. do 40V).
● Mogućnost korištenja napajanja polja (7V do 65V).
● Visoka tolerancija na ESD (±15kV ESD zračni raspor) i sposobnost prenapona (obično 1kV).
Pružanje dijagnostike prenapona i pretemperature također je korisno kako bi se omogućilo MCU-u da poduzme odgovarajuće radnje.
Dizajniranje digitalnih izlaznih modula-kanala-gustoće
Tipični dizajn diskretnog digitalnog izlaza ima FET s pogonskim krugom, kojeg pokreće mikrokontroler. Mogu se koristiti različite metode za konfiguriranje FET-a za pogon mikrokontrolera.
Prekidač-opterećenja gornje strane definiran je kao onaj kojim upravlja vanjski signal za uključivanje koji spaja ili odspaja napajanje s danog opterećenja. U usporedbi s prekidačem opterećenja s donje-strane, prekidač s-gornje strane dovodi struju do opterećenja, dok prekidač s donje-strane povezuje ili odspaja uzemljenje opterećenja, crpeći struju iz opterećenja. Iako oba koriste jedan FET, problem s prekidačima na donjoj-strani je taj da opterećenje može kratko spojiti na masu. Visoko-bočni prekidači štite opterećenje sprječavajući kratki spoj na masu. Međutim, nisko{10}}strani prekidači jeftiniji su za implementaciju. Ponekad je izlazni upravljački program također konfiguriran kao prekidač za pritiskanje-povlačenje, što zahtijeva dva MOSFET-a. Pogledajte sliku 6 u nastavku:
Slika 6. Različite konfiguracije korištene za upravljački program digitalnog izlaza
Integrirani DO uređaji mogu kombinirati više DO kanala u jednu komponentu. Budući da visoko-strana, niska-strana i push-pull sklopke koriste različite FET konfiguracije, različiti uređaji mogu se koristiti za implementaciju svake vrste izlaznog pokretača.
Ugrađena -demagnetizacija za induktivna opterećenja
Ključna prednost integriranih digitalnih izlaznih uređaja je njihova ugrađena-sposobnost demagnetizacije za induktivna opterećenja.
Induktivno opterećenje svaki je uređaj koji sadrži zavojnicu koja, kada je pod naponom, obično obavlja mehanički rad-kao što su solenoidni ventili, motori i aktuatori. Magnetsko polje generirano strujom može pomicati kontakte prekidača u relejima ili kontaktorima za upravljanje solenoidnim ventilima ili rotirati osovinu motora. U većini slučajeva, inženjeri koriste visoke-bočne prekidače za kontrolu induktivnih opterećenja. Izazov leži u pražnjenju induktora kada se sklopka isključi i struja prestane teći u opterećenje. Negativni učinci zbog nepravilnog pražnjenja uključuju: kontakti releja mogu zalučiti, veliki negativni skokovi napona mogu oštetiti osjetljive IC-ove i stvara se visoko-šum ili EMI, što u konačnici utječe na performanse sustava.
U diskretnim rješenjima, najčešći pristup za pražnjenje induktivnih opterećenja je korištenje diode slobodnog hoda. U ovom krugu, kada je sklopka zatvorena, dioda je obrnuto-nagnuta i ne provodi. Kada se sklopka otvori, negativni napon napajanja preko induktora naprijed-pokreće diodu, rasipajući pohranjenu energiju provodeći struju kroz nju dok se ne postigne stabilno stanje s nultom strujom.
Za mnoge primjene, osobito industrijske gdje svaka I/O kartica ima više izlaznih kanala, ova dioda je često velika, što značajno povećava troškove i dizajn.
Moderni digitalni izlazni uređaji implementiraju ovu funkcionalnost interno pomoću aktivnog steznog kruga. Na primjer, ADI koristi patentiranu značajku SafeDemag™ koja omogućuje digitalnim izlaznim uređajima da sigurno isključe opterećenja bez ograničenja induktorima. Za više pojedinosti kliknite ovdje kako biste pristupili bilješci o prijavi na web stranici.
Prilikom odabira digitalnih izlaznih uređaja mora se uzeti u obzir nekoliko kritičnih čimbenika. Pažljivo pregledajte sljedeće specifikacije u podatkovnoj tablici:
● Provjerite maksimalnu nazivnu trajnu struju i osigurajte da višestruki izlazi mogu biti paralelni kada je to potrebno za postizanje većih strujnih pokretača.
● Provjerite može li izlazni uređaj pokretati višestruke kanale visoke-struje (koji prelaze raspon temperature). Posavjetujte se s tehničkim podacima kako biste bili sigurni da su vrijednosti otpora na-uključenja, struje napajanja i toplinskog otpora što niže.
● Specifikacije točnosti pogona izlazne struje također su kritične.
Dijagnostičke informacije ključne su za oporavak od određenih-radnih uvjeta-izvan raspona. Prvo, poželjne su dijagnostičke informacije za svaki izlazni kanal. To uključuje otkrivanje temperature, prekomjerne struje, otvorenog-kruga i kratkog-spoja. Iz perspektive-razine čipa, važna dijagnostika uključuje termalno isključivanje, VDD podnapon i SPI dijagnostiku. Potražite neke ili sve ove dijagnostike u integriranim digitalnim izlaznim uređajima.
Programabilni digitalni ulazno/izlazni uređaji
Integriranje DI i DO na IC omogućuje stvaranje konfigurabilnih proizvoda. Ovo je primjer 4-kanalnog proizvoda koji se može konfigurirati kao ulazi ili izlazi.
Slika 7.4 Konfigurabilni DI/DO proizvodi za rješenja za implementaciju kanala
Sadrži DIO jezgru, koja omogućuje konfiguraciju pojedinačnih kanala kao DI (tip 1/3 ili tip 2) ili digitalni izlaz u high-side ili push-pull modu. Ograničenje struje na DO može se postaviti od 130 mA do 1,2 A. Ugrađena-funkcija demagnetizacije. Prebacivanje između digitalnih ulaza tipa 1/3 i tipa 2 zahtijeva samo konfiguraciju pinova, eliminirajući potrebu za vanjskim otpornicima.
Ovi uređaji ne samo da se lako konfiguriraju, već su i dovoljno robusni za industrijska okruženja. To znači visoku ESD zaštitu, zaštitu od napona napajanja do 60 V i zaštitu od-na-zemlje prenapona.
Ovo služi kao primjer kako integrirani pristup može otključati veće mogućnosti (konfigurabilni DI/DO moduli).
Zaključak
Prilikom projektiranja digitalnih ulaznih ili izlaznih modula visoke{0}}gustoće, diskretna rješenja postaju nepraktična nakon što gustoća kanala prijeđe određeni prag. Integrirane opcije uređaja moraju se pažljivo procijeniti s obzirom na upravljanje toplinom, pouzdanost i veličinu.
Prilikom odabira integriranih DI ili DO uređaja, ključne podatkovne točke zaslužuju pozornost, uključujući pouzdane radne karakteristike, dijagnostiku i podršku za konfiguracije s više ulaza-izlaza.