Izgradnja digitalnih I/O modula visoke-kanalne-gustine za sljedeću-generaciju industrijskih automatizacijskih kontrolera
[Uvod] Kako talas industrije 4.0 zapljuskuje krajolik, pametni senzori postaju sve prisutniji u fabričkim okruženjima. Široko rasprostranjeno usvajanje senzora dovodi do značajne promjene: potrebu za obradom velikih količina I/O-digitalnih i analognih-unutar naslijeđenih kontrolera. Posljedično, razvoj I/O modula visoke{5}}gustine koji održavaju upravljivu veličinu i termalne profile postao je kritičan. U ovom članku, ADI se fokusira na digitalni I/O.
Tipično, digitalni I/O u PLC-ovima se sastoji od diskretnih komponenti kao što su otpornici/kondenzatori ili zasebni FET drajveri. Kako bi se smanjila veličina kontrolera uz rukovanje 2 do 4 puta više kanala, industrija prelazi sa diskretnih na integrirana rješenja.
Nadalje, diskretni pristup ima brojne nedostatke, posebno kada svaki modul rukuje sa osam ili više kanala. U stvari, samo pominjanje velike toplotne/snage disipacije, čistog volumena diskretnih komponenti (uzimajući u obzir i veličinu i srednje vrijeme između kvarova (MTBF)) i potrebu za pouzdanim sistemskim specifikacijama dovoljno je da pokaže nepraktičnost diskretnog pristupa.
Slika 1 ilustruje tehničke izazove sa kojima se susreću prilikom izgradnje modula digitalnog ulaza (DI) i digitalnog izlaza (DO) visoke{1}}velike gustine. I DI i DO sistemi 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 tipove ulaza, uključujući ulaze klase 1/2/3, au nekim slučajevima i 24V i 48V ulaze. U svim scenarijima, pouzdane radne karakteristike su najvažnije, pa čak i otkrivanje otvorenog-kola je kritično.
Za digitalne izlaze, sistem koristi različite FET konfiguracije za upravljanje opterećenjem. Preciznost pogonske struje je obično 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.
Dizajniranje digitalnih ulaznih modula visoke{0}}kanalne-gustine
Tradicionalni diskretni dizajni koriste mreže otporničkih razdjelnika za pretvaranje 24V/48V signala u signale koje mogu koristiti mikrokontroleri. Diskretni RC filteri se također mogu koristiti u prednjem dijelu. Eksterni optokapleri se ponekad koriste kada je potrebna izolacija.
Slika 2 ilustruje tipičan diskretni pristup za konstruisanje digitalnih ulaznih kola.
Slika 2. Dizajn tradicionalnog digitalnog ulaza koji koristi diskretnu logikuOvaj tip dizajna je pogodan za određeni broj digitalnih ulaza, tačnije 4 do 8 po ploči. Iznad ovog broja, dizajn brzo postaje nepraktičan. Ovaj diskretni pristup uvodi različite probleme, uključujući:
● Velika potrošnja energije i povezane vruće tačke na ploči.
● Svaki kanal zahteva poseban optokapler.
● Prekomjerne komponente dovode do niskih stopa FIT-a i mogu zahtijevati veće uređaje.
Još kritičnije, pristup diskretnog dizajna implicira da ulazna struja raste linearno sa ulaznim naponom. Uzmite u obzir ulazni otpornik od 2.2KΩ i 24V VIN. Kada je ulaz 1 (npr. na 24V), ulazna struja je 11mA, što je jednako disipaciji snage od 264mW. 8-kanalni modul troši preko 2W, dok 32-kanalni modul prelazi 8W. Pogledajte sliku 3 ispod:
Slika 3. Procijenjena potrošnja energije digitalnog ulaznog modula konstruiranog korištenjem diskretne logike
Samo iz termičke perspektive, ovaj diskretni dizajn ne može podržati više kanala na jednoj ploči.
Jedna od ključnih prednosti dizajna integriranih digitalnih ulaza je značajno smanjena potrošnja energije, čime se minimiziraju toplinski zahtjevi. Većina integrisanih digitalnih ulaznih uređaja omogućava konfigurabilno ograničavanje ulazne struje na znatno nižu potrošnju energije.
Kada je strujna granica postavljena 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 vati, kao što je prikazano na slici 4 ispod:
Slika 4. Procijenjene uštede energije za digitalne ulazne module koji koriste integrirane DI čipove
Drugi razlog protiv upotrebe diskretnih logičkih dizajna je taj što DI moduli ponekad moraju podržavati različite tipove ulaza. IEC-objavljeni standard za 24V digitalne ulaze specificira tipove 1, 2 i 3. Tipovi 1 i 3 se obično koriste zajedno jer su njihova strujna i granična ograničenja vrlo slične. Tip 2 ima višu granicu struje od 6mA. Uz diskretni pristup, redizajn može biti potreban jer bi većina diskretnih komponenti trebala ažurirati.
Proizvodi integriranog digitalnog ulaza općenito podržavaju sva tri tipa. U suštini, tip 1 i tip 3 obično podržavaju integrisani digitalni ulazni uređaji. Međutim, da bi se zadovoljio minimalni zahtjev za struju od 6 mA za ulaze tipa 2, dva kanala moraju biti povezana paralelno za jedan ulaz polja. Samo trenutni -ograničavajući otpornik treba podesiti. Ovo zahtijeva manju modifikaciju PCB-a.
Na primjer, trenutni 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 sistem 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. Korištenje dva paralelna kanala za podršku dva-tipa digitalnih ulaza
Da bi se podržali digitalni ulazni signali od 48 V (nije uobičajen zahtjev), potreban je sličan proces, koji zahtijeva dodavanje vanjskog otpornika za podešavanje praga napona na kraju polja. Postavite vrijednost ovog vanjskog otpornika tako da pinova "ograničenje struje * R + prag" zadovoljava specifikaciju praga napona na kraju polja (pogledajte tablicu sa podacima o uređaju).
Konačno, budući da se digitalni ulazni modul povezuje sa senzorima, dizajn mora zadovoljiti pouzdane operativne karakteristike. Kada koristite diskretno rješenje, ove zaštitne karakteristike moraju biti pažljivo dizajnirane. Prilikom odabira integriranog digitalnog ulaznog uređaja, osigurajte da je sljedeće određeno prema industrijskim standardima:
● Širok raspon ulaznog napona (npr. do 40V).
● Mogućnost korištenja polja snage (7V do 65V).
● Visoka ESD tolerancija (±15kV ESD vazdušni jaz) i sposobnost prenapona (obično 1kV).
Pružanje dijagnostike prenapona i prekomjerne temperature također je korisno kako bi se omogućilo MCU-u da preduzme odgovarajuće radnje.
Dizajniranje digitalnih izlaznih modula visoke{0}}kanalne-gustine
Tipičan dizajn diskretnog digitalnog izlaza sadrži FET sa upravljačkim kolom, pokretanim mikrokontrolerom. Različite metode se mogu koristiti za konfiguraciju FET-a za upravljanje mikrokontrolerom.
Gornji-prekidač opterećenja je definiran kao prekidač kojim upravlja vanjski signal za omogućavanje koji povezuje ili isključuje napajanje iz datog opterećenja. U poređenju sa donjom-bočnom sklopkom za opterećenje, gornji-bočni prekidač napaja struju u opterećenju, dok donji-bočni prekidač povezuje ili rastavlja uzemljenje opterećenja, crpeći struju iz opterećenja. Iako oba koriste jedan FET, problem sa nižim-bočnim prekidačima je taj što opterećenje može kratko spojiti masu. Visoki{8}}bočni prekidači štite opterećenje sprečavajući kratke spojeve uzemljenja. Međutim, nisko{10}}bačni prekidači su jeftiniji za implementaciju. Ponekad je izlazni drajver također konfiguriran kao push{12}}povucite prekidač, što zahtijeva dva MOSFET-a. Pogledajte sliku 6 ispod:
Slika 6. Različite konfiguracije koje se koriste za drajver digitalnog izlaza
Integrisani DO uređaji mogu kombinovati više DO kanala u jednu komponentu. Budući da prekidači na visokoj-strani, niskoj-strani i push{3}}prekidači koriste različite FET konfiguracije, različiti uređaji se mogu koristiti za implementaciju svake vrste izlaznog drajvera.
Ugrađena{0}}demagnetizacija za induktivna opterećenja
Ključna prednost integrisanih digitalnih izlaznih uređaja je njihova ugrađena-sposobnost demagnetizacije za induktivna opterećenja.
Induktivno opterećenje je svaki uređaj koji sadrži zavojnicu koja, kada je pod naponom, obično obavlja mehanički rad-kao što su elektromagnetni ventili, motori i aktuatori. Magnetno polje generirano strujom može pomicati kontakte prekidača u relejima ili kontaktorima za rad elektromagnetnih ventila ili rotirati osovinu motora. U većini slučajeva, inženjeri koriste visoke-bočne prekidače za kontrolu induktivnog opterećenja. Izazov leži u pražnjenju induktora kada se prekidač isključi i struja prestane da teče u opterećenje. Negativni efekti nepravilnog pražnjenja uključuju: kontakti releja mogu izazvati luk, veliki negativni naponi mogu oštetiti osjetljive IC-ove, i generiraju se visokofrekventni šum ili EMI, što na kraju utiče na performanse sistema.
U diskretnim rješenjima, najčešći pristup za pražnjenje induktivnih opterećenja je korištenje diode slobodnog hoda. U ovom kolu, kada je sklopka zatvorena, dioda je obrnuto-pristrasna i ne vodi. Kada se prekidač otvori, negativni napon napajanja preko induktora prema naprijed-pristranjuje diodu, rasipajući uskladištenu energiju provodeći struju kroz nju dok se ne postigne stabilno stanje sa nultom strujom.
Za mnoge aplikacije, posebno one 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 funkciju interno koristeći aktivni sklop za stezanje. Na primjer, ADI koristi patentiranu SafeDemag™ funkciju koja omogućava digitalnim izlaznim uređajima da bezbedno isključuju opterećenja bez ograničenja induktorima. Za više detalja, kliknite ovdje za pristup bilješci o aplikaciji na web stranici.
Prilikom odabira digitalnih izlaznih uređaja potrebno je uzeti u obzir nekoliko kritičnih faktora. Pažljivo pregledajte sljedeće specifikacije u tehničkom listu:
● Provjerite maksimalnu kontinualnu strujnu ocjenu i osigurajte da više izlaza može biti paralelno kada je to potrebno za postizanje veće struje drajvera.
● Provjerite da izlazni uređaj može pokretati više kanala visoke{0}}trenutne struje (koje prelaze temperaturni opseg). Pogledajte tablicu sa podacima kako biste osigurali -vrijednosti otpora, struje napajanja i termičkog otpora što je moguće niže.
● Specifikacije tačnosti pogona izlazne struje su takođe kritične.
Dijagnostičke informacije su od vitalnog značaja za oporavak od određenih radnih uvjeta-van{1}}oblasti. Prvo, poželjne su dijagnostičke informacije za svaki izlazni kanal. Ovo uključuje detekciju temperature, prekomjerne struje, otvorenog{4}}kruga i kratkog-spoja. Iz perspektive -nivoa čipa, važna dijagnostika uključuje termičko gašenje, podnapon VDD i dijagnostiku SPI. Potražite neke ili sve ove dijagnostike u integriranim digitalnim izlaznim uređajima.
Programabilni digitalni ulazno/izlazni uređaji
Integracija DI i DO na IC omogućava kreiranje proizvoda koji se mogu konfigurirati. Ovo je primjer 4-kanalnog proizvoda koji se može konfigurirati kao ulaz ili izlaz.
Slika 7.4 Konfigurabilni DI/DO proizvodi za rješenja implementacije kanala
Poseduje DIO jezgro, omogućavajući da se pojedinačni kanali konfigurišu kao DI (Tip 1/3 ili Tip 2) ili digitalni izlaz u high-side ili push{4}}pull modu. Ograničenje struje na DO može se postaviti od 130mA do 1.2A. Ugrađena-funkcija demagnetizacije. Prebacivanje između digitalnih ulaza tipa 1/3 i tipa 2 zahtijeva samo konfiguraciju pinova, eliminirajući potrebu za vanjskim otpornicima.
Ovi uređaji nisu samo jednostavni za konfiguraciju, već su i dovoljno robusni za industrijska okruženja. To znači visoku ESD zaštitu, zaštitu napona napajanja do 60V i zaštitu od -na-uzemljenja od prenapona.
Ovo služi kao primjer kako integrirani pristup može otključati veće mogućnosti (konfigurabilni DI/DO moduli).
Zaključak
Prilikom dizajniranja digitalnih ulaznih ili izlaznih modula visoke{0}}gustine, diskretna rješenja postaju nepraktična kada gustina kanala pređe određeni prag. Opcije integriranih uređaja moraju se pažljivo procijeniti u pogledu upravljanja toplinom, pouzdanosti i veličine.
Prilikom odabira integrisanih DI ili DO uređaja, ključne tačke podataka zaslužuju pažnju, uključujući pouzdane radne karakteristike, dijagnostiku i podršku za višestruke ulazne{0}}izlazne konfiguracije.