Bini ta' Moduli I/O Diġitali ta'-Kanal-Densità Għolja għal Kontrolluri tal-Awtomazzjoni Industrijali tal--Ġenerazzjoni li jmiss
[Introduzzjoni] Hekk kif il-mewġa tal-Industrija 4.0 tgħaddi mill-pajsaġġ, is-sensuri intelliġenti qed isiru dejjem aktar prevalenti fl-ambjenti tal-fabbrika. L-adozzjoni mifruxa tas-sensuri qed tmexxi bidla sinifikanti: il-ħtieġa li jiġu pproċessati volumi kbar ta' I/O-kemm diġitali kif ukoll analogi-fi ħdan kontrolluri legacy. Konsegwentement, l-iżvilupp ta' moduli I/O ta'-densità għolja li jżommu daqs maniġġabbli u profili termali sar kritiku. F'dan l-artikolu, ADI jiffoka fuq I/O diġitali.
Tipikament, I/O diġitali fil-PLCs jikkonsisti f'komponenti diskreti bħal resistors/capacitors jew sewwieqa FET separati. Biex timminimizza d-daqs tal-kontrollur waqt li timmaniġġja minn 2 sa 4 darbiet aktar kanali, l-industrija qed tiċċaqlaq minn soluzzjonijiet diskreti għal dawk integrati.
Barra minn hekk, l-approċċ diskret għandu bosta żvantaġġi, partikolarment meta kull modulu jimmaniġġa tmien kanali jew aktar. Fil-fatt, is-sempliċi referenza ta 'dissipazzjoni termali/qawwa għolja, il-volum kbir ta' komponenti diskreti (meta wieħed iqis kemm id-daqs kif ukoll il-Ħin Medju Bejn Ħsara (MTBF)), u l-ħtieġa għal speċifikazzjonijiet ta 'sistema affidabbli hija biżżejjed biex turi l-imprattikabilità tal-approċċ diskreti.
Il-Figura 1 turi l-isfidi tekniċi li ltaqgħu magħhom meta jinbnew moduli ta' input diġitali (DI) u output diġitali (DO) ta'-densità għolja. Kemm is-sistemi DI u DO jeħtieġu konsiderazzjoni bir-reqqa tad-daqs u l-ġestjoni termali.
Figura 1. Konsiderazzjonijiet għal Moduli ta 'Input u Output Diġitali
Għal inputs diġitali, innota li tappoġġja diversi tipi ta 'input, inklużi inputs tal-Klassi 1/2/3, u f'xi każijiet, inputs 24V u 48V. Fix-xenarji kollha, karatteristiċi operattivi affidabbli huma ta' l-akbar importanza, u anke skoperta ta' ċirkwit miftuħ-hija kritika.
Għal outputs diġitali, is-sistema timpjega konfigurazzjonijiet FET differenti biex issuq tagħbijiet. Il-preċiżjoni tal-kurrent tas-sewqan hija tipikament konsiderazzjoni ewlenija. Id-dijanjostiċi għandhom jiġu kkunsidrati wkoll għal ħafna applikazzjonijiet.
Hawn taħt, nesploraw kif soluzzjonijiet integrati jistgħu jgħinu biex jindirizzaw xi wħud minn dawn l-isfidi.
Iddisinjar ta' Moduli ta' Input Diġitali ta'-Kanal-Densità Għolja
Disinji diskreti tradizzjonali jimpjegaw netwerks ta 'diviżuri tar-reżistenza biex jikkonvertu sinjali 24V/48V f'sinjali li jistgħu jintużaw minn mikrokontrolluri. Filtri RC diskreti jistgħu jintużaw ukoll fit-tarf ta 'quddiem. Optocouplers esterni kultant huma impjegati meta l-iżolament ikun meħtieġ.
Il-Figura 2 turi approċċ diskret tipiku għall-kostruzzjoni ta 'ċirkwiti ta' input diġitali.
Figura 2. Disinn ta 'Input Diġitali Tradizzjonali bl-Użu ta' Loġika DiskretaDan it-tip ta 'disinn huwa adattat għal ċertu numru ta' inputs diġitali, speċifikament 4 sa 8 għal kull bord. Lil hinn minn dan in-numru, id-disinn malajr isir imprattikabbli. Dan l-approċċ diskret jintroduċi diversi kwistjonijiet, inklużi:
● Konsum ta 'enerġija għolja u hot spots assoċjati fuq il-bord.
● Kull kanal jeħtieġ optocoupler separat.
● Komponenti eċċessivi jwasslu għal rati ta 'FIT baxxi u jistgħu jeħtieġu apparati akbar.
B'mod aktar kritiku, l-approċċ tad-disinn diskret jimplika li l-kurrent tad-dħul jiżdied b'mod lineari mal-vultaġġ tad-dħul. Ikkunsidra resistor tad-dħul ta '2.2KΩ u VIN 24V. Meta l-input huwa 1 (eż., f'24V), il-kurrent tad-dħul huwa 11mA, li jikkorrispondi għal dissipazzjoni ta 'enerġija ta' 264mW. Modulu ta '8 kanali jikkonsma aktar minn 2W, filwaqt modulu ta' 32 kanal jaqbeż 8W. Ara l-Figura 3 hawn taħt:
Figura 3. Stima tal-Konsum tal-Enerġija tal-Modulu tal-Input Diġitali Mibni Bl-użu ta 'Loġika Diskreta
Minn perspettiva termali biss, dan id-disinn diskret ma jistax jappoġġja kanali multipli fuq bord wieħed.
Wieħed mill-vantaġġi ewlenin ta 'disinji ta' input diġitali integrat huwa konsum ta 'enerġija mnaqqas b'mod sinifikanti, u b'hekk jimminimizza r-rekwiżiti termali. Il-biċċa l-kbira tal-apparati ta 'input diġitali integrati jippermettu kurrent ta' input konfigurabbli li jillimita għal konsum ta 'enerġija sostanzjalment aktar baxx.
Meta l-limitu kurrenti huwa ssettjat għal 2.6mA, il-konsum tal-enerġija jinżel b'mod sinifikanti għal madwar 60mW għal kull kanal. Il-konsum nominali tal-enerġija għal modulu ta' input diġitali ta' 8 kanali issa jista' jiġi ssettjat taħt 0.5 watts, kif muri fil-Figura 4 hawn taħt:
Figura 4. Iffrankar ta 'Enerġija Stima għal Moduli ta' Input Diġitali li jużaw Ċipep DI Integrati
Raġuni oħra kontra l-użu ta 'disinji ta' loġika diskreta hija li l-moduli DI kultant iridu jappoġġjaw tipi ta 'input differenti. L-istandard IEC-ippubblikat għall-inputs diġitali 24V jispeċifika Tipi 1, 2, u 3. Tipi 1 u 3 huma tipikament użati flimkien minħabba li l-limiti attwali u tal-limitu tagħhom huma simili ħafna. It-Tip 2 għandu limitu ta 'kurrent ogħla ta' 6mA. B'approċċ diskret, jista' jkun meħtieġ disinn mill-ġdid peress li l-biċċa l-kbira tal-komponenti diskreti jkunu jeħtieġu aġġornament.
Prodotti ta 'input diġitali integrati ġeneralment jappoġġjaw it-tliet tipi kollha. Essenzjalment, Tip 1 u Tip 3 huma tipikament appoġġjati minn apparati ta 'input diġitali integrati. Madankollu, biex jintlaħaq ir-rekwiżit tal-kurrent minimu ta '6mA għall-inputs tat-Tip 2, żewġ kanali għandhom ikunu konnessi b'mod parallel għal input ta' kamp wieħed. Ir-resistor li jillimita l-kurrent biss jeħtieġ aġġustament. Dan jeħtieġ modifika minuri tal-PCB.
Pereżempju, l-apparati kurrenti ADI DI għandhom limitu ta 'kurrent ta' 3.5mA/kanal. Għalhekk, kif muri fil-figura, meta żewġ kanali jintużaw b'mod parallel u s-sistema trid takkomoda inputs tat-Tip 2, ir-resistors REFDI u RIN għandhom jiġu aġġustati. Għal xi komponenti ġodda, il-valur kurrenti jista 'wkoll jintgħażel permezz ta' labar jew softwer.
Figura 5. L-użu ta' żewġ kanali b'mod parallel biex isostni żewġ-inputs diġitali tat-tip
Biex tappoġġja sinjali ta 'input diġitali ta' 48V (mhux rekwiżit komuni), huwa meħtieġ proċess simili, li jeħtieġ iż-żieda ta 'reżistenza esterna biex taġġusta l-limitu tal-vultaġġ fit-tarf tal-kamp. Issettja l-valur ta 'dan ir-reżistenza esterna b'tali mod li l-"limitu kurrenti * R + limitu" tal-pin jilħaq l-ispeċifikazzjoni tal-limitu tal-vultaġġ fit-tarf tal-kamp (irreferi għall-folja tad-dejta tal-apparat).
Fl-aħħarnett, peress li l-modulu tad-dħul diġitali jgħaqqad mas-sensuri, id-disinn għandu jissodisfa karatteristiċi operattivi affidabbli. Meta tuża soluzzjoni diskreta, dawn il-karatteristiċi ta 'protezzjoni għandhom ikunu ddisinjati bir-reqqa. Meta tagħżel apparat ta' input diġitali integrat, kun żgur li dawn li ġejjin huma determinati skont l-istandards tal-industrija:
● Firxa wiesgħa ta 'vultaġġ ta' input (eż., sa 40V).
● Kapaċità li tuża l-qawwa tal-kamp (7V sa 65V).
● Tolleranza ESD għolja (± 15kV ESD air gap) u kapaċità ta 'żieda (tipikament 1kV).
Il-provvista ta 'dijanjostika ta' vultaġġ żejjed u temperatura żejda hija wkoll ta 'benefiċċju biex tippermetti lill-MCU jieħu azzjonijiet xierqa.
Iddisinjar ta' Moduli ta' Output Diġitali ta'-Kanal-Densità Għolja
Disinn tipiku ta 'output diġitali diskret fih FET b'ċirkwit tas-sewwieq, immexxi minn mikrokontrollur. Jistgħu jintużaw diversi metodi biex jiġi kkonfigurat l-FET biex isuq il-mikrokontrollur.
Swiċċ tat-tagħbija tal-ġenb ta' fuq-huwa definit bħala wieħed ikkontrollat minn sinjal ta' attivazzjoni estern li jgħaqqad jew jiskonnettja l-provvista tal-enerġija minn tagħbija partikolari. Meta mqabbel ma' swiċċ tat-tagħbija tal-ġenb ta' isfel-, swiċċ tal-ġenb ta' fuq-jipprovdi kurrent lit-tagħbija, filwaqt li swiċċ tal-ġenb ta' isfel-tgħaqqad jew skonnettja l-konnessjoni tal-art tat-tagħbija, u jiġbed kurrent mit-tagħbija. Għalkemm it-tnejn jużaw FET wieħed, il-kwistjoni bi swiċċijiet tal--ġenb aktar baxxi hija li t-tagħbija tista' tkun qasira lejn l-art. Swiċċijiet tal-ġenb-għoli jipproteġu t-tagħbija billi jipprevjenu shorts tal-art. Madankollu, swiċċijiet tal-{10}}ġenb baxxi huma inqas għaljin biex jiġu implimentati. Xi drabi, is-sewwieq tal-output huwa kkonfigurat ukoll bħala push-pull switch, li jeħtieġ żewġ MOSFETs. Ara l-Figura 6 hawn taħt:
Figura 6. Konfigurazzjonijiet differenti użati għas-sewwieq tal-output diġitali
L-apparati DO integrati jistgħu jgħaqqdu diversi kanali DO f'komponent wieħed. Billi swiċċijiet tal--ġenb għoli, baxx-, u push-pull jimpjegaw konfigurazzjonijiet differenti tal-FET, jistgħu jintużaw apparati distinti biex jimplimentaw kull tip ta' sewwieq tal-output.
Mibnija-Demagnetization għal Tagħbijiet Induttivi
Vantaġġ ewlieni tal-apparati ta' output diġitali integrati huwa l-kapaċità ta' demagnetization mibnija-tagħhom għal tagħbijiet induttivi.
Tagħbija induttiva hija kwalunkwe apparat li fih coil li, meta jiġi enerġizzat, tipikament iwettaq xogħol mekkaniku-bħal valvoli tas-solenojd, muturi, u attwaturi. Il-kamp manjetiku ġġenerat mill-kurrent jista 'jċaqlaq il-kuntatti tal-iswiċċ f'relays jew kuntatturi biex iħaddem valvi tas-solenojd, jew idawwar ix-xaft ta' mutur. Fil-biċċa l-kbira tal-każijiet, l-inġiniera jużaw swiċċijiet tal-ġenb-għoli biex jikkontrollaw tagħbijiet induttivi. L-isfida tinsab fil-ħatt tal-inductor meta l-iswiċċ jintefa u l-kurrent ma jibqax jgħaddi fit-tagħbija. Effetti negattivi minn skarigu mhux xieraq jinkludu: kuntatti tar-relay jistgħu ark, spikes kbar ta 'vultaġġ negattiv jistgħu jagħmlu ħsara lill-ICs sensittivi, u ħsejjes ta' frekwenza għolja -jew EMI jiġi ġġenerat, fl-aħħar mill-aħħar jaffettwa l-prestazzjoni tas-sistema.
F'soluzzjonijiet diskreti, l-aktar approċċ komuni għall-ħatt ta 'tagħbijiet induttivi huwa l-użu ta' dajowd ta 'roti ħielsa. F'dan iċ-ċirkwit, meta s-swiċċ jingħalaq, id-dijodu jkun reverse-preġudikat u ma jmexxix. Meta jinfetaħ is-swiċċ, il-vultaġġ negattiv tal-provvista madwar l-induttur 'il quddiem-jixxandar id-dijodu, u jxerred l-enerġija maħżuna billi jwassal kurrent minnu sakemm jintlaħaq stat stabbli b'kurrent żero.
Għal ħafna applikazzjonijiet, partikolarment dawk industrijali fejn kull karta I/O għandha kanali ta 'output multipli, dan id-dijodu ħafna drabi huwa kbir, u jżid b'mod sinifikanti l-ispiża u l-impronta tad-disinn.
Apparati moderni ta 'output diġitali jimplimentaw din il-funzjonalità internament bl-użu ta' ċirkwit ta 'ikklampjar attiv. Pereżempju, ADI timpjega karatteristika SafeDemag™ patentata li tippermetti lill-apparati tal-output diġitali jitfu t-tagħbijiet b'mod sikur mingħajr ma jkunu kostretti minn indutturi. Għal aktar dettalji, ikklikkja hawn biex taċċessa n-nota tal-applikazzjoni fuq il-websajt.
Meta tagħżel apparati ta 'output diġitali, għandhom jiġu kkunsidrati diversi fatturi kritiċi. Irrevedi bir-reqqa l-ispeċifikazzjonijiet li ġejjin fil-folja tad-dejta:
● Iċċekkja l-klassifikazzjoni massima tal-kurrent kontinwu u tiżgura li l-outputs multipli jistgħu jiġu paralleli meta meħtieġ biex jinkisbu sewwieqa ta 'kurrent ogħla.
● Ivverifika li l-apparat tal-ħruġ jista 'jsuq kanali multipli ta' kurrent għoli-(li jaqbeż il-firxa tat-temperatura). Ikkonsulta l-iskeda tad-dejta biex tiżgura li l-valuri ta'-reżistenza, kurrent tal-provvista, u reżistenza termali huma baxxi kemm jista' jkun.
● L-ispeċifikazzjonijiet tal-eżattezza tad-drajv tal-kurrent tal-ħruġ huma wkoll kritiċi.
L-informazzjoni dijanjostika hija vitali għall-irkupru minn ċerti kundizzjonijiet operattivi barra--. L-ewwel, informazzjoni dijanjostika għal kull kanal tal-ħruġ hija mixtieqa. Dan jinkludi temperatura, kurrent żejjed, ċirkwit miftuħ-, u skoperta ta' ċirkwit-short. Minn perspettiva tal-livell ta' ċippa-, dijanjostiċi importanti jinkludu għeluq termali, vultaġġ baxx VDD, u dijanjostiċi SPI. Fittex għal xi wħud minn dawn id-dijanjostiċi jew kollha f'apparati ta 'output diġitali integrati.
Apparati ta' Input/Output Diġitali programmabbli
L-integrazzjoni ta 'DI u DO fuq l-IC tippermetti l-ħolqien ta' prodotti konfigurabbli. Dan huwa eżempju ta 'prodott b'4 kanali li jista' jiġi kkonfigurat jew bħala inputs jew outputs.
Figura 7.4 Prodotti DI/DO Konfigurabbli għal Soluzzjonijiet ta' Implimentazzjoni tal-Kanal
Hija għandha qalba DIO, li tippermetti li l-kanali individwali jiġu kkonfigurati bħala DI (Tip 1/3 jew Tip 2) jew output diġitali f'high-side jew push-pull mode. Il-limitu attwali fuq DO jista 'jiġi stabbilit minn 130mA għal 1.2A. Mibnija-funzjoni ta' demagnetization. Il-bidla bejn inputs diġitali tat-Tip 1/3 u tat-Tip 2 teħtieġ biss konfigurazzjoni tal-pin, u telimina l-ħtieġa għal resistors esterni.
Dawn l-apparati mhux biss huma faċli biex jiġu kkonfigurati iżda wkoll imħatteb biżżejjed għal ambjenti industrijali. Dan jittraduċi għal protezzjoni ESD għolja, protezzjoni tal-vultaġġ tal-provvista tal-enerġija sa 60V, u protezzjoni minn fuq l-art minn linja-sa-.
Dan iservi bħala eżempju ta' kif approċċ integrat jista' jiftaħ possibbiltajiet akbar (moduli DI/DO konfigurabbli).
Konklużjoni
Meta jiġu ddisinjati moduli ta' input jew output diġitali ta'-densità għolja, soluzzjonijiet diskreti jsiru imprattikabbli ladarba d-densità tal-kanal taqbeż ċertu limitu. L-għażliet tal-apparat integrat għandhom jiġu evalwati bir-reqqa għall-ġestjoni termali, l-affidabbiltà u l-kunsiderazzjonijiet tad-daqs.
Meta jintgħażlu apparati DI jew DO integrati, il-punti ewlenin tad-dejta jeħtieġu attenzjoni, inklużi karatteristiċi operattivi affidabbli, dijanjostiċi, u appoġġ għal konfigurazzjonijiet ta' dħul multipli-output.