Suure-kanali-tihedusega digitaalsete I/O-moodulite ehitamine järgmise-põlvkonna tööstusautomaatika kontrollerite jaoks
[Sissejuhatus] Kuna Industry 4.0 laine pühib üle maastiku, muutuvad nutikad andurid tehasekeskkondades üha levinumaks. Andurite laialdane kasutuselevõtt toob kaasa olulise nihke: vajadus töödelda pärandkontrollerites suuri I/O-mahtusid nii digitaal- kui ka analoog-. Järelikult on muutunud ülioluliseks suure{5}tihedusega I/O moodulite väljatöötamine, mis säilitavad hallatava suuruse ja soojusprofiilid. Selles artiklis keskendub ADI digitaalsele I/O-le.
Tavaliselt koosneb PLC-de digitaalne I/O diskreetsetest komponentidest, nagu takistid/kondensaatorid või eraldi FET-draiverid. Et minimeerida kontrolleri suurust, käsitsedes samal ajal 2–4 korda rohkem kanaleid, on tööstus nihkumas diskreetsetelt lahendustelt integreeritud lahendustele.
Lisaks on diskreetsel lähenemisel mitmeid puudusi, eriti kui iga moodul käsitleb kaheksat või enamat kanalit. Tegelikult piisab diskreetse lähenemisviisi ebapraktilisuse demonstreerimiseks ainuüksi mainimisest suurest soojus-/võimsuse hajumist, diskreetsete komponentide tohutut mahtu (arvestades nii suurust kui ka keskmist riketevahelist aega (MTBF)) ja vajadust usaldusväärsete süsteemi spetsifikatsioonide järele.
Joonis 1 illustreerib tehnilisi väljakutseid, millega tuleb kokku puutuda suure-tihedusega digitaalsisendi (DI) ja digitaalväljundi (DO) moodulite ehitamisel. Nii DI kui ka DO süsteemid nõuavad suuruse ja soojusjuhtimise hoolikat kaalumist.
Joonis 1. Digitaalsete sisend- ja väljundmoodulite kaalutlused
Digitaalsete sisendite puhul pidage meeles, et see toetab erinevaid sisenditüüpe, sealhulgas klassi 1/2/3 sisendeid ja mõnel juhul ka 24 V ja 48 V sisendeid. Kõigis stsenaariumides on töökindlad tööomadused ülimalt tähtsad ja isegi avatud-vooluahela tuvastamine on kriitiline.
Digitaalsete väljundite puhul kasutab süsteem koormuste juhtimiseks erinevaid FET-konfiguratsioone. Ajami voolu täpsus on tavaliselt võtmetähtsusega. Paljude rakenduste puhul tuleb arvesse võtta ka diagnostikat.
Allpool uurime, kuidas integreeritud lahendused aitavad mõnda neist väljakutsetest lahendada.
Suure-kanali-tihedusega digitaalsete sisendmoodulite projekteerimine
Traditsioonilised diskreetsed konstruktsioonid kasutavad takistijagamisvõrke, et teisendada 24V/48V signaale mikrokontrollerite poolt kasutatavateks signaalideks. Esiosas võib kasutada ka diskreetseid RC-filtreid. Vahel kasutatakse väliseid optroneid, kui on vaja isoleerida.
Joonis 2 illustreerib tüüpilist diskreetset lähenemisviisi digitaalsete sisendahelate koostamiseks.
Joonis 2. Diskreetloogikat kasutav traditsiooniline digitaalsisendi disainSeda tüüpi disain sobib teatud arvu digitaalsete sisendite jaoks, täpsemalt 4 kuni 8 plaadi kohta. Üle selle numbri muutub disain kiiresti ebapraktiliseks. See diskreetne lähenemisviis toob kaasa mitmesuguseid probleeme, sealhulgas:
● Suur energiatarve ja sellega seotud kuumad kohad plaadil.
● Iga kanal vajab eraldi optroni.
● Liigne komponendid põhjustavad madalaid FIT-i määrasid ja võivad vajada suuremaid seadmeid.
Veelgi kriitilisem on diskreetse disaini lähenemisviis, et sisendvool suureneb lineaarselt sisendpingega. Kaaluge 2,2 KΩ sisendtakistit ja 24 V VIN-i. Kui sisend on 1 (nt 24 V juures), on sisendvool 11 mA, mis võrdub 264 mW võimsuse hajumisega. 8-kanaliline moodul tarbib üle 2W, 32-kanaliline aga üle 8W. Vaata joonist 3 allpool:
Joonis 3. Diskreetloogikat kasutades konstrueeritud digitaalse sisendmooduli hinnanguline energiatarve
Ainuüksi soojuslikust vaatenurgast ei saa see diskreetne disain toetada mitut kanalit ühel plaadil.
Integreeritud digitaalsisendi disainilahenduste üks peamisi eeliseid on oluliselt väiksem energiatarve, mis vähendab soojusvajadust. Enamik integreeritud digitaalseid sisendseadmeid võimaldavad konfigureeritavat sisendvoolu piiramist, et oluliselt vähendada energiatarbimist.
Kui voolupiiranguks on seatud 2,6 mA, väheneb energiatarve märkimisväärselt, ligikaudu 60 mW-ni kanali kohta. 8-kanalilise digitaalse sisendmooduli nimivõimsuse tarbimise saab nüüd seada alla 0,5 vatti, nagu on näidatud alloleval joonisel 4.
Joonis 4. Integreeritud DI-kiipe kasutavate digitaalsete sisendmoodulite hinnanguline energiasääst
Teine põhjus diskreetse loogika kasutamise vastu on see, et DI-moodulid peavad mõnikord toetama erinevaid sisenditüüpe. IEC-avaldatud standard 24 V digitaalsisenditele määrab tüübid 1, 2 ja 3. Tüüpe 1 ja 3 kasutatakse tavaliselt koos, kuna nende voolu- ja lävipiirid on väga sarnased. Tüübil 2 on kõrgem voolupiirang 6mA. Diskreetse lähenemise korral võib osutuda vajalikuks ümberkujundamine, kuna enamik diskreetseid komponente vajaks värskendamist.
Integreeritud digitaalsisendi tooted toetavad üldiselt kõiki kolme tüüpi. Põhimõtteliselt toetavad tüüp 1 ja tüüp 3 tavaliselt integreeritud digitaalsed sisendseadmed. Kuid 2. tüüpi sisendite minimaalse 6 mA voolunõude täitmiseks tuleb ühe väljasisendi jaoks ühendada paralleelselt kaks kanalit. Ainult voolu{7}}piirav takisti vajab reguleerimist. See nõuab väikest PCB modifikatsiooni.
Näiteks praegustel ADI DI seadmetel on voolupiirang 3,5 mA kanali kohta. Seega, nagu on näidatud joonisel, kui paralleelselt kasutatakse kahte kanalit ja süsteem peab mahutama tüüp 2 sisendeid, tuleb REFDI ja RIN takistid reguleerida. Mõne uuema komponendi puhul saab hetkeväärtust valida ka tihvtide või tarkvara kaudu.
Joonis 5. Kahe kanali paralleelne kasutamine kahe -tüüpi digitaalsisendi toetamiseks
48 V digitaalsete sisendsignaalide toetamiseks (pole tavaline nõue) on vaja sarnast protsessi, mis nõuab välise takisti lisamist, et reguleerida pinge läve pingevälja otsas. Seadke selle välistakisti väärtus selliseks, et kontakti "voolupiir * R + lävi" vastaks pinge läve spetsifikatsioonile välja otsas (vt seadme andmelehte).
Lõpuks, kuna digitaalne sisendmoodul ühendub anduritega, peab konstruktsioon vastama usaldusväärsetele tööomadustele. Diskreetse lahenduse kasutamisel tuleb need kaitsefunktsioonid hoolikalt kavandada. Integreeritud digitaalse sisendseadme valimisel veenduge, et tööstusstandarditele vastavad järgmised näitajad:
● Lai sisendpinge vahemik (nt kuni 40 V).
● Võimalus kasutada väljavoolu (7V kuni 65V).
● Kõrge ESD tolerants (±15kV ESD õhuvahe) ja liigpingevõime (tavaliselt 1kV).
Ülepinge ja ületemperatuuri diagnostika on samuti kasulik, et MCU saaks võtta asjakohaseid meetmeid.
Kõrge{0}}kanali-tihedusega digitaalväljundmoodulite projekteerimine
Tüüpilisel diskreetse digitaalväljundi disainil on FET koos draiveriahelaga, mida juhib mikrokontroller. FET-i konfigureerimiseks mikrokontrolleri juhtimiseks saab kasutada erinevaid meetodeid.
Ülemine-külgmine koormuslüliti on määratletud kui lüliti, mida juhib väline lubamissignaal, mis ühendab või lahutab toiteallika antud koormusest. Võrreldes alumise-külgmise koormuslülitiga varustab ülemine-külgmine lüliti koormust vooluga, samas kui alumine-külglüliti ühendab või lahutab koormuse maandusühenduse, ammutades koormusest voolu. Kuigi mõlemad kasutavad ühte FET-i, on alumiste -külgmiste lülitite probleem selles, et koormus võib maandusega lühistada. Kõrged-külglülitid kaitsevad koormust, vältides maanduslühiseid. Siiski on madalate{10}külglülitite rakendamine odavam. Mõnikord on väljunddraiver konfigureeritud ka tõukelülitina, mis nõuab kahte MOSFET-i. Vaata joonist 6 allpool:
Joonis 6. Digitaalse väljunddraiveri jaoks kasutatud erinevad konfiguratsioonid
Integreeritud DO-seadmed võivad ühendada mitu DO-kanalit üheks komponendiks. Kuna kõrge-külje, madala-külje ja push-tõmbelülitid kasutavad erinevaid FET-i konfiguratsioone, saab igat tüüpi väljunddraiveri rakendamiseks kasutada erinevaid seadmeid.
Sisseehitatud{0}}demagnetiseerimine induktiivkoormuste jaoks
Integreeritud digitaalsete väljundseadmete peamine eelis on nende sisseehitatud{0}}demagnetiseerimisvõime induktiivsete koormuste jaoks.
Induktiivne koormus on mis tahes seade, mis sisaldab mähist, mis pingestatuna teeb tavaliselt mehaanilist tööd,{0}}nt solenoidventiilid, mootorid ja ajamid. Voolu tekitatud magnetväli võib liigutada releedes või kontaktorites olevaid lülitikontakte, et käitada solenoidventiile või pöörata mootori võlli. Enamikul juhtudel kasutavad insenerid induktiivkoormuste juhtimiseks kõrgeid-külglüliteid. Väljakutse seisneb induktiivpooli tühjendamises, kui lüliti lülitub välja ja vool lakkab koormusest voolamast. Ebaõige tühjenemise negatiivsed tagajärjed on järgmised: relee kontaktid võivad kaared, suured negatiivsed pingepiigid võivad kahjustada tundlikke IC-sid ja tekib kõrgsagedusmüra või EMI, mis lõpuks mõjutab süsteemi jõudlust.
Diskreetsete lahenduste puhul on induktiivsete koormuste tühjendamiseks kõige levinum vabakäigudioodi kasutamine. Selles vooluringis, kui lüliti on suletud, on diood vastupidine-pinge ja ei juhi. Kui lüliti avaneb, nihutab induktiivpooli negatiivne toitepinge edasi-dioodi, hajutades salvestatud energiat, juhtides seda läbi voolu, kuni saavutatakse nullvooluga püsiseisund.
Paljude rakenduste jaoks, eriti tööstuslikes rakendustes, kus igal I/O-kaardil on mitu väljundkanalit, on see diood sageli suur, suurendades oluliselt kulusid ja disaini jalajälge.
Kaasaegsed digitaalsed väljundseadmed rakendavad seda funktsiooni sisemiselt, kasutades aktiivset kinnitusahelat. Näiteks kasutab ADI patenteeritud SafeDemag™ funktsiooni, mis võimaldab digitaalsetel väljundseadmetel koormusi ohutult välja lülitada, ilma et neid induktiivpoolid piiraks. Lisateabe saamiseks klõpsake siin, et pääseda juurde veebisaidil olevale rakenduse märkusele.
Digitaalsete väljundseadmete valimisel tuleb arvestada mitmete kriitiliste teguritega. Vaadake andmelehel hoolikalt üle järgmised spetsifikatsioonid:
● Kontrollige maksimaalset pidevat voolutugevust ja veenduge, et mitut väljundit saab paralleelselt ühendada, kui see on vajalik suurema voolutugevuse draiverite saavutamiseks.
● Veenduge, et väljundseade suudab juhtida mitut kõrge{0}}voolukanalit (ületades temperatuurivahemiku). Vaadake andmelehte, et tagada takistuse, toitevoolu ja soojustakistuse väärtused võimalikult madalad.
● Kriitilised on ka väljundvoolu ajami täpsuse spetsifikatsioonid.
Diagnostikateave on teatud vahemikust väljas olevatest--töötingimustest taastumiseks ülioluline. Esiteks on soovitav diagnostiline teave iga väljundkanali kohta. See hõlmab temperatuuri, liigvoolu, avatud-vooluahela ja lühise{5}}tuvastust. Kiibi{7}}taseme vaatenurgast on oluline diagnostika termiline väljalülitus, VDD alapinge ja SPI diagnostika. Otsige mõnda või kõiki neid diagnostikaid integreeritud digitaalsetest väljundseadmetest.
Programmeeritavad digitaalsed sisend-/väljundseadmed
DI ja DO integreerimine IC-le võimaldab luua konfigureeritavaid tooteid. See on näide 4-kanalilisest tootest, mida saab konfigureerida kas sisenditeks või väljunditeks.
Joonis 7.4 Konfigureeritavad DI/DO tooted kanalite juurutamislahenduste jaoks
Sellel on DIO-tuum, mis võimaldab üksikuid kanaleid konfigureerida DI-na (tüüp 1/3 või tüüp 2) või digitaalväljundina kõrgel-külg- või tõmberežiimis{4}}. DO voolupiirangut saab seada vahemikus 130 mA kuni 1,2 A. Sisseehitatud -demagnetiseerimisfunktsioon. Tüüp 1/3 ja tüüp 2 digitaalsete sisendite vahel ümberlülitumiseks on vaja ainult kontaktide konfigureerimist, välistades vajaduse väliste takistite järele.
Neid seadmeid pole mitte ainult lihtne konfigureerida, vaid need on ka piisavalt vastupidavad tööstuslikes keskkondades. See tähendab kõrget ESD-kaitset, kuni 60 V toitepingekaitset ja liini---liigpingekaitset.
See on näide sellest, kuidas integreeritud lähenemisviis võib avada suuremaid võimalusi (konfigureeritavad DI/DO moodulid).
Järeldus
Suure{0}}tihedusega digitaalsete sisend- või väljundmoodulite kavandamisel muutuvad diskreetsed lahendused ebapraktiliseks, kui kanali tihedus ületab teatud läve. Integreeritud seadme valikuid tuleb hoolikalt hinnata soojusjuhtimise, töökindluse ja suuruse kaalutlustel.
Integreeritud DI- või DO-seadmete valimisel väärivad tähelepanu peamised andmepunktid, sealhulgas usaldusväärsed tööomadused, diagnostika ja mitme sisend{0}}väljundkonfiguratsiooni tugi.