Δημιουργία μονάδων υψηλής-καναλιού-ψηφιακής εισόδου/εξόδου υψηλής πυκνότητας για ελεγκτές βιομηχανικού αυτοματισμού επόμενης- γενιάς
[Εισαγωγή] Καθώς το κύμα του Industry 4.0 σαρώνει όλο το τοπίο, οι έξυπνοι αισθητήρες γίνονται όλο και πιο διαδεδομένοι στα εργοστασιακά περιβάλλοντα. Η ευρεία υιοθέτηση αισθητήρων προκαλεί μια σημαντική αλλαγή: την ανάγκη επεξεργασίας μεγάλων όγκων I/O-τόσο ψηφιακής όσο και αναλογικής-μέσα σε παλαιού τύπου ελεγκτές. Κατά συνέπεια, η ανάπτυξη μονάδων I/O υψηλής πυκνότητας που διατηρούν διαχειρίσιμο μέγεθος και θερμικά προφίλ έχει καταστεί κρίσιμη. Σε αυτό το άρθρο, η ADI εστιάζει στην ψηφιακή I/O.
Συνήθως, η ψηφιακή είσοδος/έξοδος στα PLC αποτελείται από διακριτά στοιχεία όπως αντιστάσεις/πυκνωτές ή ξεχωριστούς οδηγούς FET. Για να ελαχιστοποιηθεί το μέγεθος του ελεγκτή ενώ χειρίζεται 2 έως 4 φορές περισσότερα κανάλια, η βιομηχανία μεταβαίνει από διακριτές σε ολοκληρωμένες λύσεις.
Επιπλέον, η διακριτή προσέγγιση έχει πολλά μειονεκτήματα, ιδιαίτερα όταν κάθε μονάδα χειρίζεται οκτώ ή περισσότερα κανάλια. Στην πραγματικότητα, η απλή αναφορά της υψηλής απαγωγής θερμικής/ισχύς, του τεράστιου όγκου των διακριτών εξαρτημάτων (λαμβάνοντας υπόψη τόσο το μέγεθος όσο και τον μέσο χρόνο μεταξύ βλαβών (MTBF)) και την ανάγκη για αξιόπιστες προδιαγραφές συστήματος αρκεί για να καταδείξει την πρακτικότητα της διακριτής προσέγγισης.
Το σχήμα 1 απεικονίζει τις τεχνικές προκλήσεις που αντιμετωπίζονται κατά την κατασκευή μονάδων ψηφιακής εισόδου (DI) και ψηφιακής εξόδου (DO) υψηλής πυκνότητας. Και τα δύο συστήματα DI και DO απαιτούν προσεκτική εξέταση του μεγέθους και της θερμικής διαχείρισης.
Εικόνα 1. Θεωρήσεις για τις μονάδες ψηφιακής εισόδου και εξόδου
Για ψηφιακές εισόδους, σημειώστε ότι υποστηρίζει διάφορους τύπους εισόδων, συμπεριλαμβανομένων των εισόδων Κλάσης 1/2/3, και σε ορισμένες περιπτώσεις, εισόδους 24V και 48V. Σε όλα τα σενάρια, τα αξιόπιστα χαρακτηριστικά λειτουργίας είναι πρωταρχικής σημασίας και ακόμη και η ανίχνευση ανοιχτού κυκλώματος-είναι κρίσιμη.
Για ψηφιακές εξόδους, το σύστημα χρησιμοποιεί διαφορετικές διαμορφώσεις FET για την οδήγηση φορτίων. Η ακρίβεια του ρεύματος μετάδοσης κίνησης είναι συνήθως βασικός παράγοντας. Τα διαγνωστικά πρέπει επίσης να λαμβάνονται υπόψη για πολλές εφαρμογές.
Παρακάτω, διερευνούμε πώς οι ολοκληρωμένες λύσεις μπορούν να βοηθήσουν στην αντιμετώπιση ορισμένων από αυτές τις προκλήσεις.
Σχεδιασμός μονάδων ψηφιακής εισόδου υψηλής-καναλιού-υψηλής πυκνότητας
Τα παραδοσιακά διακριτά σχέδια χρησιμοποιούν δίκτυα διαχωριστικών αντιστάσεων για τη μετατροπή σημάτων 24V/48V σε σήματα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από μικροελεγκτές. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν διακριτά φίλτρα RC στο μπροστινό μέρος. Μερικές φορές χρησιμοποιούνται εξωτερικοί οπτικοί συζεύκτες όταν απαιτείται απομόνωση.
Το σχήμα 2 απεικονίζει μια τυπική διακριτή προσέγγιση για την κατασκευή ψηφιακών κυκλωμάτων εισόδου.
Εικόνα 2. Παραδοσιακός σχεδιασμός ψηφιακών εισόδων με χρήση διακριτής λογικήςΑυτός ο τύπος σχεδίασης είναι κατάλληλος για συγκεκριμένο αριθμό ψηφιακών εισόδων, συγκεκριμένα 4 έως 8 ανά πλακέτα. Πέρα από αυτόν τον αριθμό, ο σχεδιασμός γίνεται γρήγορα μη πρακτικός. Αυτή η διακριτή προσέγγιση εισάγει διάφορα ζητήματα, όπως:
● Υψηλή κατανάλωση ενέργειας και σχετικά hot spots στην πλακέτα.
● Κάθε κανάλι απαιτεί ξεχωριστό οπτικό συζευκτήρα.
● Τα υπερβολικά εξαρτήματα οδηγούν σε χαμηλούς ρυθμούς FIT και μπορεί να απαιτήσουν μεγαλύτερες συσκευές.
Πιο κρίσιμα, η προσέγγιση διακριτού σχεδιασμού συνεπάγεται ότι το ρεύμα εισόδου αυξάνεται γραμμικά με την τάση εισόδου. Σκεφτείτε μια αντίσταση εισόδου 2,2 KΩ και VIN 24 V. Όταν η είσοδος είναι 1 (π.χ. στα 24 V), το ρεύμα εισόδου είναι 11 mA, που ισοδυναμεί με απαγωγή ισχύος 264 mW. Μια μονάδα 8 καναλιών καταναλώνει πάνω από 2W, ενώ μια μονάδα 32 καναλιών υπερβαίνει τα 8W. Δείτε την Εικόνα 3 παρακάτω:
Εικόνα 3. Εκτιμώμενη κατανάλωση ενέργειας της μονάδας ψηφιακής εισόδου που κατασκευάστηκε με χρήση διακριτής λογικής
Μόνο από θερμική άποψη, αυτός ο διακριτός σχεδιασμός δεν μπορεί να υποστηρίξει πολλαπλά κανάλια σε μία πλακέτα.
Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα των σχεδίων ολοκληρωμένων ψηφιακών εισόδων είναι η σημαντικά μειωμένη κατανάλωση ενέργειας, ελαχιστοποιώντας έτσι τις θερμικές απαιτήσεις. Οι περισσότερες ενσωματωμένες ψηφιακές συσκευές εισόδου επιτρέπουν ρυθμιζόμενο περιορισμό του ρεύματος εισόδου σε σημαντικά χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας.
Όταν το όριο ρεύματος έχει ρυθμιστεί στα 2,6 mA, η κατανάλωση ρεύματος μειώνεται σημαντικά σε περίπου 60 mW ανά κανάλι. Η ονομαστική κατανάλωση ενέργειας για μια μονάδα ψηφιακής εισόδου 8 καναλιών μπορεί τώρα να ρυθμιστεί κάτω από 0,5 watt, όπως φαίνεται στην Εικόνα 4 παρακάτω:
Εικόνα 4. Εκτιμώμενη εξοικονόμηση ενέργειας για μονάδες ψηφιακής εισόδου με χρήση ενσωματωμένων τσιπ DI
Ένας άλλος λόγος ενάντια στη χρήση διακριτών λογικών σχεδίων είναι ότι οι μονάδες DI μερικές φορές πρέπει να υποστηρίζουν διαφορετικούς τύπους εισόδου. Το δημοσιευμένο πρότυπο IEC-για ψηφιακές εισόδους 24V καθορίζει τους τύπους 1, 2 και 3. Οι τύποι 1 και 3 χρησιμοποιούνται συνήθως μαζί επειδή τα όρια ρεύματος και κατωφλίου είναι πολύ παρόμοια. Ο τύπος 2 έχει υψηλότερο όριο ρεύματος 6 mA. Με μια διακριτή προσέγγιση, ενδέχεται να απαιτείται επανασχεδιασμός, καθώς τα περισσότερα διακριτά στοιχεία θα χρειάζονταν ενημέρωση.
Τα προϊόντα ολοκληρωμένης ψηφιακής εισόδου υποστηρίζουν γενικά και τους τρεις τύπους. Ουσιαστικά, ο Τύπος 1 και ο Τύπος 3 υποστηρίζονται συνήθως από ενσωματωμένες ψηφιακές συσκευές εισόδου. Ωστόσο, για να ικανοποιηθεί η ελάχιστη απαίτηση ρεύματος 6 mA για τις εισόδους Τύπου 2, πρέπει να συνδεθούν παράλληλα δύο κανάλια για μία είσοδο πεδίου. Μόνο η τρέχουσα-περιοριστική αντίσταση χρειάζεται ρύθμιση. Αυτό απαιτεί μια μικρή τροποποίηση PCB.
Για παράδειγμα, οι τρέχουσες συσκευές ADI DI έχουν όριο ρεύματος 3,5 mA/κανάλι. Επομένως, όπως φαίνεται στο σχήμα, όταν δύο κανάλια χρησιμοποιούνται παράλληλα και το σύστημα πρέπει να δέχεται εισόδους τύπου 2, οι αντιστάσεις REFDI και RIN πρέπει να ρυθμιστούν. Για ορισμένα νεότερα εξαρτήματα, η τρέχουσα τιμή μπορεί επίσης να επιλεγεί μέσω pins ή λογισμικού.
Εικόνα 5. Χρήση δύο καναλιών παράλληλα για την υποστήριξη δύο-ψηφιακών εισόδων
Για την υποστήριξη ψηφιακών σημάτων εισόδου 48 V (όχι κοινή απαίτηση), απαιτείται παρόμοια διαδικασία, που απαιτεί την προσθήκη μιας εξωτερικής αντίστασης για τη ρύθμιση του ορίου τάσης στο άκρο του πεδίου. Ρυθμίστε την τιμή αυτής της εξωτερικής αντίστασης έτσι ώστε το "όριο ρεύματος * R + κατώφλι" της ακίδας να πληροί την προδιαγραφή κατωφλίου τάσης στο άκρο του πεδίου (ανατρέξτε στο φύλλο δεδομένων της συσκευής).
Τέλος, εφόσον η μονάδα ψηφιακής εισόδου συνδέεται με αισθητήρες, ο σχεδιασμός πρέπει να πληροί αξιόπιστα λειτουργικά χαρακτηριστικά. Όταν χρησιμοποιείτε μια διακριτή λύση, αυτά τα χαρακτηριστικά προστασίας πρέπει να σχεδιάζονται προσεκτικά. Όταν επιλέγετε μια ενσωματωμένη ψηφιακή συσκευή εισόδου, βεβαιωθείτε ότι τα ακόλουθα καθορίζονται σύμφωνα με τα βιομηχανικά πρότυπα:
● Ευρύ εύρος τάσης εισόδου (π.χ. έως 40 V).
● Δυνατότητα χρήσης ισχύος πεδίου (7V έως 65V).
● Υψηλή ανοχή ESD (±15kV διάκενο αέρα ESD) και ικανότητα υπέρτασης (συνήθως 1kV).
Η παροχή διαγνωστικών υπέρτασης και υπερθερμοκρασίας είναι επίσης επωφελής για να μπορέσει η MCU να λάβει τις κατάλληλες ενέργειες.
Σχεδιασμός μονάδων ψηφιακής εξόδου υψηλής-καναλιού-πυκνότητας
Ένας τυπικός σχεδιασμός διακριτής ψηφιακής εξόδου διαθέτει ένα FET με ένα κύκλωμα οδήγησης, που κινείται από έναν μικροελεγκτή. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορες μέθοδοι για τη διαμόρφωση του FET ώστε να οδηγεί τον μικροελεγκτή.
Ως άνω-πλευρικός διακόπτης φορτίου ορίζεται αυτός που ελέγχεται από ένα εξωτερικό σήμα ενεργοποίησης που συνδέει ή αποσυνδέει την παροχή ρεύματος από ένα δεδομένο φορτίο. Σε σύγκριση με έναν κάτω-πλευρικό διακόπτη φορτίου, ένας επάνω-πλευρικός διακόπτης παρέχει ρεύμα στο φορτίο, ενώ ένας κάτω-πλευρικός διακόπτης συνδέει ή αποσυνδέει τη σύνδεση γείωσης του φορτίου, αντλώντας ρεύμα από το φορτίο. Παρόλο που και οι δύο χρησιμοποιούν ένα μόνο FET, το πρόβλημα με τους χαμηλότερους-πλευρικούς διακόπτες είναι ότι το φορτίο μπορεί να βραχυκυκλώσει στη γείωση. Οι ψηλοί-πλευρικοί διακόπτες προστατεύουν το φορτίο αποτρέποντας τα σορτς γείωσης. Ωστόσο, οι χαμηλοί{10}}πλευρικοί διακόπτες είναι λιγότερο δαπανηροί στην εφαρμογή. Μερικές φορές, το πρόγραμμα οδήγησης εξόδου διαμορφώνεται επίσης ως διακόπτης ώθησης-έλξης, που απαιτεί δύο MOSFET. Δείτε την Εικόνα 6 παρακάτω:
Εικόνα 6. Διαφορετικές διαμορφώσεις που χρησιμοποιούνται για το πρόγραμμα οδήγησης ψηφιακής εξόδου
Οι ενσωματωμένες συσκευές DO μπορούν να συνδυάσουν πολλά κανάλια DO σε ένα μόνο στοιχείο. Εφόσον οι διακόπτες υψηλής-πλευρής, χαμηλής-πλευρικής και ώθησης-τραβήγματος χρησιμοποιούν διαφορετικές διαμορφώσεις FET, μπορούν να χρησιμοποιηθούν διαφορετικές συσκευές για την υλοποίηση κάθε τύπου προγράμματος οδήγησης εξόδου.
Ενσωματωμένος-απομαγνητισμός για επαγωγικά φορτία
Ένα βασικό πλεονέκτημα των ενσωματωμένων συσκευών ψηφιακής εξόδου είναι η ενσωματωμένη-ικανότητά τους απομαγνήτισης για επαγωγικά φορτία.
Επαγωγικό φορτίο είναι κάθε συσκευή που περιέχει ένα πηνίο το οποίο, όταν ενεργοποιείται, εκτελεί συνήθως μηχανικές εργασίες-όπως ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες, κινητήρες και ενεργοποιητές. Το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το ρεύμα μπορεί να μετακινήσει τις επαφές του διακόπτη σε ρελέ ή επαφές για να λειτουργήσουν ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες ή να περιστρέψουν τον άξονα ενός κινητήρα. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι μηχανικοί χρησιμοποιούν υψηλούς-πλευρικούς διακόπτες για τον έλεγχο των επαγωγικών φορτίων. Η πρόκληση έγκειται στην εκφόρτιση του επαγωγέα όταν ο διακόπτης σβήσει και το ρεύμα παύει να ρέει στο φορτίο. Οι αρνητικές επιπτώσεις από την ακατάλληλη εκφόρτιση περιλαμβάνουν: οι επαφές του ρελέ μπορεί να σχηματίσουν τόξο, οι μεγάλες αρνητικές αιχμές τάσης μπορούν να προκαλέσουν βλάβη σε ευαίσθητα IC και δημιουργείται θόρυβος υψηλής- συχνότητας ή EMI, που τελικά επηρεάζουν την απόδοση του συστήματος.
Σε διακριτές λύσεις, η πιο κοινή προσέγγιση για την εκφόρτιση επαγωγικών φορτίων είναι η χρήση μιας δίοδος ελεύθερου τροχού. Σε αυτό το κύκλωμα, όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, η δίοδος είναι-αντίστροφη και δεν αγωγίζεται. Όταν ανοίγει ο διακόπτης, η αρνητική τάση τροφοδοσίας κατά μήκος του επαγωγέα προς τα εμπρός-πιέζει τη δίοδο, διαχέοντας την αποθηκευμένη ενέργεια διοχετεύοντας ρεύμα μέσω αυτού μέχρι να επιτευχθεί μια σταθερή κατάσταση με μηδενικό ρεύμα.
Για πολλές εφαρμογές, ιδιαίτερα βιομηχανικές όπου κάθε κάρτα I/O έχει πολλαπλά κανάλια εξόδου, αυτή η δίοδος είναι συχνά μεγάλη, αυξάνοντας σημαντικά το κόστος και το αποτύπωμα σχεδιασμού.
Οι σύγχρονες ψηφιακές συσκευές εξόδου υλοποιούν αυτή τη λειτουργία εσωτερικά χρησιμοποιώντας ένα ενεργό κύκλωμα σύσφιξης. Για παράδειγμα, το ADI χρησιμοποιεί μια κατοχυρωμένη με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας δυνατότητα SafeDemag™ που επιτρέπει στις ψηφιακές συσκευές εξόδου να απενεργοποιούν με ασφάλεια τα φορτία χωρίς να περιορίζονται από επαγωγείς. Για περισσότερες λεπτομέρειες, κάντε κλικ εδώ για πρόσβαση στη σημείωση της εφαρμογής στον ιστότοπο.
Κατά την επιλογή συσκευών ψηφιακής εξόδου, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη αρκετοί κρίσιμοι παράγοντες. Ελέγξτε προσεκτικά τις ακόλουθες προδιαγραφές στο φύλλο δεδομένων:
● Ελέγξτε τη μέγιστη ονομαστική τιμή συνεχούς ρεύματος και βεβαιωθείτε ότι μπορούν να παραλληλιστούν πολλαπλές έξοδοι όταν χρειάζεται για την επίτευξη υψηλότερων οδηγών ρεύματος.
● Επαληθεύστε ότι η συσκευή εξόδου μπορεί να οδηγεί πολλά κανάλια υψηλής-ρεύματος (που υπερβαίνουν το εύρος θερμοκρασίας). Συμβουλευτείτε το φύλλο δεδομένων για να βεβαιωθείτε ότι οι τιμές της αντίστασης, του ρεύματος τροφοδοσίας και της θερμικής αντίστασης είναι όσο το δυνατόν χαμηλότερες.
● Οι προδιαγραφές ακρίβειας της μονάδας ρεύματος εξόδου είναι επίσης κρίσιμες.
Οι διαγνωστικές πληροφορίες είναι ζωτικής σημασίας για την ανάκτηση από ορισμένες συνθήκες λειτουργίας εκτός εύρους. Πρώτον, είναι επιθυμητές διαγνωστικές πληροφορίες για κάθε κανάλι εξόδου. Αυτό περιλαμβάνει ανίχνευση θερμοκρασίας, υπερέντασης, ανοιχτού{4}}κυκλώματος και βραχυκυκλώματος-. Από την άποψη του επιπέδου{7}}τσιπ, τα σημαντικά διαγνωστικά περιλαμβάνουν θερμικό τερματισμό λειτουργίας, χαμηλή τάση VDD και διαγνωστικά SPI. Αναζητήστε μερικά ή όλα αυτά τα διαγνωστικά σε ενσωματωμένες ψηφιακές συσκευές εξόδου.
Προγραμματιζόμενες ψηφιακές συσκευές εισόδου/εξόδου
Η ενσωμάτωση DI και DO στο IC επιτρέπει τη δημιουργία διαμορφώσιμων προϊόντων. Αυτό είναι ένα παράδειγμα προϊόντος 4 καναλιών που μπορεί να διαμορφωθεί είτε ως είσοδοι είτε ως έξοδοι.
Εικόνα 7.4 Προϊόντα DI/DO με δυνατότητα διαμόρφωσης για λύσεις υλοποίησης καναλιών
Διαθέτει πυρήνα DIO, που επιτρέπει τη διαμόρφωση μεμονωμένων καναλιών ως DI (Τύπου 1/3 ή Τύπος 2) ή ψηφιακή έξοδο σε λειτουργία υψηλής-πλευρικής ή ώθησης-τραβήγματος. Το τρέχον όριο στο DO μπορεί να ρυθμιστεί από 130mA σε 1,2A. Ενσωματωμένη-λειτουργία απομαγνήτισης. Η εναλλαγή μεταξύ ψηφιακών εισόδων Τύπου 1/3 και Τύπου 2 απαιτεί μόνο διαμόρφωση ακίδων, εξαλείφοντας την ανάγκη για εξωτερικές αντιστάσεις.
Αυτές οι συσκευές δεν είναι μόνο εύκολες στη διαμόρφωση αλλά και αρκετά ανθεκτικές για βιομηχανικά περιβάλλοντα. Αυτό μεταφράζεται σε υψηλή προστασία ESD, προστασία από τάση τροφοδοσίας έως 60 V και προστασία από υπερτάσεις γραμμής-σε-γείωσης.
Αυτό χρησιμεύει ως παράδειγμα για το πώς μια ολοκληρωμένη προσέγγιση μπορεί να ξεκλειδώσει μεγαλύτερες δυνατότητες (διαμορφώσιμες μονάδες DI/DO).
Σύναψη
Κατά τον σχεδιασμό μονάδων ψηφιακής εισόδου ή εξόδου υψηλής{0}}πυκνότητας, οι διακριτές λύσεις δεν είναι πρακτικές όταν η πυκνότητα καναλιού υπερβεί ένα συγκεκριμένο όριο. Οι επιλογές των ενσωματωμένων συσκευών πρέπει να αξιολογούνται προσεκτικά ως προς τη θερμική διαχείριση, την αξιοπιστία και το μέγεθος.
Κατά την επιλογή ενσωματωμένων συσκευών DI ή DO, τα βασικά σημεία δεδομένων απαιτούν την προσοχή, συμπεριλαμβανομένων αξιόπιστων λειτουργικών χαρακτηριστικών, διαγνωστικών και υποστήριξης για διαμορφώσεις πολλαπλών εισόδων-εξόδων.