Ontwikkeling van digitale I/O-modules met hoge-kanaal-dichtheid

Het bouwen van digitale I/O-modules met hoge-kanaal-dichtheid voor industriële automatiseringscontrollers van de volgende-generatie

[Inleiding] Terwijl de golf van Industrie 4.0 door het landschap raast, worden slimme sensoren steeds gangbaarder in fabrieksomgevingen. De wijdverbreide acceptatie van sensoren zorgt voor een aanzienlijke verschuiving: de noodzaak om grote hoeveelheden I/O -zowel digitaal als analoog- te verwerken binnen oudere controllers. Daarom is de ontwikkeling van I/O-modules met hoge dichtheid en beheersbare afmetingen en thermische profielen van cruciaal belang geworden. In dit artikel richt ADI zich op digitale I/O.

Digitale I/O in PLC's bestaat doorgaans uit afzonderlijke componenten zoals weerstanden/condensatoren of afzonderlijke FET-drivers. Om de controllergrootte te minimaliseren en tegelijkertijd twee tot vier keer meer kanalen te verwerken, verschuift de industrie van discrete naar geïntegreerde oplossingen.

Bovendien heeft de discrete benadering talrijke nadelen, vooral wanneer elke module acht of meer kanalen verwerkt. In feite is alleen al de vermelding van de hoge thermische/energiedissipatie, het enorme volume aan discrete componenten (rekening houdend met zowel de grootte als de gemiddelde tijd tussen storingen (MTBF)) en de behoefte aan betrouwbare systeemspecificaties voldoende om de onpraktischheid van de discrete benadering aan te tonen.
Figuur 1 illustreert de technische uitdagingen die men tegenkomt bij het bouwen van modules voor digitale invoer (DI) en digitale uitvoer (DO) met hoge dichtheid. Zowel DI- als DO-systemen vereisen een zorgvuldige afweging van omvang en thermisch beheer.

Figuur 1. Overwegingen bij digitale invoer- en uitvoermodules

Houd er bij digitale ingangen rekening mee dat deze verschillende ingangstypen ondersteunt, waaronder klasse 1/2/3-ingangen, en in sommige gevallen 24V- en 48V-ingangen. In alle scenario's zijn betrouwbare werkingskenmerken van het grootste belang, en zelfs detectie van open circuits is van cruciaal belang.

Voor digitale uitgangen gebruikt het systeem verschillende FET-configuraties om belastingen aan te sturen. De nauwkeurigheid van de aandrijfstroom is doorgaans een belangrijke overweging. Bij veel toepassingen moet ook rekening worden gehouden met diagnostiek.

Hieronder onderzoeken we hoe geïntegreerde oplossingen een aantal van deze uitdagingen kunnen helpen aanpakken.

Ontwerp van digitale invoermodules met hoge-kanaal-dichtheid

Traditionele discrete ontwerpen maken gebruik van weerstandsverdelernetwerken om 24V/48V-signalen om te zetten in signalen die bruikbaar zijn voor microcontrollers. Er kunnen ook discrete RC-filters aan de voorkant worden gebruikt. Externe optocouplers worden soms gebruikt wanneer isolatie vereist is.

Figuur 2 illustreert een typische discrete benadering voor het construeren van digitale ingangscircuits.

Figuur 2. Traditioneel digitaal ingangsontwerp met behulp van discrete logica

Dit type ontwerp is geschikt voor een bepaald aantal digitale ingangen, namelijk 4 tot 8 per bord. Boven dit aantal wordt het ontwerp al snel onpraktisch. Deze discrete aanpak introduceert verschillende problemen, waaronder:

● Hoog stroomverbruik en bijbehorende hotspots op het bord.
● Voor elk kanaal is een aparte optocoupler nodig.
● Overmatige componenten leiden tot lage FIT-percentages en kunnen grotere apparaten noodzakelijk maken.

Belangrijker nog is dat de discrete ontwerpbenadering impliceert dat de ingangsstroom lineair toeneemt met de ingangsspanning. Overweeg een ingangsweerstand van 2,2 KΩ en 24 V VIN. Wanneer de ingang 1 is (bijvoorbeeld bij 24 V), is de ingangsstroom 11 mA, wat overeenkomt met een vermogensdissipatie van 264 mW. Een 8-kanaals module verbruikt ruim 2W, terwijl een 32-kanaals module meer dan 8W verbruikt. Zie Figuur 3 hieronder:

Figuur 3. Geschat stroomverbruik van de digitale invoermodule gebouwd met behulp van discrete logica

Alleen al vanuit thermisch perspectief kan dit discrete ontwerp niet meerdere kanalen op één bord ondersteunen.

Een van de belangrijkste voordelen van geïntegreerde digitale ingangsontwerpen is een aanzienlijk lager energieverbruik, waardoor de thermische vereisten worden geminimaliseerd. De meeste geïntegreerde digitale invoerapparaten maken een configureerbare ingangsstroombeperking mogelijk om het energieverbruik aanzienlijk te verlagen.

Wanneer de stroomlimiet is ingesteld op 2,6 mA, daalt het stroomverbruik aanzienlijk tot ongeveer 60 mW per kanaal. Het nominale energieverbruik voor een 8-kanaals digitale ingangsmodule kan nu worden ingesteld op minder dan 0,5 watt, zoals weergegeven in Afbeelding 4 hieronder:

Figuur 4. Geschatte energiebesparing voor digitale ingangsmodules met behulp van geïntegreerde DI-chips

Een andere reden tegen het gebruik van discrete logische ontwerpen is dat DI-modules soms verschillende invoertypen moeten ondersteunen. De door IEC-gepubliceerde standaard voor 24V digitale ingangen specificeert de typen 1, 2 en 3. Typen 1 en 3 worden doorgaans samen gebruikt omdat hun stroom- en drempellimieten sterk op elkaar lijken. Type 2 heeft een hogere stroomlimiet van 6mA. Bij een discrete benadering kan herontwerp nodig zijn, aangezien de meeste afzonderlijke componenten moeten worden bijgewerkt.

Geïntegreerde digitale invoerproducten ondersteunen doorgaans alle drie typen. In wezen worden Type 1 en Type 3 doorgaans ondersteund door geïntegreerde digitale invoerapparaten. Om echter te voldoen aan de minimale stroomvereiste van 6 mA voor Type 2-ingangen, moeten twee kanalen parallel worden aangesloten voor een enkele veldingang. Alleen de stroom-begrenzende weerstand moet worden aangepast. Dit vereist een kleine PCB-aanpassing.

De huidige ADI DI-apparaten hebben bijvoorbeeld een stroomlimiet van 3,5 mA/kanaal. Daarom moeten, zoals weergegeven in de afbeelding, de REFDI- en RIN-weerstanden worden aangepast als twee kanalen parallel worden gebruikt en het systeem Type 2-ingangen moet bevatten. Voor sommige nieuwere componenten kan de huidige waarde ook via pinnen of software worden geselecteerd.

Figuur 5. Twee parallelle kanalen gebruiken ter ondersteuning van twee- digitale ingangen

Om digitale ingangssignalen van 48 V te ondersteunen (geen algemene vereiste), is een soortgelijk proces vereist, waarbij de toevoeging van een externe weerstand nodig is om de spanningsdrempel aan de veldzijde aan te passen. Stel de waarde van deze externe weerstand zo in dat de "stroomlimiet * R + drempel" van de pin voldoet aan de spanningsdrempelspecificatie aan de veldzijde (zie het gegevensblad van het apparaat).

Ten slotte moet het ontwerp, aangezien de digitale ingangsmodule verbinding maakt met sensoren, voldoen aan betrouwbare operationele kenmerken. Bij gebruik van een discrete oplossing moeten deze beveiligingsfuncties zorgvuldig worden ontworpen. Wanneer u een geïntegreerd digitaal invoerapparaat selecteert, zorg er dan voor dat het volgende wordt bepaald volgens de industriestandaarden:

● Groot ingangsspanningsbereik (bijvoorbeeld tot 40 V).

● Mogelijkheid om veldstroom te gebruiken (7V tot 65V).

● Hoge ESD-tolerantie (±15 kV ESD-luchtspleet) en piekvermogen (doorgaans 1 kV).

Het bieden van diagnostiek over overspanning en overtemperatuur is ook nuttig om de MCU in staat te stellen passende maatregelen te nemen.

Ontwerpen van digitale uitvoermodules met hoge-kanaal-dichtheid

Een typisch discreet digitaal uitgangsontwerp is voorzien van een FET met een stuurcircuit, aangedreven door een microcontroller. Er kunnen verschillende methoden worden gebruikt om de FET te configureren om de microcontroller aan te sturen.

Een belastingschakelaar aan de bovenste-zijde wordt gedefinieerd als een schakelaar die wordt bestuurd door een extern inschakelsignaal dat de voeding van een bepaalde belasting in- of uitschakelt. Vergeleken met een belastingsschakelaar aan de lagere-zijde, levert een schakelaar aan de bovenste-zijde stroom aan de belasting, terwijl een schakelaar aan de lagere-zijde de aardverbinding van de belasting verbindt of verbreekt, en stroom van de belasting onttrekt. Hoewel beide een enkele FET gebruiken, is het probleem met lagere-zijschakelaars dat de belasting kortsluiting naar aarde kan veroorzaken. Hoge-schakelaars aan de zijkant beschermen de lading door aardsluiting te voorkomen. Schakelaars aan de lage kant- zijn echter goedkoper te implementeren. Soms is de uitvoerdriver ook geconfigureerd als een push-pull-schakelaar, waarvoor twee MOSFET's nodig zijn. Zie Figuur 6 hieronder:

Figuur 6. Verschillende configuraties gebruikt voor de digitale uitvoerdriver

Geïntegreerde DO-apparaten kunnen meerdere DO-kanalen combineren tot één component. Omdat de hoge--, lage-- en push--schakelaars verschillende FET-configuraties gebruiken, kunnen verschillende apparaten worden gebruikt om elk type uitvoerstuurprogramma te implementeren.

Ingebouwde-in demagnetisatie voor inductieve belastingen

Een belangrijk voordeel van geïntegreerde digitale uitvoerapparaten is hun ingebouwde-demagnetisatiemogelijkheid voor inductieve belastingen.

Een inductieve belasting is elk apparaat dat een spoel bevat die, wanneer hij wordt bekrachtigd, doorgaans mechanisch werk uitvoert-zoals magneetkleppen, motoren en actuatoren. Het door stroom gegenereerde magnetische veld kan schakelcontacten in relais of contactors bewegen om magneetkleppen te bedienen, of de as van een motor draaien. In de meeste gevallen gebruiken ingenieurs hoge-schakelaars om inductieve belastingen te regelen. De uitdaging ligt in het ontladen van de inductor wanneer de schakelaar wordt uitgeschakeld en er geen stroom meer in de belasting stroomt. Negatieve effecten van een onjuiste ontlading zijn onder meer: relaiscontacten kunnen vonken veroorzaken, grote negatieve spanningspieken kunnen gevoelige IC's beschadigen en hoog-ruis of EMI wordt gegenereerd, wat uiteindelijk de systeemprestaties beïnvloedt.

Bij discrete oplossingen is de meest gebruikelijke benadering voor het ontladen van inductieve belastingen het gebruik van een vrijloopdiode. In dit circuit is de diode, wanneer de schakelaar gesloten is, in tegengestelde richting -voorgespannen en geleidt niet. Wanneer de schakelaar opengaat, zorgt de negatieve voedingsspanning over de spoel voorwaarts-voor een voorspanning van de diode, waardoor de opgeslagen energie wordt gedissipeerd door er stroom doorheen te geleiden totdat een stabiele toestand zonder stroom wordt bereikt.

Voor veel toepassingen, met name industriële toepassingen waarbij elke I/O-kaart meerdere uitgangskanalen heeft, is deze diode vaak groot, waardoor de kosten en het ontwerpoppervlak aanzienlijk toenemen.

Moderne digitale uitvoerapparaten implementeren deze functionaliteit intern met behulp van een actief klemcircuit. ADI maakt bijvoorbeeld gebruik van een gepatenteerde SafeDemag™-functie waarmee digitale uitvoerapparaten belastingen veilig kunnen uitschakelen zonder te worden beperkt door inductoren. Voor meer details kunt u hier klikken om naar de toepassingsnota op de website te gaan.

Bij het selecteren van digitale uitvoerapparaten moet rekening worden gehouden met verschillende kritische factoren. Bekijk zorgvuldig de volgende specificaties in het gegevensblad:

● Controleer de maximale continue stroomsterkte en zorg ervoor dat meerdere uitgangen parallel kunnen worden geschakeld wanneer dat nodig is om hogere stroomdrivers te verkrijgen.

● Controleer of het uitvoerapparaat meerdere kanalen met hoge- stroom kan aansturen (die het temperatuurbereik overschrijden). Raadpleeg het gegevensblad om er zeker van te zijn dat de-weerstands-, voedingsstroom- en thermische weerstandswaarden zo laag mogelijk zijn.

● De nauwkeurigheidsspecificaties van de uitgangsstroomaandrijving zijn ook van cruciaal belang.

Diagnostische informatie is essentieel voor het herstel van bepaalde bedrijfsomstandigheden buiten-buiten- bereik. Ten eerste is diagnostische informatie voor elk uitgangskanaal wenselijk. Dit omvat detectie van temperatuur, overstroom, open- circuit en kortsluiting-. Vanuit het perspectief van de chip- omvatten belangrijke diagnostiek thermische uitschakeling, VDD-onderspanning en SPI-diagnostiek. Zoek naar sommige of al deze diagnostiek in geïntegreerde digitale uitvoerapparaten.

Programmeerbare digitale invoer-/uitvoerapparaten

Door DI en DO op de IC te integreren, kunnen configureerbare producten worden gemaakt. Dit is een voorbeeld van een 4-kanaals product dat kan worden geconfigureerd als ingang of uitgang.

Afbeelding 7.4 Configureerbare DI/DO-producten voor kanaalimplementatieoplossingen

Het beschikt over een DIO-kern, waardoor afzonderlijke kanalen kunnen worden geconfigureerd als DI (Type 1/3 of Type 2) of digitale uitvoer in hoge-side- of push--modus. De stroomlimiet op DO kan worden ingesteld van 130mA tot 1,2A. Ingebouwde-in demagnetisatiefunctie. Voor het schakelen tussen type 1/3 en type 2 digitale ingangen is alleen pinconfiguratie vereist, waardoor er geen externe weerstanden nodig zijn.

Deze apparaten zijn niet alleen eenvoudig te configureren, maar ook robuust genoeg voor industriële omgevingen. Dit vertaalt zich in een hoge ESD-bescherming, bescherming tegen voedingsspanning tot 60 V en bescherming tegen stroompieken-naar- de aarde.

Dit dient als voorbeeld van hoe een geïntegreerde aanpak grotere mogelijkheden kan ontsluiten (configureerbare DI/DO-modules).

Conclusie

Bij het ontwerpen van digitale invoer- of uitvoermodules met hoge dichtheid- worden discrete oplossingen onpraktisch zodra de kanaaldichtheid een bepaalde drempel overschrijdt. Geïntegreerde apparaatopties moeten zorgvuldig worden geëvalueerd op het gebied van thermisch beheer, betrouwbaarheid en afmetingen.

Bij het selecteren van geïntegreerde DI- of DO-apparaten verdienen belangrijke gegevenspunten de aandacht, waaronder betrouwbare werkingskenmerken, diagnostiek en ondersteuning voor configuraties met meerdere invoer-uitvoer.