Construirea de module I/O digitale cu densitate mare-canal- pentru controlere de automatizare industrială de -generație următoare
[Introducere] Pe măsură ce valul Industriei 4.0 mătură peisajul, senzorii inteligenți devin din ce în ce mai răspândiți în mediile fabricilor. Adoptarea pe scară largă a senzorilor conduce la o schimbare semnificativă: necesitatea de a procesa volume mari de I/O-atât digitale, cât și analogice- în controlerele vechi. În consecință, dezvoltarea modulelor I/O de-densitate mare care să mențină dimensiunile gestionabile și profilele termice a devenit critică. În acest articol, ADI se concentrează pe I/O digitale.
În mod obișnuit, I/O digitală în PLC-uri constă din componente discrete, cum ar fi rezistențe/condensatori sau drivere FET separate. Pentru a minimiza dimensiunea controlerului în timp ce gestionează de 2 până la 4 ori mai multe canale, industria trece de la soluții discrete la soluții integrate.
Mai mult, abordarea discretă are numeroase dezavantaje, în special atunci când fiecare modul gestionează opt sau mai multe canale. De fapt, simpla mențiune de disipare termică/putere ridicată, volumul absolut al componentelor discrete (luând în considerare atât dimensiunea, cât și timpul mediu între defecțiuni (MTBF)) și nevoia de specificații de sistem fiabile este suficientă pentru a demonstra impracticabilitatea abordării discrete.
Figura 1 ilustrează provocările tehnice întâlnite la construirea modulelor de intrare digitală (DI) și de ieșire digitală (DO) cu densitate mare-. Atât sistemele DI cât și DO necesită o analiză atentă a dimensiunii și managementului termic.
Figura 1. Considerații pentru modulele de intrare și ieșire digitale
Pentru intrările digitale, rețineți că acceptă diferite tipuri de intrări, inclusiv intrări Clasa 1/2/3 și, în unele cazuri, intrări de 24 V și 48 V. În toate scenariile, caracteristicile de funcționare fiabile sunt primordiale și chiar și detectarea-circuitului deschis este critică.
Pentru ieșirile digitale, sistemul folosește diferite configurații FET pentru a conduce sarcini. Precizia curentului de acţionare este de obicei un aspect cheie. Diagnosticarea trebuie luată în considerare pentru multe aplicații.
Mai jos, explorăm modul în care soluțiile integrate pot ajuta la abordarea unora dintre aceste provocări.
Proiectarea modulelor de intrare digitală cu-canal-densitate mare
Modelele tradiționale discrete folosesc rețele de divizor de rezistență pentru a converti semnalele de 24V/48V în semnale utilizabile de microcontrolere. Filtrele RC discrete pot fi, de asemenea, utilizate în partea frontală. Optocuplele externe sunt uneori folosite când este necesară izolarea.
Figura 2 ilustrează o abordare discretă tipică pentru construirea circuitelor digitale de intrare.
Figura 2. Design tradițional de intrare digitală folosind logica discretăAcest tip de design este potrivit pentru un anumit număr de intrări digitale, în special 4 până la 8 pe placă. Dincolo de acest număr, designul devine rapid nepractic. Această abordare discretă introduce diverse probleme, inclusiv:
● Consum mare de energie și puncte fierbinți asociate pe placă.
● Fiecare canal necesită un optocupler separat.
● Componentele excesive duc la rate FIT scăzute și pot necesita dispozitive mai mari.
Mai critic, abordarea de proiectare discretă implică faptul că curentul de intrare crește liniar cu tensiunea de intrare. Luați în considerare un rezistor de intrare de 2,2 KΩ și VIN de 24 V. Când intrarea este 1 (de exemplu, la 24 V), curentul de intrare este de 11 mA, echivalent cu o putere disipată de 264 mW. Un modul cu 8 canale consumă peste 2 W, în timp ce un modul cu 32 de canale depășește 8 W. Vezi Figura 3 de mai jos:
Figura 3. Consumul de energie estimat al modulului de intrare digitală construit utilizând logica discretă
Numai din punct de vedere termic, acest design discret nu poate suporta mai multe canale pe o singură placă.
Unul dintre avantajele cheie ale modelelor de intrare digitală integrată este reducerea semnificativă a consumului de energie, reducând astfel la minimum cerințele termice. Majoritatea dispozitivelor de intrare digitală integrate permit limitarea curentului de intrare configurabil la un consum de energie substanțial mai mic.
Când limita de curent este setată la 2,6 mA, consumul de energie scade semnificativ la aproximativ 60 mW pe canal. Consumul nominal de energie pentru un modul de intrare digitală cu 8 canale poate fi acum setat sub 0,5 wați, așa cum se arată în Figura 4 de mai jos:
Figura 4. Economii estimate de energie pentru modulele de intrare digitală care utilizează cipuri DI integrate
Un alt motiv împotriva utilizării modelelor logice discrete este că modulele DI trebuie să suporte uneori diferite tipuri de intrare. Standardul IEC-publicat pentru intrările digitale de 24 V specifică Tipurile 1, 2 și 3. Tipurile 1 și 3 sunt utilizate în mod obișnuit împreună, deoarece limitele lor de curent și prag sunt foarte asemănătoare. Tipul 2 are o limită de curent mai mare de 6mA. Cu o abordare discretă, poate fi necesară o reproiectare, deoarece majoritatea componentelor discrete ar trebui actualizate.
Produsele de intrare digitală integrate acceptă în general toate cele trei tipuri. În esență, Tipul 1 și Tipul 3 sunt de obicei acceptate de dispozitive de intrare digitală integrate. Cu toate acestea, pentru a îndeplini cerințele minime de curent de 6mA pentru intrările de tip 2, două canale trebuie conectate în paralel pentru o singură intrare de câmp. Numai rezistorul de limitare de curent-are nevoie de ajustare. Acest lucru necesită o modificare minoră a PCB-ului.
De exemplu, dispozitivele ADI DI actuale au o limită de curent de 3,5 mA/canal. Prin urmare, așa cum se arată în figură, atunci când două canale sunt utilizate în paralel și sistemul trebuie să găzduiască intrări de tip 2, rezistențele REFDI și RIN trebuie ajustate. Pentru unele componente mai noi, valoarea curentă poate fi selectată și prin pini sau software.
Figura 5. Utilizarea a două canale în paralel pentru a accepta două intrări digitale de tip-
Pentru a suporta semnale de intrare digitale de 48 V (nu este o cerință comună), este necesar un proces similar, care necesită adăugarea unui rezistor extern pentru a regla pragul de tensiune la capătul câmpului. Setați valoarea acestui rezistor extern astfel încât „limita curentului * R + prag” a pinului să îndeplinească specificația pragului de tensiune la capătul câmpului (consultați fișa tehnică a dispozitivului).
În cele din urmă, deoarece modulul de intrare digitală se conectează la senzori, designul trebuie să îndeplinească caracteristici operaționale fiabile. Când utilizați o soluție discretă, aceste caracteristici de protecție trebuie proiectate cu atenție. Când selectați un dispozitiv de intrare digitală integrat, asigurați-vă că următoarele sunt determinate conform standardelor din industrie:
● Gamă largă de tensiune de intrare (de exemplu, până la 40V).
● Capacitatea de a utiliza puterea de câmp (7V până la 65V).
● Toleranță mare la ESD (± 15 kV ESD) și capacitate de supratensiune (de obicei 1 kV).
Furnizarea de diagnosticare a supratensiunii și supratemperaturii este, de asemenea, benefică pentru a permite MCU să ia măsurile adecvate.
Proiectarea modulelor de ieșire digitală cu{0}}canal-înaltă densitate
Un design tipic de ieșire digitală discretă prezintă un FET cu un circuit driver, condus de un microcontroler. Pot fi utilizate diferite metode pentru a configura FET-ul pentru a conduce microcontrolerul.
Un comutator de sarcină lateral-superioară este definit ca unul controlat de un semnal de activare extern care conectează sau deconectează sursa de alimentare de la o anumită sarcină. În comparație cu un comutator de sarcină-inferioară, un comutator-parte superior furnizează curent sarcinii, în timp ce un comutator lateral inferior-conectează sau deconectează conexiunea de masă a sarcinii, preluând curent din sarcină. Deși ambele folosesc un singur FET, problema cu comutatoarele laterale inferioare-este că sarcina poate scurtcircuita la masă. Comutatoarele laterale-înalte protejează sarcina prevenind scurtcircuitarea la masă. Cu toate acestea, comutatoarele laterale joase sunt mai puțin costisitoare de implementat. Uneori, driverul de ieșire este configurat și ca un comutator push-pull, necesitând două MOSFET. Vezi Figura 6 de mai jos:
Figura 6. Configurații diferite utilizate pentru driverul de ieșire digitală
Dispozitivele DO integrate pot combina mai multe canale DO într-o singură componentă. Întrucât comutatoarele-înalte, joase-și push-pull utilizează diferite configurații FET, se pot folosi dispozitive distincte pentru a implementa fiecare tip de driver de ieșire.
Demagnetizare încorporată-pentru încărcături inductive
Un avantaj esențial al dispozitivelor de ieșire digitale integrate este capacitatea lor de demagnetizare încorporată-pentru sarcini inductive.
O sarcină inductivă este orice dispozitiv care conține o bobină care, atunci când este alimentată, efectuează în mod obișnuit lucrări mecanice-cum ar fi supape solenoide, motoare și dispozitive de acționare. Câmpul magnetic generat de curent poate deplasa contactele comutatoarelor din relee sau contactoare pentru a acționa supapele solenoide sau poate roti axul unui motor. În cele mai multe cazuri, inginerii folosesc comutatoare laterale înalte-pentru a controla sarcinile inductive. Provocarea constă în descărcarea inductorului atunci când întrerupătorul se oprește și curentul încetează să mai circule în sarcină. Efectele negative ale descărcării necorespunzătoare includ: contactele releului se pot arcui, vârfurile mari de tensiune negative pot deteriora circuitele integrate sensibile și se generează zgomot de înaltă-frecvență sau EMI, care afectează în cele din urmă performanța sistemului.
În soluțiile discrete, cea mai comună abordare pentru descărcarea sarcinilor inductive este utilizarea unei diode cu roată liberă. În acest circuit, când comutatorul este închis, dioda este polarizată invers-și nu conduce. Când comutatorul se deschide, tensiunea de alimentare negativă peste inductor-polarizează înainte dioda, disipând energia stocată prin conducerea curentului prin ea până când este atinsă o stare constantă cu curent zero.
Pentru multe aplicații, în special pentru cele industriale în care fiecare placă I/O are mai multe canale de ieșire, această diodă este adesea mare, crescând semnificativ costurile și amprenta de proiectare.
Dispozitivele moderne de ieșire digitală implementează această funcționalitate intern folosind un circuit de prindere activ. De exemplu, ADI folosește o caracteristică patentată SafeDemag™ care permite dispozitivelor de ieșire digitală să oprească în siguranță sarcinile fără a fi constrânse de inductori. Pentru mai multe detalii, faceți clic aici pentru a accesa nota de aplicare pe site.
La selectarea dispozitivelor de ieșire digitală, trebuie luați în considerare câțiva factori critici. Consultați cu atenție următoarele specificații din fișa de date:
● Verificați valoarea maximă a curentului continuu și asigurați-vă că mai multe ieșiri pot fi conectate în paralel atunci când este necesar pentru a obține drivere de curent mai mari.
● Verificați că dispozitivul de ieșire poate conduce mai multe-canale cu curent ridicat (depășind intervalul de temperatură). Consultați fișa de date pentru a vă asigura că valorile-rezistenței, curentului de alimentare și rezistenței termice sunt cât mai mici posibil.
● Specificațiile de precizie ale unității de curent de ieșire sunt, de asemenea, critice.
Informațiile de diagnosticare sunt vitale pentru recuperarea din anumite condiții de operare-in afara-ramei. În primul rând, informațiile de diagnosticare pentru fiecare canal de ieșire sunt de dorit. Aceasta include temperatura, supracurent,-circuit deschis și scurt{5}}circuit. Dintr-o perspectivă la nivel de cip-, diagnosticele importante includ oprirea termică, subtensiunea VDD și diagnosticarea SPI. Căutați unele sau toate aceste diagnostice în dispozitivele de ieșire digitale integrate.
Dispozitive digitale de intrare/ieșire programabile
Integrarea DI și DO pe IC permite crearea de produse configurabile. Acesta este un exemplu de produs cu 4 canale care poate fi configurat fie ca intrări, fie ca ieșiri.
Figura 7.4 Produse DI/DO configurabile pentru soluții de implementare a canalului
Dispune de un nucleu DIO, permițând configurarea canalelor individuale ca DI (Tip 1/3 sau Tip 2) sau ieșire digitală în modul high-side sau push-pull. Limita de curent pentru DO poate fi setată de la 130 mA la 1,2 A. Funcție-de demagnetizare încorporată. Comutarea între intrările digitale de tip 1/3 și tip 2 necesită doar configurarea pinului, eliminând nevoia de rezistențe externe.
Aceste dispozitive nu sunt doar ușor de configurat, ci și suficient de robuste pentru mediile industriale. Acest lucru se traduce prin protecție ESD ridicată, protecție la tensiunea sursei de alimentare de până la 60 V și protecție la supratensiune de la linie{2}}la-la sol.
Acesta servește ca un exemplu al modului în care o abordare integrată poate debloca posibilități mai mari (module DI/DO configurabile).
Concluzie
Atunci când proiectați module de intrare sau ieșire digitale cu densitate mare-, soluțiile discrete devin impracticabile odată ce densitatea canalului depășește un anumit prag. Opțiunile dispozitivelor integrate trebuie evaluate cu atenție din punct de vedere al managementului termic, al fiabilității și al dimensiunii.
Atunci când selectați dispozitive DI sau DO integrate, punctele cheie de date merită atenție, inclusiv caracteristici de funcționare fiabile, diagnosticare și suport pentru configurații multiple de intrare-ieșiri.