Didelio{0}}kanalo-tankio skaitmeninių I/O modulių

Didelio{0}}kanalo-tankio skaitmeninių I/O modulių kūrimas naujos-kartos pramoninės automatikos valdikliams

[Įvadas] Pramonės 4.0 bangai sklindant per kraštovaizdį, išmanieji jutikliai tampa vis labiau paplitę gamyklos aplinkoje. Plačiai paplitęs jutiklių naudojimas lemia reikšmingą pokytį: reikia apdoroti didelius įvesties / išvesties -tiek skaitmeninius, tiek analoginius- kiekius senuose valdikliuose. Todėl labai svarbu sukurti didelio-tankio įvesties/išvesties modulius, išlaikančius valdomą dydį ir šiluminius profilius. Šiame straipsnyje ADI daugiausia dėmesio skiria skaitmeninei I/O.

Paprastai PLC skaitmeninis įvestis / išvestis susideda iš atskirų komponentų, tokių kaip rezistoriai / kondensatoriai arba atskiros FET tvarkyklės. Siekiant sumažinti valdiklio dydį ir valdyti 2–4 kartus daugiau kanalų, pramonė pereina nuo atskirų prie integruotų sprendimų.

Be to, diskretiškas metodas turi daug trūkumų, ypač kai kiekvienas modulis valdo aštuonis ar daugiau kanalų. Tiesą sakant, vien paminėjimo apie didelį šiluminį / galios sklaidą, didžiulį atskirų komponentų kiekį (atsižvelgiant į dydį ir vidutinį laiką tarp gedimų (MTBF)) ir patikimų sistemos specifikacijų poreikį pakanka, kad būtų parodytas atskiro metodo nepraktiškumas.
1 paveiksle pavaizduoti techniniai iššūkiai, su kuriais susiduriama kuriant didelio-tankio skaitmeninės įvesties (DI) ir skaitmeninės išvesties (DO) modulius. Tiek DI, tiek DO sistemose reikia atidžiai apsvarstyti dydį ir šilumos valdymą.

1 pav. Skaitmeninių įvesties ir išvesties modulių svarstymai

Skaitmeniniams įvestims atkreipkite dėmesį, kad jis palaiko įvairius įvesties tipus, įskaitant 1/2/3 klasės įvestis, o kai kuriais atvejais – 24 V ir 48 V įvestis. Visais atvejais patikimos veikimo charakteristikos yra svarbiausios, o net atviros{6}}grandinės aptikimas yra labai svarbus.

Skaitmeniniams išėjimams sistema naudoja skirtingas FET konfigūracijas apkrovoms valdyti. Pavaros srovės tikslumas paprastai yra pagrindinis veiksnys. Daugelyje programų taip pat turi būti atsižvelgiama į diagnostiką.

Toliau nagrinėjame, kaip integruoti sprendimai gali padėti išspręsti kai kuriuos iš šių iššūkių.

Didelio{0}}kanalo-tankio skaitmeninių įvesties modulių projektavimas

Tradiciniai atskiri dizainai naudoja rezistorių skirstytuvus, kad 24 V / 48 V signalus paverstų signalais, kuriuos gali naudoti mikrovaldikliai. Priekyje taip pat gali būti naudojami atskiri RC filtrai. Kai reikia izoliuoti, kartais naudojami išoriniai optronai.

2 paveiksle parodytas tipiškas diskretiškas skaitmeninių įvesties grandinių konstravimo metodas.

2 pav. Tradicinis skaitmeninės įvesties dizainas naudojant diskrečiąją logiką

Šio tipo dizainas tinka tam tikram skaitmeninių įėjimų skaičiui, ypač nuo 4 iki 8 vienoje plokštėje. Neviršijant šio skaičiaus, dizainas greitai tampa nepraktiškas. Šis diskretiškas metodas kelia įvairių problemų, įskaitant:

● Didelis energijos suvartojimas ir susijusios karštosios plokštės vietos.
● Kiekvienam kanalui reikalingas atskiras optronas.
● Dėl pernelyg didelių komponentų FIT rodikliai maži, todėl gali prireikti didesnių įrenginių.

Dar svarbiau, kad diskrečios konstrukcijos metodas reiškia, kad įvesties srovė didėja tiesiškai didėjant įėjimo įtampai. Apsvarstykite 2,2 kΩ įvesties rezistorių ir 24 V VIN. Kai įvestis yra 1 (pvz., esant 24 V įtampai), įvesties srovė yra 11 mA, o tai prilygsta 264 mW galios išsklaidymui. 8 kanalų modulis sunaudoja daugiau nei 2 W, o 32 kanalų modulis viršija 8 W. Žiūrėkite 3 paveikslą žemiau:

3 pav. Numatomas skaitmeninio įvesties modulio, pagaminto naudojant diskrečiąją logiką, suvartojimas

Vien šiluminiu požiūriu ši atskira konstrukcija negali palaikyti kelių kanalų vienoje plokštėje.

Vienas iš pagrindinių integruotos skaitmeninės įvesties privalumų yra žymiai sumažintas energijos suvartojimas, taip sumažinant šilumos poreikį. Dauguma integruotų skaitmeninių įvesties įrenginių leidžia konfigūruoti įvesties srovės apribojimą, kad būtų žymiai sumažintas energijos suvartojimas.

Kai srovės riba yra 2,6 mA, energijos suvartojimas žymiai sumažėja iki maždaug 60 mW vienam kanalui. 8 kanalų skaitmeninio įvesties modulio vardinis energijos suvartojimas dabar gali būti nustatytas žemiau 0,5 vato, kaip parodyta 4 paveiksle:

4 pav. Numatomas energijos taupymas skaitmeniniams įvesties moduliams naudojant integruotus DI lustus

Kita priežastis, dėl kurios negalima naudoti atskirų loginių konstrukcijų, yra ta, kad DI moduliai kartais turi palaikyti skirtingus įvesties tipus. IEC-paskelbtame 24 V skaitmeninių įėjimų standarte nurodyti 1, 2 ir 3 tipai. 1 ir 3 tipai paprastai naudojami kartu, nes jų srovės ir slenkstinės ribos yra labai panašios. 2 tipo srovės riba yra didesnė – 6 mA. Taikant atskirą metodą, gali prireikti perdaryti, nes daugumą atskirų komponentų reikės atnaujinti.

Integruoti skaitmeninio įvesties produktai paprastai palaiko visus tris tipus. Iš esmės 1 ir 3 tipą paprastai palaiko integruoti skaitmeniniai įvesties įrenginiai. Tačiau norint patenkinti minimalų 6 mA srovės reikalavimą 2 tipo įvestims, viename lauko įėjime turi būti lygiagrečiai prijungti du kanalai. Tik dabartinį-ribojantį rezistorių reikia koreguoti. Tam reikia nedidelio PCB modifikavimo.

Pavyzdžiui, dabartiniai ADI DI įrenginiai turi 3,5 mA/kanalo srovės ribą. Todėl, kaip parodyta paveikslėlyje, kai lygiagrečiai naudojami du kanalai ir sistemoje turi būti 2 tipo įėjimai, turi būti sureguliuoti REFDI ir RIN rezistoriai. Kai kuriems naujesniems komponentams esamą vertę taip pat galima pasirinkti naudojant kaiščius arba programinę įrangą.

5 pav. Dviejų kanalų naudojimas lygiagrečiai, kad būtų palaikomi dviejų -tipų skaitmeniniai įėjimai

Norint palaikyti 48 V skaitmeninius įvesties signalus (ne įprastas reikalavimas), reikalingas panašus procesas, todėl reikia pridėti išorinį rezistorių, kad būtų galima reguliuoti įtampos slenkstį lauko gale. Nustatykite šio išorinio rezistoriaus vertę taip, kad kaiščio "srovės riba * R + slenkstis" atitiktų įtampos slenksčio specifikaciją lauko gale (žr. įrenginio duomenų lapą).

Galiausiai, kadangi skaitmeninis įvesties modulis jungiamas prie jutiklių, konstrukcija turi atitikti patikimas veikimo charakteristikas. Naudojant atskirą sprendimą, šios apsaugos funkcijos turi būti kruopščiai suprojektuotos. Renkantis integruotą skaitmeninį įvesties įrenginį, įsitikinkite, kad šie parametrai yra nustatyti pagal pramonės standartus:

● Platus įėjimo įtampos diapazonas (pvz., iki 40V).

● Galimybė naudoti lauko energiją (nuo 7 V iki 65 V).

● Didelė ESD tolerancija (±15 kV ESD oro tarpas) ir viršįtampio galimybė (paprastai 1 kV).

Taip pat naudinga teikti viršįtampio ir perkaitimo diagnostiką, kad MCU galėtų imtis atitinkamų veiksmų.

Didelio{0}}kanalo-tankio skaitmeninių išvesties modulių projektavimas

Įprasta atskira skaitmeninė išvestis turi FET su tvarkyklės grandine, valdoma mikrovaldiklio. Norint sukonfigūruoti FET mikrovaldikliui valdyti, galima naudoti įvairius metodus.

Viršutinis{0}}šoninis apkrovos jungiklis yra apibrėžiamas kaip jungiklis, valdomas išoriniu įjungimo signalu, kuris jungia arba atjungia maitinimo šaltinį nuo nurodytos apkrovos. Palyginti su apatiniu-šoniniu apkrovos jungikliu, viršutinis-šoninis jungiklis tiekia srovę apkrovai, o apatinis-šoninis jungiklis sujungia arba atjungia apkrovos įžeminimo jungtį, iš apkrovos semdamas srovę. Nors abu naudoja vieną FET, apatinių -šoninių jungiklių problema yra ta, kad apkrova gali trumpinti į žemę. Aukšti-šoniniai jungikliai apsaugo apkrovą, užkertant kelią įžeminimui. Tačiau žemų{10}šoninių jungiklių įdiegimas yra pigesnis. Kartais išvesties tvarkyklė taip pat sukonfigūruojama kaip stumdomasis{12}}jungiklis, kuriam reikalingi du MOSFET. Žiūrėkite 6 paveikslą žemiau:

6 pav. Skirtingos skaitmeninės išvesties tvarkyklės konfigūracijos

Integruoti DO įrenginiai gali sujungti kelis DO kanalus į vieną komponentą. Kadangi aukštosios-pusės, žemos{2} pusės ir stumiamosios-traukimo jungikliuose naudojamos skirtingos FET konfigūracijos, kiekvienam išvesties tvarkyklės tipui įdiegti galima naudoti skirtingus įrenginius.

Įtaisytas{0}}išmagnetinimas indukcinei apkrovai

Pagrindinis integruotų skaitmeninių išvesties įrenginių privalumas yra įmontuota{0}}išmagnetinimo galimybė indukcinėms apkrovoms.

Indukcinė apkrova yra bet koks įtaisas, kuriame yra ritė, kuri, kai įtampa, paprastai atlieka mechaninį darbą,{0}}pvz., solenoidinius vožtuvus, variklius ir pavaras. Srovės sukuriamas magnetinis laukas gali perkelti jungiklių kontaktus relėse arba kontaktoriuose, kad valdytų solenoidinius vožtuvus arba pasuktų variklio veleną. Daugeliu atvejų inžinieriai naudoja aukštus-šoninius jungiklius indukcinėms apkrovoms valdyti. Iššūkis yra iškrauti induktorių, kai jungiklis išsijungia ir srovė nustoja tekėti į apkrovą. Neigiami netinkamo iškrovimo padariniai yra šie: relės kontaktai gali išlenkti, dideli neigiami įtampos šuoliai gali sugadinti jautrius IC ir generuojamas aukšto -dažnio triukšmas arba EMI, o tai galiausiai turi įtakos sistemos veikimui.

Atskiruose sprendimuose labiausiai paplitęs būdas iškrauti indukcines apkrovas yra laisvos eigos diodo naudojimas. Šioje grandinėje, kai jungiklis uždarytas, diodas yra atvirkštinis- ir nelaidus. Kai jungiklis atsidaro, neigiama maitinimo įtampa per induktorių į priekį-pakeičia diodą, išsklaidydama sukauptą energiją, leisdama per jį srovę, kol pasiekiama pastovi būsena su nuline srove.

Daugeliui programų, ypač pramoninėse, kur kiekviena įvesties / išvesties plokštė turi kelis išvesties kanalus, šis diodas dažnai yra didelis, todėl žymiai padidėja sąnaudos ir dizaino plotas.

Šiuolaikiniai skaitmeniniai išvesties įrenginiai šią funkciją įgyvendina viduje, naudodami aktyvią suspaudimo grandinę. Pavyzdžiui, ADI naudoja patentuotą „SafeDemag™“ funkciją, kuri leidžia skaitmeniniams išvesties įrenginiams saugiai išjungti apkrovas, nevaržomiems induktorių. Norėdami gauti daugiau informacijos, spustelėkite čia, kad pasiektumėte programos pastabą svetainėje.

Renkantis skaitmeninius išvesties įrenginius, reikia atsižvelgti į keletą svarbių veiksnių. Atidžiai peržiūrėkite šias specifikacijas duomenų lape:

● Patikrinkite didžiausią nuolatinę srovę ir įsitikinkite, kad keli išėjimai gali būti lygiagretūs, kai reikia, kad būtų pasiekta didesnė srovė.

● Patikrinkite, ar išvesties įrenginys gali valdyti kelis didelės{0}}srovės kanalus (viršijant temperatūros diapazoną). Peržiūrėkite duomenų lapą, kad įsitikintumėte, jog varžos, maitinimo srovės ir šiluminės varžos vertės yra kuo mažesnės.

● Išėjimo srovės pavaros tikslumo specifikacijos taip pat labai svarbios.

Diagnostinė informacija yra labai svarbi norint atsigauti po tam tikrų -ne-diapazono veikimo sąlygų. Pirma, pageidautina kiekvieno išvesties kanalo diagnostinė informacija. Tai apima temperatūros, viršsrovių, atviros-grandinės ir{5}}trumpojo jungimo aptikimą. Žvelgiant iš lusto{7}}lygio perspektyvos, svarbi diagnostika apima terminį išjungimą, VDD žemos įtampos ir SPI diagnostiką. Kai kurios arba visos šios diagnostikos ieškokite integruotuose skaitmeniniuose išvesties įrenginiuose.

Programuojami skaitmeniniai įvesties/išvesties įrenginiai

DI ir DO integravimas į IC leidžia kurti konfigūruojamus produktus. Tai yra 4 kanalų gaminio, kurį galima konfigūruoti kaip įvestis arba išvestis, pavyzdys.

7.4 pav. Konfigūruojami DI/DO produktai, skirti kanalų diegimo sprendimams

Jame yra DIO šerdis, leidžianti atskirus kanalus konfigūruoti kaip DI (1/3 arba 2 tipo) arba skaitmeninę išvestį didelės-pusės arba stūmimo{4}}traukimo režimu. Srovės ribą DO galima nustatyti nuo 130 mA iki 1,2 A. Integruota -išmagnetinimo funkcija. Norint perjungti 1/3 tipo ir 2 tipo skaitmeninius įėjimus, reikia tik kaiščio konfigūracijos, todėl nereikia išorinių rezistorių.

Šiuos įrenginius ne tik lengva konfigūruoti, bet ir pakankamai patvarūs pramoninei aplinkai. Tai reiškia aukštą ESD apsaugą, iki 60 V maitinimo šaltinio apsaugą ir apsaugą nuo linijos{2}}į{3}}įžeminimą.

Tai yra pavyzdys, kaip integruotas požiūris gali atverti daugiau galimybių (konfigūruojami DI/DO moduliai).

Išvada

Kuriant didelio{0}}tankio skaitmeninius įvesties arba išvesties modulius, atskiri sprendimai tampa nepraktiški, kai kanalo tankis viršija tam tikrą slenkstį. Integruotų įrenginių parinktys turi būti kruopščiai įvertintos atsižvelgiant į šilumos valdymą, patikimumą ir dydį.

Renkantis integruotus DI arba DO įrenginius, reikia atkreipti dėmesį į pagrindinius duomenų taškus, įskaitant patikimas veikimo charakteristikas, diagnostiką ir kelių įvesties{0}}išvesties konfigūracijų palaikymą.