Израда дигиталних И/О модула високе-каналне-густине за следећу-генерацију индустријских аутоматизованих контролера
[Увод] Како талас индустрије 4.0 запљускује крајолик, паметни сензори постају све заступљенији у фабричким окружењима. Широко усвајање сензора доводи до значајне промене: потребу за обрадом великих количина И/О-и дигиталних и аналогних-у оквиру застарелих контролера. Сходно томе, развој И/О модула високе{5}}густине који одржавају величину и термичке профиле којима се може управљати постао је критичан. У овом чланку, АДИ се фокусира на дигитални И/О.
Типично, дигитални И/О у ПЛЦ-овима се састоји од дискретних компоненти као што су отпорници/кондензатори или одвојени ФЕТ драјвери. Да би се смањила величина контролера уз руковање 2 до 4 пута више канала, индустрија прелази са дискретних на интегрисана решења.
Штавише, дискретни приступ има бројне недостатке, посебно када сваки модул рукује са осам или више канала. У ствари, само помињање велике топлотне/снаге дисипације, чисте запремине дискретних компоненти (узимајући у обзир и величину и средње време између кварова (МТБФ)) и потребу за поузданим системским спецификацијама довољно је да покаже непрактичност дискретног приступа.
Слика 1 илуструје техничке изазове са којима се сусрећу при изградњи модула дигиталног улаза (ДИ) и дигиталног излаза (ДО) високе{1}}високе густине. И ДИ и ДО системи захтевају пажљиво разматрање величине и управљања топлотом.
Слика 1. Разматрања за дигиталне улазне и излазне модуле
За дигиталне улазе, имајте на уму да подржава различите типове улаза, укључујући улазе класе 1/2/3, ау неким случајевима и 24В и 48В улазе. У свим сценаријима, поуздане радне карактеристике су најважније, па чак и откривање отвореног-кола је критично.
За дигиталне излазе, систем користи различите ФЕТ конфигурације за покретање оптерећења. Прецизност погонске струје је обично кључна ствар. Дијагностика се такође мора узети у обзир за многе примене.
У наставку истражујемо како интегрисана решења могу помоћи у решавању неких од ових изазова.
Дизајнирање дигиталних улазних модула високе{0}}каналне{1}}
Традиционални дискретни дизајни користе мреже отпорника за претворбу 24В/48В сигнала у сигнале које могу користити микроконтролери. Дискретни РЦ филтери се такође могу користити у предњем делу. Спољни оптокаплери се понекад користе када је потребна изолација.
Слика 2 илуструје типичан дискретни приступ за конструисање дигиталних улазних кола.
Слика 2. Дизајн традиционалног дигиталног улаза који користи дискретну логикуОвај тип дизајна је погодан за одређени број дигиталних улаза, тачније 4 до 8 по плочи. Изнад овог броја, дизајн брзо постаје непрактичан. Овај дискретни приступ уводи различита питања, укључујући:
● Велика потрошња енергије и повезане вруће тачке на плочи.
● Сваки канал захтева посебан оптокаплер.
● Прекомерне компоненте доводе до ниских стопа ФИТ-а и могу захтевати веће уређаје.
Још критичније, приступ дискретног дизајна имплицира да улазна струја расте линеарно са улазним напоном. Узмите у обзир улазни отпорник од 2,2 КΩ и ВИН од 24 В. Када је улаз 1 (нпр. на 24В), улазна струја је 11мА, што је једнако дисипацији снаге од 264мВ. 8-канални модул троши преко 2В, док 32-канални модул прелази 8В. Погледајте слику 3 испод:
Слика 3. Процењена потрошња енергије дигиталног улазног модула конструисаног коришћењем дискретне логике
Само из термичке перспективе, овај дискретни дизајн не може да подржи више канала на једној плочи.
Једна од кључних предности дизајна интегрисаних дигиталних улаза је значајно смањена потрошња енергије, чиме се минимизирају топлотни захтеви. Већина интегрисаних дигиталних улазних уређаја омогућава конфигурабилно ограничавање улазне струје на знатно нижу потрошњу енергије.
Када је струјна граница постављена на 2,6 мА, потрошња енергије значајно пада на приближно 60 мВ по каналу. Називна потрошња енергије за 8-канални дигитални улазни модул сада се може подесити испод 0,5 вати, као што је приказано на слици 4 испод:
Слика 4. Процењене уштеде енергије за дигиталне улазне модуле који користе интегрисане ДИ чипове
Други разлог против коришћења дискретних логичких дизајна је тај што ДИ модули понекад морају подржавати различите типове улаза. ИЕЦ-објављени стандард за 24В дигиталне улазе наводи типове 1, 2 и 3. Типови 1 и 3 се обично користе заједно јер су њихова струјна и гранична ограничења веома сличне. Тип 2 има вишу границу струје од 6мА. Са дискретним приступом, редизајн може бити потребан јер би већини дискретних компоненти било потребно ажурирање.
Производи са интегрисаним дигиталним улазом генерално подржавају сва три типа. У суштини, тип 1 и тип 3 обично подржавају интегрисани дигитални улазни уређаји. Међутим, да би се испунили минимални захтеви за струју од 6 мА за улазе типа 2, два канала морају бити повезана паралелно за један улаз поља. Само тренутни-ограничавајући отпорник треба да се прилагоди. Ово захтева мању модификацију ПЦБ-а.
На пример, тренутни АДИ ДИ уређаји имају ограничење струје од 3,5 мА/канал. Стога, као што је приказано на слици, када се два канала користе паралелно и систем мора да прихвати улазе типа 2, РЕФДИ и РИН отпорници морају бити подешени. За неке новије компоненте, тренутна вредност се такође може изабрати преко пинова или софтвера.
Слика 5. Коришћење два паралелна канала за подршку два-типа дигиталних улаза
Да би се подржали дигитални улазни сигнали од 48 В (није уобичајен захтев), потребан је сличан процес, који захтева додавање екстерног отпорника за подешавање прага напона на крају поља. Подесите вредност овог екстерног отпорника тако да пинова "ограничење струје * Р + праг" задовољава спецификацију прага напона на крају поља (погледајте лист са подацима о уређају).
Коначно, пошто се дигитални улазни модул повезује са сензорима, дизајн мора задовољити поуздане оперативне карактеристике. Када користите дискретно решење, ове заштитне карактеристике морају бити пажљиво дизајниране. Када бирате интегрисани дигитални улазни уређај, уверите се да је следеће одређено у складу са индустријским стандардима:
● Широк опсег улазног напона (нпр. до 40В).
● Могућност коришћења снаге поља (7В до 65В).
● Висока ЕСД толеранција (±15кВ ЕСД ваздушни јаз) и способност пренапона (обично 1кВ).
Пружање дијагностике пренапона и превисоке температуре је такође корисно како би се омогућило да МЦУ предузме одговарајуће радње.
Дизајнирање дигиталних излазних модула високе{0}}канала{1}}
Типичан дизајн дискретног дигиталног излаза карактерише ФЕТ са управљачким колом, покретаним микроконтролером. За конфигурисање ФЕТ-а за покретање микроконтролера могу се користити различите методе.
Горњи-прекидач оптерећења се дефинише као прекидач који контролише спољни сигнал за омогућавање који повезује или искључује напајање са датог оптерећења. У поређењу са доњим-бочним прекидачем оптерећења, горњи-бочни прекидач напаја струју у оптерећењу, док доњи-бочни прекидач повезује или раставља уземљење оптерећења, црпећи струју из оптерећења. Иако оба користе један ФЕТ, проблем са нижим-бочним прекидачима је тај што оптерећење може кратко да споји масу. Високи-бочни прекидачи штите оптерећење спречавањем кратких спојева у земљи. Међутим, ниски{10}}бочни прекидачи су јефтинији за примену. Понекад је излазни драјвер такође конфигурисан као пусх{12}}повуците прекидач, што захтева два МОСФЕТ-а. Погледајте слику 6 испод:
Слика 6. Различите конфигурације које се користе за драјвер дигиталног излаза
Интегрисани ДО уређаји могу комбиновати више ДО канала у једну компоненту. Пошто прекидачи на високој-страни, ниској-страни и пусх{3}}прекидачи користе различите ФЕТ конфигурације, различити уређаји могу да се користе за имплементацију сваког типа излазног драјвера.
Уграђена{0}}демагнетизација за индуктивна оптерећења
Кључна предност интегрисаних дигиталних излазних уређаја је њихова уграђена{0}}способност демагнетизације за индуктивна оптерећења.
Индуктивно оптерећење је сваки уређај који садржи калем који, када је под напоном, обично обавља механички рад-као што су електромагнетни вентили, мотори и актуатори. Магнетно поље генерисано струјом може померити контакте прекидача у релејима или контакторима да би управљали електромагнетним вентилима или ротирали осовину мотора. У већини случајева, инжењери користе високе{3}}бочне прекидаче за контролу индуктивног оптерећења. Изазов лежи у пражњењу индуктора када се прекидач искључи и струја престане да тече у оптерећење. Негативни ефекти неправилног пражњења обухватају: контакти релеја могу да се искриве, велики негативни напони могу да оштете осетљиве ИЦ-ове и генерише се високо{6}}шум високе фреквенције или ЕМИ, што на крају утиче на перформансе система.
У дискретним решењима, најчешћи приступ за пражњење индуктивних оптерећења је коришћење диоде слободног хода. У овом колу, када је склопка затворена, диода је обрнуто-напредна и не води. Када се прекидач отвори, негативни напон напајања преко индуктора напред-покреће диоду, расипајући ускладиштену енергију проводећи струју кроз њу све док се не постигне стабилно стање са нултом струјом.
За многе апликације, посебно оне индустријске где свака И/О картица има више излазних канала, ова диода је често велика, што значајно повећава трошкове и дизајн.
Модерни дигитални излазни уређаји имплементирају ову функцију интерно користећи активно коло за стезање. На пример, АДИ користи патентирану СафеДемаг™ функцију која омогућава дигиталним излазним уређајима да безбедно искључују оптерећења без ограничења индукторима. За више детаља, кликните овде да бисте приступили напомени о апликацији на веб локацији.
Приликом избора дигиталних излазних уређаја, потребно је узети у обзир неколико критичних фактора. Пажљиво прегледајте следеће спецификације у техничком листу:
● Проверите максималну континуалну струју и уверите се да више излаза може бити паралелно када је то потребно да би се постигли већи струјни драјвери.
● Уверите се да излазни уређај може да покреће више канала велике струје-(које прелазе температурни опсег). Погледајте технички лист да бисте били сигурни да су-вредности отпора, струје напајања и топлотног отпора што је могуће ниже.
● Спецификације тачности претварача излазне струје су такође критичне.
Дијагностичке информације су од виталног значаја за опоравак од одређених радних услова-ван{1}}области. Прво, пожељне су дијагностичке информације за сваки излазни канал. Ово укључује детекцију температуре, прекомерне струје, отвореног{4}}кола и кратког-споја. Из перспективе{7}}нивоа чипа, важна дијагностика укључује термичко гашење, поднапон ВДД и дијагностику СПИ. Потражите неке или све ове дијагностике у интегрисаним дигиталним излазним уређајима.
Програмабилни дигитални улазно/излазни уређаји
Интеграција ДИ и ДО на ИЦ омогућава креирање производа који се могу конфигурисати. Ово је пример 4-каналног производа који се може конфигурисати као улаз или излаз.
Слика 7.4 Конфигурабилни ДИ/ДО производи за решења за имплементацију канала
Поседује ДИО језгро, омогућавајући да појединачни канали буду конфигурисани као ДИ (Тип 1/3 или Тип 2) или дигитални излаз у хигх-бочном или пусх{4}} режиму. Ограничење струје на ДО може се подесити од 130мА до 1.2А. Уграђена-функција демагнетизације. Пребацивање између дигиталних улаза типа 1/3 и типа 2 захтева само конфигурацију пинова, елиминишући потребу за спољним отпорницима.
Ови уређаји нису само лаки за конфигурисање, већ су и довољно робусни за индустријска окружења. Ово се преводи у високу ЕСД заштиту, заштиту напона напајања до 60В и заштиту од -на-уземљења од пренапона.
Ово служи као пример како интегрисани приступ може да откључа веће могућности (конфигурабилни ДИ/ДО модули).
Закључак
Приликом пројектовања дигиталних улазних или излазних модула високе{0}}густине, дискретна решења постају непрактична када густина канала пређе одређени праг. Опције интегрисаних уређаја морају бити пажљиво процењене у погледу управљања топлотом, поузданости и величине.
Када бирате интегрисане ДИ или ДО уређаје, кључне тачке података захтевају пажњу, укључујући поуздане радне карактеристике, дијагностику и подршку за вишеструке улазне{0}}излазне конфигурације.