Изграждане на цифрови входно/изходни модули с висока-канал-плотност за контролери за промишлена автоматизация от следващо-поколение
[Въведение] Тъй като вълната на Индустрия 4.0 обхваща пейзажа, интелигентните сензори стават все по-разпространени във фабричните среди. Широкото приемане на сензори води до значителна промяна: необходимостта от обработка на големи обеми I/O-както цифрови, така и аналогови-в рамките на наследени контролери. Следователно разработването на I/O модули с висока -плътност, които поддържат управляем размер и термични профили, стана критично важно. В тази статия ADI се фокусира върху цифров I/O.
Обикновено цифровият I/O в PLC се състои от отделни компоненти като резистори/кондензатори или отделни FET драйвери. За да минимизира размера на контролера, като същевременно обработва 2 до 4 пъти повече канали, индустрията преминава от дискретни към интегрирани решения.
Освен това, дискретният подход има множество недостатъци, особено когато всеки модул обработва осем или повече канала. Всъщност самото споменаване на високо разсейване на топлина/мощност, големия обем на дискретните компоненти (като се имат предвид както размерът, така и средното време между отказите (MTBF)) и необходимостта от надеждни системни спецификации е достатъчно, за да се демонстрира непрактичността на дискретния подход.
Фигура 1 илюстрира техническите предизвикателства, срещани при изграждането на модули за цифров вход (DI) и цифров изход (DO) с висока-плотност. Както DI, така и DO системите изискват внимателно обмисляне на размера и управлението на топлината.
Фигура 1. Съображения за цифрови входни и изходни модули
За цифрови входове имайте предвид, че поддържа различни типове входове, включително входове от клас 1/2/3, а в някои случаи и входове 24V и 48V. Във всички сценарии надеждните работни характеристики са от първостепенно значение и дори откриването на отворена- верига е критично.
За цифровите изходи системата използва различни FET конфигурации за управление на товари. Прецизността на задвижващия ток обикновено е ключово съображение. Диагностиката също трябва да се вземе предвид за много приложения.
По-долу изследваме как интегрираните решения могат да помогнат за справяне с някои от тези предизвикателства.
Проектиране на цифрови входни модули с висока{0}}канал-плътност
Традиционните дискретни дизайни използват резисторни разделителни мрежи за преобразуване на 24V/48V сигнали в сигнали, използвани от микроконтролери. Дискретни RC филтри също могат да се използват в предния край. Понякога се използват външни оптрони, когато е необходима изолация.
Фигура 2 илюстрира типичен дискретен подход за конструиране на цифрови входни вериги.
Фигура 2. Традиционен цифров входен дизайн, използващ дискретна логикаТози тип дизайн е подходящ за определен брой цифрови входове, по-специално от 4 до 8 на платка. Извън този брой, дизайнът бързо става непрактичен. Този дискретен подход въвежда различни проблеми, включително:
● Висока консумация на енергия и свързани горещи точки на платката.
● Всеки канал изисква отделен оптрон.
● Излишните компоненти водят до ниски стойности на FIT и може да наложат по-големи устройства.
По-критично, подходът на дискретния дизайн предполага, че входният ток нараства линейно с входното напрежение. Помислете за 2,2 KΩ входен резистор и 24 V VIN. Когато входът е 1 (напр. при 24V), входният ток е 11mA, което се равнява на разсейване на мощност от 264mW. 8-канален модул консумира над 2W, докато 32-канален модул надвишава 8W. Вижте фигура 3 по-долу:
Фигура 3. Прогнозна консумация на мощност на цифровия входен модул, конструиран с помощта на дискретна логика
Само от термична гледна точка този дискретен дизайн не може да поддържа множество канали на една платка.
Едно от ключовите предимства на интегрирания цифров вход е значително намаленото потребление на енергия, като по този начин се минимизират топлинните изисквания. Повечето интегрирани цифрови входни устройства позволяват конфигурируемо ограничаване на входния ток за значително по-ниска консумация на енергия.
Когато ограничението на тока е зададено на 2,6 mA, консумацията на енергия спада значително до приблизително 60 mW на канал. Номиналната консумация на енергия за 8-канален цифров входен модул вече може да бъде зададена под 0,5 вата, както е показано на фигура 4 по-долу:
Фигура 4. Очаквани икономии на енергия за цифрови входни модули, използващи интегрирани DI чипове
Друга причина срещу използването на дискретни логически дизайни е, че DI модулите понякога трябва да поддържат различни типове вход. IEC-публикуваният стандарт за 24V цифрови входове определя типове 1, 2 и 3. Типове 1 и 3 обикновено се използват заедно, тъй като техните граници на тока и прага са много сходни. Тип 2 има по-висока граница на тока от 6mA. При дискретен подход може да се наложи редизайн, тъй като повечето дискретни компоненти ще се нуждаят от актуализиране.
Продуктите с интегриран цифров вход обикновено поддържат и трите типа. По същество тип 1 и тип 3 обикновено се поддържат от интегрирани цифрови входни устройства. Въпреки това, за да се отговори на изискването за минимален ток от 6 mA за входове от тип 2, два канала трябва да бъдат свързани паралелно за един вход на полето. Само резисторът за-ограничаване на тока се нуждае от настройка. Това изисква малка модификация на PCB.
Например, настоящите ADI DI устройства имат ограничение на тока от 3,5 mA/канал. Следователно, както е показано на фигурата, когато два канала се използват паралелно и системата трябва да поддържа входове от тип 2, резисторите REFDI и RIN трябва да се регулират. За някои по-нови компоненти текущата стойност може също да бъде избрана чрез щифтове или софтуер.
Фигура 5. Използване на два канала паралелно за поддръжка на два -цифрови входа
За да се поддържат цифрови входни сигнали от 48 V (не е често срещано изискване), е необходим подобен процес, което налага добавянето на външен резистор за регулиране на прага на напрежението в края на полето. Задайте стойността на този външен резистор така, че "текущата граница * R + праг" на щифта да отговаря на спецификацията за прага на напрежението в края на полето (вижте листа с данни на устройството).
И накрая, тъй като цифровият входен модул се свързва със сензори, дизайнът трябва да отговаря на надеждни експлоатационни характеристики. Когато използвате дискретно решение, тези функции за защита трябва да бъдат внимателно проектирани. Когато избирате интегрирано цифрово входно устройство, уверете се, че следното е определено в съответствие с индустриалните стандарти:
● Широк обхват на входното напрежение (напр. до 40V).
● Възможност за използване на полево захранване (7V до 65V).
● Висок ESD толеранс (±15kV ESD въздушна междина) и способност за пренапрежение (обикновено 1kV).
Осигуряването на диагностика на пренапрежение и прегряване също е от полза, за да позволи на MCU да предприеме подходящи действия.
Проектиране на високо{0}}канални-модули с цифров изход
Типичният дизайн на дискретен цифров изход включва FET с драйверна верига, управлявана от микроконтролер. Могат да се използват различни методи за конфигуриране на FET за управление на микроконтролера.
Превключвател за натоварване от-горна страна се определя като управляван от външен активиращ сигнал, който свързва или изключва захранването от даден товар. В сравнение с долния-страничен превключвател на товара, горният-страничен превключвател доставя ток към товара, докато долният-страничен превключвател свързва или изключва заземяващата връзка на товара, черпейки ток от товара. Въпреки че и двата използват един FET, проблемът с превключвателите от долната-страна е, че товарът може да късо към земята. Високо{8}}страничните превключватели предпазват товара, като предотвратяват късо съединение. Превключвателите с ниска{10}}страна обаче са по-евтини за внедряване. Понякога изходният драйвер също е конфигуриран като бутон-издърпващ превключвател, изискващ два MOSFET-та. Вижте фигура 6 по-долу:
Фигура 6. Различни конфигурации, използвани за драйвера за цифров изход
Интегрираните DO устройства могат да комбинират множество DO канали в един компонент. Тъй като превключвателите с висока-страна, ниска-страна и push-pull превключватели използват различни FET конфигурации, различни устройства могат да се използват за прилагане на всеки тип изходен драйвер.
Вградено-размагнитване за индуктивни товари
Ключово предимство на интегрираните цифрови изходни устройства е тяхната вградена-способност за размагнитване за индуктивни товари.
Индуктивен товар е всяко устройство, съдържащо намотка, която, когато е под напрежение, обикновено извършва механична работа-като например електромагнитни клапани, двигатели и задвижващи механизми. Магнитното поле, генерирано от ток, може да движи контактите на превключвателя в релетата или контакторите, за да управлява електромагнитни вентили или да върти вала на мотора. В повечето случаи инженерите използват високи-странични превключватели за управление на индуктивни товари. Предизвикателството се състои в разреждането на индуктора, когато превключвателят се изключи и токът спре да тече в товара. Отрицателните ефекти от неправилно разреждане включват: релейните контакти могат да образуват дъга, големите отрицателни пикове на напрежението могат да повредят чувствителните интегрални схеми и се генерира високо-честотен шум или EMI, което в крайна сметка оказва влияние върху производителността на системата.
При дискретни решения най-често срещаният подход за разреждане на индуктивни товари е използването на свободен диод. В тази верига, когато ключът е затворен, диодът е обратно-предубеден и не провежда. Когато превключвателят се отвори, отрицателното захранващо напрежение през индуктора напред-измества диода, разсейвайки съхранената енергия чрез провеждане на ток през него, докато се достигне стабилно състояние с нулев ток.
За много приложения, особено индустриални, където всяка I/O карта има множество изходни канали, този диод често е голям, което значително увеличава разходите и дизайна.
Съвременните цифрови изходни устройства реализират тази функционалност вътрешно чрез активна затягаща верига. Например, ADI използва патентована функция SafeDemag™, която позволява на цифровите изходни устройства безопасно да изключват товари, без да бъдат ограничавани от индуктори. За повече подробности щракнете тук, за да получите достъп до бележката за приложението на уебсайта.
При избора на цифрови изходни устройства трябва да се имат предвид няколко критични фактора. Внимателно прегледайте следните спецификации в информационния лист:
● Проверете номиналния максимален постоянен ток и се уверете, че множество изходи могат да бъдат паралелни, когато е необходимо, за да постигнете по-високи токови драйвери.
● Уверете се, че изходното устройство може да управлява множество канали с висок-ток (надхвърлящ температурния диапазон). Консултирайте се с информационния лист, за да се уверите, че съпротивлението при включване, захранващият ток и топлинното съпротивление са възможно най-ниски.
● Спецификациите за точност на изходния ток на задвижването също са критични.
Диагностичната информация е жизненоважна за възстановяване от определени--работни условия извън диапазона. Първо, желателно е диагностична информация за всеки изходен канал. Това включва откриване на температура, свръхток, отворена-верига и-късо съединение. От гледна точка на ниво-чип, важната диагностика включва термично изключване, VDD ниско напрежение и SPI диагностика. Потърсете някои или всички от тези диагностики в интегрирани цифрови изходни устройства.
Програмируеми цифрови входно/изходни устройства
Интегрирането на DI и DO в IC позволява създаването на конфигурируеми продукти. Това е пример за 4-канален продукт, който може да бъде конфигуриран като входове или изходи.
Фигура 7.4 Конфигурируеми DI/DO продукти за решения за внедряване на канали
Той разполага с DIO ядро, което позволява отделни канали да бъдат конфигурирани като DI (Тип 1/3 или Тип 2) или цифров изход в режим на висока-страна или натискане-изтегляне. Текущото ограничение на DO може да се настрои от 130 mA до 1,2 A. Вградена-функция за размагнитване. Превключването между цифрови входове тип 1/3 и тип 2 изисква само конфигурация на щифтове, елиминирайки необходимостта от външни резистори.
Тези устройства са не само лесни за конфигуриране, но и достатъчно здрави за индустриални среди. Това означава висока ESD защита, защита на захранващото напрежение до 60 V и защита от пренапрежение линия-към-земя.
Това служи като пример за това как един интегриран подход може да отключи по-големи възможности (конфигурируеми DI/DO модули).
Заключение
При проектирането на цифрови входни или изходни модули с висока-плътност, дискретните решения стават непрактични, след като плътността на канала надвиши определен праг. Опциите на интегрираните устройства трябва да бъдат внимателно оценени за термично управление, надеждност и съображения за размер.
Когато избирате интегрирани DI или DO устройства, ключови точки от данни заслужават внимание, включително надеждни работни характеристики, диагностика и поддръжка за множество входно-изходни конфигурации.