Создание модулей цифрового ввода-вывода с высокой-канальной-плотностью для контроллеров промышленной автоматизации нового-поколения
[Введение] По мере того, как волна Индустрии 4.0 захлестывает мир, интеллектуальные датчики становятся все более распространенными в производственных средах. Широкое распространение датчиков приводит к существенному сдвигу: необходимости обрабатывать большие объемы ввода-вывода-как цифровые, так и аналоговые-в рамках устаревших контроллеров. Следовательно, разработка модулей ввода-вывода высокой-плотности, которые поддерживают управляемый размер и температурные профили, стала критически важной. В этой статье ADI фокусируется на цифровом вводе-выводе.
Обычно цифровой ввод-вывод в ПЛК состоит из дискретных компонентов, таких как резисторы/конденсаторы или отдельные драйверы полевых транзисторов. Чтобы минимизировать размер контроллера и одновременно обрабатывать в 2–4 раза больше каналов, отрасль переходит от дискретных решений к интегрированным.
Более того, дискретный подход имеет множество недостатков, особенно когда каждый модуль обрабатывает восемь или более каналов. Фактически, простого упоминания о высоком тепловыделении/мощности, огромном объеме дискретных компонентов (с учетом как размера, так и среднего времени наработки на отказ (MTBF)), а также необходимости надежных технических характеристик системы достаточно, чтобы продемонстрировать непрактичность дискретного подхода.
На рисунке 1 показаны технические проблемы, возникающие при создании модулей цифрового ввода (DI) и цифрового вывода (DO) высокой плотности-. Системы как DI, так и DO требуют тщательного рассмотрения размера и управления температурой.
Рис. 1. Рекомендации по использованию модулей цифрового ввода и вывода
Что касается цифровых входов, обратите внимание, что он поддерживает различные типы входов, включая входы класса 1/2/3, а в некоторых случаях входы 24 В и 48 В. Во всех сценариях надежность рабочих характеристик имеет первостепенное значение, и даже обнаружение обрыва-цепи имеет решающее значение.
Для цифровых выходов система использует различные конфигурации полевых транзисторов для управления нагрузками. Точность тока возбуждения обычно является ключевым фактором. Диагностика также должна учитываться во многих приложениях.
Ниже мы рассмотрим, как интегрированные решения могут помочь решить некоторые из этих проблем.
Проектирование модулей цифрового ввода с высокой-плотностью каналов-
Традиционные дискретные конструкции используют резисторные делители для преобразования сигналов 24 В/48 В в сигналы, используемые микроконтроллерами. Дискретные RC-фильтры также могут использоваться во входной части. Внешние оптопары иногда используются, когда требуется изоляция.
Рисунок 2 иллюстрирует типичный дискретный подход к построению цепей цифрового ввода.
Рисунок 2. Традиционная конструкция цифрового входа с использованием дискретной логикиЭтот тип конструкции подходит для определенного количества цифровых входов, а именно от 4 до 8 на плату. За пределами этого числа конструкция быстро становится непрактичной. Такой дискретный подход порождает различные проблемы, в том числе:
● Высокое энергопотребление и связанные с этим горячие точки на плате.
● Для каждого канала требуется отдельная оптопара.
● Чрезмерное количество компонентов приводит к низкой ставке FIT и может привести к необходимости использования более крупных устройств.
Что еще более важно, дискретный подход к проектированию подразумевает, что входной ток увеличивается линейно с входным напряжением. Рассмотрим входной резистор сопротивлением 2,2 кОм и напряжение VIN 24 В. Когда вход равен 1 (например, при 24 В), входной ток составляет 11 мА, что соответствует рассеиваемой мощности 264 мВт. 8-канальный модуль потребляет более 2 Вт, а 32-канальный — более 8 Вт. См. рисунок 3 ниже:
Рис. 3. Ориентировочная потребляемая мощность модуля цифрового ввода, построенного на дискретной логике
С точки зрения теплоснабжения такая дискретная конструкция не может поддерживать несколько каналов на одной плате.
Одним из ключевых преимуществ конструкций со встроенным цифровым входом является значительное снижение энергопотребления, что позволяет свести к минимуму тепловые требования. Большинство интегрированных устройств цифрового ввода позволяют настраивать ограничение входного тока, что позволяет существенно снизить энергопотребление.
Когда ограничение тока установлено на 2,6 мА, потребляемая мощность значительно снижается примерно до 60 мВт на канал. Номинальную потребляемую мощность для 8-канального модуля цифрового ввода теперь можно установить ниже 0,5 Вт, как показано на рисунке 4 ниже:
Рис. 4. Ориентировочная экономия энергии для модулей цифрового ввода с использованием встроенных микросхем цифрового ввода.
Другая причина против использования дискретных логических схем заключается в том, что модули DI иногда должны поддерживать разные типы входов. Опубликованный стандарт IEC-для цифровых входов 24 В определяет типы 1, 2 и 3. Типы 1 и 3 обычно используются вместе, поскольку их пределы тока и пороговые значения очень похожи. Тип 2 имеет более высокий предел тока — 6 мА. При дискретном подходе может потребоваться перепроектирование, поскольку большинству дискретных компонентов потребуется обновление.
Продукты со встроенным цифровым вводом обычно поддерживают все три типа. По сути, Тип 1 и Тип 3 обычно поддерживаются встроенными устройствами цифрового ввода. Однако для удовлетворения требований к минимальному току 6 мА для входов типа 2 два канала должны быть подключены параллельно для одного полевого входа. В регулировке нуждается только токоограничивающий резистор-. Это требует незначительной модификации печатной платы.
Например, современные устройства ADI DI имеют ограничение тока 3,5 мА/канал. Следовательно, как показано на рисунке, когда два канала используются параллельно и система должна иметь входы типа 2, резисторы REFDI и RIN необходимо отрегулировать. Для некоторых новых компонентов текущее значение также можно выбрать с помощью контактов или программного обеспечения.
Рис. 5. Параллельное использование двух каналов для поддержки двух цифровых входов-типа.
Для поддержки цифровых входных сигналов 48 В (нечастое требование) требуется аналогичный процесс, требующий добавления внешнего резистора для регулировки порога напряжения на конце возбуждения. Установите значение этого внешнего резистора так, чтобы «ограничение тока * R + порог» контакта соответствовало спецификации порога напряжения на конце поля (см. техническое описание устройства).
Наконец, поскольку модуль цифрового ввода подключается к датчикам, конструкция должна соответствовать надежным эксплуатационным характеристикам. При использовании дискретного решения эти функции защиты должны быть тщательно продуманы. При выборе встроенного цифрового устройства ввода убедитесь, что следующие параметры определены в соответствии с отраслевыми стандартами:
● Широкий диапазон входного напряжения (например, до 40 В).
● Возможность использования полевого питания (от 7 В до 65 В).
● Высокая устойчивость к электростатическому разряду (воздушный зазор ±15 кВ) и устойчивость к скачкам напряжения (обычно 1 кВ).
Обеспечение диагностики перенапряжения и перегрева также полезно для того, чтобы MCU мог предпринять соответствующие действия.
Проектирование модулей цифрового вывода с высокой-плотностью каналов-
Типичная конструкция дискретного цифрового выхода представляет собой полевой транзистор со схемой управления, управляемой микроконтроллером. Для настройки полевого транзистора для управления микроконтроллером можно использовать различные методы.
Выключатель нагрузки на верхней- стороне определяется как переключатель, управляемый внешним разрешающим сигналом, который подключает или отключает источник питания от данной нагрузки. По сравнению с переключателем нагрузки на нижней- стороне, переключатель на верхней- стороне подает ток на нагрузку, а переключатель на нижней- стороне подключает или отключает заземление нагрузки, потребляя ток от нагрузки. Хотя в обоих случаях используется один полевой транзистор, проблема с переключателями на нижней- стороне заключается в том, что нагрузка может замкнуться на землю. Переключатели на стороне верхнего- защищают нагрузку, предотвращая замыкания на землю. Однако реализация переключателей на стороне нижнего-обойдется дешевле. Иногда выходной драйвер также настраивается как двухтактный переключатель, для которого требуются два МОП-транзистора. См. рисунок 6 ниже:
Рисунок 6. Различные конфигурации, используемые для драйвера цифрового вывода
Интегрированные устройства DO могут объединять несколько каналов DO в один компонент. Поскольку верхняя-сторона, нижняя-сторона и двухтактные переключатели используют разные конфигурации полевых транзисторов, для реализации каждого типа выходного драйвера можно использовать разные устройства.
Встроенная-система размагничивания для индуктивных нагрузок
Ключевым преимуществом встроенных устройств цифрового вывода является встроенная-возможность размагничивания индуктивных нагрузок.
Индуктивной нагрузкой считается любое устройство, содержащее катушку, которая при включении обычно выполняет механическую работу,-например, электромагнитные клапаны, двигатели и приводы. Магнитное поле, создаваемое током, может перемещать контакты переключателей в реле или контакторах для управления электромагнитными клапанами или вращать вал двигателя. В большинстве случаев инженеры используют переключатели на стороне высокого-для управления индуктивными нагрузками. Задача заключается в разрядке индуктора, когда переключатель выключается и ток перестает поступать в нагрузку. Негативные последствия неправильной разрядки включают в себя: контакты реле могут вызвать искрение, большие отрицательные скачки напряжения могут повредить чувствительные микросхемы, а также возникают высокочастотные-шумы или электромагнитные помехи, что в конечном итоге влияет на производительность системы.
В дискретных решениях наиболее распространенным подходом к разрядке индуктивных нагрузок является использование обратного диода. В этой схеме, когда переключатель замкнут, диод смещен в обратном направлении- и не проводит ток. Когда ключ размыкается, отрицательное напряжение питания на индукторе смещает диод вперед-, рассеивая накопленную энергию, пропуская через него ток, пока не будет достигнуто устойчивое состояние с нулевым током.
Для многих приложений, особенно промышленных, где каждая карта ввода-вывода имеет несколько выходных каналов, этот диод часто имеет большие размеры, что значительно увеличивает стоимость и занимаемую площадь конструкции.
Современные устройства цифрового вывода реализуют эту функциональность внутренне, используя схему активного ограничения. Например, компания ADI использует запатентованную функцию SafeDemag™, которая позволяет устройствам цифрового вывода безопасно отключать нагрузки, не ограничиваясь индукторами. Для получения более подробной информации нажмите здесь, чтобы получить доступ к примечаниям по применению на веб-сайте.
При выборе цифровых устройств вывода необходимо учитывать несколько важных факторов. Внимательно просмотрите следующие характеристики в техническом паспорте:
● Проверьте максимальный номинальный постоянный ток и убедитесь, что несколько выходов могут быть включены параллельно, когда это необходимо для достижения более высокого тока.
● Убедитесь, что устройство вывода может управлять несколькими каналами с высоким-током (выходящим за пределы температурного диапазона). Ознакомьтесь с техническим описанием, чтобы убедиться, что значения сопротивления включения,-тока питания и термического сопротивления как можно ниже.
● Характеристики точности управления выходным током также имеют решающее значение.
Диагностическая информация жизненно важна для восстановления после определенных-выходящих- рабочих условий. Во-первых, желательна диагностическая информация для каждого выходного канала. Сюда входит обнаружение температуры, перегрузки по току, обрыва-цепи и короткого-замыкания. С точки зрения-уровня микросхемы, важная диагностика включает в себя отключение при перегреве, пониженное напряжение VDD и диагностику SPI. Ищите некоторые или все эти диагностические средства во встроенных устройствах цифрового вывода.
Программируемые цифровые устройства ввода/вывода
Интеграция DI и DO в микросхеме позволяет создавать настраиваемые продукты. Это пример 4-канального продукта, который можно настроить как входы или выходы.
Рисунок 7.4 Конфигурируемые продукты DI/DO для решений по реализации каналов
Он оснащен ядром DIO, позволяющим настраивать отдельные каналы как DI (тип 1/3 или тип 2) или цифровой выход в режиме высокого-стороны или двухтактном-режиме. Ограничение тока на DO можно установить в диапазоне от 130 мА до 1,2 А. Встроенная-функция размагничивания. Для переключения между цифровыми входами типа 1/3 и типа 2 требуется только конфигурация контактов, что исключает необходимость во внешних резисторах.
Эти устройства не только просты в настройке, но и достаточно прочны для промышленных условий. Это означает высокую защиту от электростатического разряда, защиту от напряжения источника питания до 60 В и защиту от перенапряжения между линией---землёй.
Это служит примером того, как интегрированный подход может открыть больше возможностей (конфигурируемые модули DI/DO).
Заключение
При разработке модулей цифрового ввода или вывода высокой-плотности дискретные решения становятся непрактичными, когда плотность каналов превышает определенный порог. Варианты интегрированных устройств должны быть тщательно оценены с точки зрения управления температурным режимом, надежности и размера.
При выборе интегрированных устройств DI или DO необходимо обратить внимание на ключевые параметры, включая надежные рабочие характеристики, диагностику и поддержку нескольких конфигураций входа-выхода.