ساخت ماژول‌های ورودی/خروجی دیجیتال-کانال-با چگالی بالا برای-کنترل‌کننده‌های اتوماسیون صنعتی نسل بعدی
[مقدمه] با فراگیر شدن موج صنعت 4.0 در سراسر مناظر، حسگرهای هوشمند به طور فزاینده ای در محیط های کارخانه رایج می شوند. استفاده گسترده از حسگرها باعث تغییر قابل توجهی شده است: نیاز به پردازش حجم زیادی از I/O-هم دیجیتال و هم آنالوگ{3}}در کنترلرهای قدیمی. در نتیجه، توسعه ماژول‌های ورودی/خروجی با چگالی بالا که اندازه قابل مدیریت و نمایه‌های حرارتی را حفظ می‌کنند بسیار مهم شده است. در این مقاله، ADI بر روی I/O دیجیتال تمرکز دارد.
به طور معمول، ورودی/خروجی دیجیتال در PLC از اجزای مجزا مانند مقاومت ها/خازن ها یا درایورهای FET جداگانه تشکیل شده است. برای به حداقل رساندن اندازه کنترلر در حالی که 2 تا 4 برابر کانال های بیشتری را مدیریت می کند، صنعت از راه حل های گسسته به راه حل های یکپارچه تغییر می کند.
علاوه بر این، رویکرد گسسته دارای اشکالات متعددی است، به ویژه زمانی که هر ماژول دارای هشت یا بیشتر کانال است. در واقع، ذکر صرف اتلاف حرارت/توان بالا، حجم بسیار زیاد اجزای گسسته (با در نظر گرفتن اندازه و میانگین زمان بین خرابی ها (MTBF))، و نیاز به مشخصات سیستم قابل اعتماد برای نشان دادن غیر عملی بودن رویکرد گسسته کافی است.
شکل 1 چالش های فنی را نشان می دهد که هنگام ساخت ماژول های ورودی دیجیتال با چگالی بالا (DI) و خروجی دیجیتال (DO) با آن مواجه می شوند. هر دو سیستم DI و DO نیاز به بررسی دقیق اندازه و مدیریت حرارتی دارند.
شکل 1. ملاحظات برای ماژول های ورودی و خروجی دیجیتال
برای ورودی های دیجیتال، توجه داشته باشید که از انواع ورودی، از جمله ورودی های کلاس 1/2/3 و در برخی موارد، ورودی های 24 ولت و 48 ولت پشتیبانی می کند. در همه سناریوها، ویژگی‌های عملیاتی قابل اعتماد بسیار مهم هستند و حتی تشخیص مدار باز- حیاتی است.
برای خروجی های دیجیتال، سیستم از پیکربندی های مختلف FET برای هدایت بارها استفاده می کند. دقت جریان درایو معمولاً یک ملاحظات کلیدی است. برای بسیاری از کاربردها باید عیب یابی نیز در نظر گرفته شود.
در زیر، ما بررسی می کنیم که چگونه راه حل های یکپارچه می توانند به رفع برخی از این چالش ها کمک کنند.
طراحی ماژول‌های ورودی دیجیتال{0}}کانال{1} با چگالی بالا
طرح‌های گسسته سنتی از شبکه‌های تقسیم‌کننده مقاومت برای تبدیل سیگنال‌های 24V/48V به سیگنال‌های قابل استفاده توسط میکروکنترلرها استفاده می‌کنند. فیلترهای RC گسسته نیز ممکن است در قسمت جلویی استفاده شوند. گاهی اوقات هنگامی که نیاز به ایزوله کردن باشد از اپتوکوپلرهای خارجی استفاده می شود.
شکل 2 یک رویکرد گسسته معمولی برای ساخت مدارهای ورودی دیجیتال را نشان می دهد.
شکل 2. طراحی ورودی دیجیتال سنتی با استفاده از منطق گسستهاین نوع طراحی برای تعداد معینی ورودی دیجیتال مخصوصاً 4 تا 8 در هر برد مناسب است. فراتر از این تعداد، طراحی به سرعت غیرعملی می شود. این رویکرد گسسته مسائل مختلفی را مطرح می کند، از جمله:
● مصرف انرژی بالا و نقاط داغ مرتبط روی برد.
● هر کانال به یک اپتوکوپلر جداگانه نیاز دارد.
● قطعات بیش از حد منجر به نرخ FIT پایین می شود و ممکن است به دستگاه های بزرگتر نیاز داشته باشد.
انتقادی تر، رویکرد طراحی گسسته نشان می دهد که جریان ورودی به صورت خطی با ولتاژ ورودی افزایش می یابد. یک مقاومت ورودی 2.2KΩ و VIN 24 ولت را در نظر بگیرید. وقتی ورودی 1 باشد (مثلاً در 24 ولت)، جریان ورودی 11 میلی آمپر است که معادل اتلاف توان 264 میلی وات است. یک ماژول 8 کانالی بیش از 2 وات مصرف می کند، در حالی که یک ماژول 32 کانالی بیش از 8 وات مصرف می کند. شکل 3 زیر را ببینید:
شکل 3. مصرف برق تخمینی ماژول ورودی دیجیتال ساخته شده با استفاده از منطق گسسته
از دیدگاه حرارتی به تنهایی، این طراحی مجزا نمی تواند چندین کانال را روی یک برد واحد پشتیبانی کند.
یکی از مزایای کلیدی طراحی های ورودی دیجیتال یکپارچه کاهش قابل توجه مصرف برق است که در نتیجه نیازهای حرارتی را به حداقل می رساند. اکثر دستگاه‌های ورودی دیجیتال یکپارچه اجازه می‌دهند تا جریان ورودی قابل تنظیم را محدود کرده و مصرف برق را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.
وقتی حد فعلی روی 2.6 میلی آمپر تنظیم شود، مصرف برق به طور قابل توجهی کاهش می یابد و تقریباً 60 میلی وات در هر کانال است. همانطور که در شکل 4 در زیر نشان داده شده است، اکنون می توان مصرف توان نامی برای یک ماژول ورودی دیجیتال 8 کاناله را زیر 0.5 وات تنظیم کرد:
شکل 4. صرفه جویی در مصرف برق برای ماژول های ورودی دیجیتال با استفاده از تراشه های DI یکپارچه
یکی دیگر از دلایل مخالف استفاده از طرح‌های منطقی گسسته این است که ماژول‌های DI گاهی اوقات باید از انواع ورودی‌های مختلف پشتیبانی کنند. استاندارد منتشرشده IEC{1}}برای ورودی‌های دیجیتال 24 ولت، انواع 1، 2 و 3 را مشخص می‌کند. انواع 1 و 3 معمولاً با هم استفاده می‌شوند، زیرا محدودیت‌های فعلی و آستانه آنها بسیار مشابه است. نوع 2 دارای محدودیت جریان بالاتر 6 میلی آمپر است. با یک رویکرد گسسته، طراحی مجدد ممکن است مورد نیاز باشد زیرا اکثر اجزای گسسته نیاز به به روز رسانی دارند.
محصولات ورودی دیجیتال یکپارچه به طور کلی از هر سه نوع پشتیبانی می کنند. در اصل، نوع 1 و نوع 3 معمولاً توسط دستگاه های ورودی دیجیتال یکپارچه پشتیبانی می شوند. با این حال، برای برآورده کردن حداقل جریان 6 میلی آمپر مورد نیاز برای ورودی های نوع 2، دو کانال باید به صورت موازی برای یک ورودی فیلد متصل شوند. فقط مقاومت محدود کننده فعلی-به تنظیم نیاز دارد. این نیاز به یک اصلاح جزئی PCB دارد.
به عنوان مثال، دستگاه های فعلی ADI DI دارای محدودیت جریان 3.5 میلی آمپر در کانال هستند. بنابراین، همانطور که در شکل نشان داده شده است، زمانی که از دو کانال به صورت موازی استفاده می شود و سیستم باید ورودی های نوع 2 را در خود جای دهد، مقاومت های REFDI و RIN باید تنظیم شوند. برای برخی از اجزای جدیدتر، مقدار فعلی را می توان از طریق پین یا نرم افزار نیز انتخاب کرد.
شکل 5. استفاده از دو کانال به صورت موازی برای پشتیبانی از دو نوع ورودی دیجیتال-
برای پشتیبانی از سیگنال های ورودی دیجیتال 48 ولت (که یک نیاز معمول نیست)، فرآیند مشابهی مورد نیاز است، که نیاز به افزودن یک مقاومت خارجی برای تنظیم آستانه ولتاژ در انتهای میدان دارد. مقدار این مقاومت خارجی را طوری تنظیم کنید که «محدودیت جریان * آستانه + R» پین با مشخصات آستانه ولتاژ در انتهای میدان مطابقت داشته باشد (به برگه اطلاعات دستگاه مراجعه کنید).
در نهایت، از آنجایی که ماژول ورودی دیجیتال به سنسورها متصل می شود، طراحی باید ویژگی های عملیاتی قابل اعتماد را داشته باشد. هنگام استفاده از یک راه حل مجزا، این ویژگی های حفاظتی باید به دقت طراحی شوند. هنگام انتخاب یک دستگاه ورودی دیجیتال یکپارچه، اطمینان حاصل کنید که موارد زیر مطابق با استانداردهای صنعت تعیین شده است:
● محدوده ولتاژ ورودی گسترده (مثلاً تا 40 ولت).
● قابلیت استفاده از برق میدانی (7 ولت تا 65 ولت).
● تحمل ESD بالا (±15kV شکاف هوا ESD) و قابلیت موج (معمولا 1kV).
ارائه تشخیص اضافه ولتاژ و دمای بیش از حد نیز برای فعال کردن MCU برای انجام اقدامات مناسب مفید است.
طراحی ماژول‌های خروجی دیجیتال{0}}کانال{1} با چگالی بالا
یک طراحی خروجی دیجیتال گسسته معمولی دارای یک FET با مدار راه انداز است که توسط یک میکروکنترلر هدایت می شود. برای پیکربندی FET برای هدایت میکروکنترلر می توان از روش های مختلفی استفاده کرد.
یک سوئیچ بار کناری بالا به عنوان کلیدی تعریف می‌شود که توسط یک سیگنال فعال خارجی کنترل می‌شود که منبع تغذیه را از یک بار مشخص وصل یا قطع می‌کند. در مقایسه با یک سوئیچ پایین- بار جانبی، یک سوئیچ-بالایی، جریان را به بار می‌رساند، در حالی که یک سوئیچ پایین- اتصال زمین بار را متصل یا قطع می‌کند و جریان را از بار می‌گیرد. اگرچه هر دو از یک FET استفاده می‌کنند، مشکل کلیدهای جانبی پایین‌تر-این است که بار ممکن است به زمین کوتاه شود. سوئیچ های کناری بالا با جلوگیری از اتصال کوتاه به زمین، از بار محافظت می کنند. با این حال،{10}}سوئیچ های جانبی پایین هزینه کمتری برای پیاده سازی دارند. گاهی اوقات، درایور خروجی نیز به عنوان یک سوئیچ فشار{12}پیکربندی می‌شود که به دو ماسفت نیاز دارد. شکل 6 را در زیر ببینید:
شکل 6. پیکربندی های مختلف مورد استفاده برای درایور خروجی دیجیتال
دستگاه های DO یکپارچه می توانند چندین کانال DO را در یک جزء واحد ترکیب کنند. از آنجایی که سوئیچ‌های-سمت بالا، پایین- و فشار{3} از پیکربندی‌های FET مختلف استفاده می‌کنند، می‌توان از دستگاه‌های مجزایی برای پیاده‌سازی هر نوع درایور خروجی استفاده کرد.
برای بارهای القایی-جلوگیری از مغناطیس‌زدایی تعبیه شده است
مزیت کلیدی دستگاه‌های خروجی دیجیتال یکپارچه، قابلیت مغناطیسی‌زدایی داخلی آنها برای بارهای القایی است.
بار القایی هر وسیله ای است که حاوی یک سیم پیچ باشد که وقتی برق می گیرد، معمولاً کارهای مکانیکی{0}}مانند شیرهای برقی، موتورها و محرک ها را انجام می دهد. میدان مغناطیسی تولید شده توسط جریان می‌تواند کنتاکت‌های سوئیچ را در رله‌ها یا کنتاکتورها برای کارکردن دریچه‌های برقی حرکت دهد یا شفت موتور را بچرخاند. در بیشتر موارد، مهندسان از سوئیچ‌های جانبی بالا-برای کنترل بارهای القایی استفاده می‌کنند. چالش در تخلیه سلف زمانی است که کلید خاموش می شود و جریان به بار نمی رسد. اثرات منفی ناشی از تخلیه نامناسب عبارتند از: تماس های رله ممکن است قوس شوند، نوک ولتاژ منفی بزرگ می تواند به آی سی های حساس آسیب برساند، و صدای فرکانس بالا یا EMI تولید می شود که در نهایت بر عملکرد سیستم تأثیر می گذارد.
در راه حل های گسسته، رایج ترین رویکرد برای تخلیه بارهای القایی استفاده از دیود چرخ آزاد است. در این مدار، وقتی کلید بسته است، دیود معکوس-بایاس شده و هدایت نمی‌شود. هنگامی که سوئیچ باز می شود، ولتاژ تغذیه منفی در سرتاسر سلف به سمت جلو-دیود را بایاس می کند و انرژی ذخیره شده را با هدایت جریان از طریق آن تا رسیدن به حالت ثابت با جریان صفر، هدر می دهد.
برای بسیاری از کاربردها، به‌ویژه کاربردهای صنعتی که در آن هر کارت ورودی/خروجی چندین کانال خروجی دارد، این دیود اغلب بزرگ است و هزینه و ردپای طراحی را به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.
دستگاه های خروجی دیجیتال مدرن این عملکرد را با استفاده از یک مدار گیره فعال به صورت داخلی اجرا می کنند. به عنوان مثال، ADI از یک ویژگی SafeDemag™ ثبت اختراع استفاده می کند که دستگاه های خروجی دیجیتال را قادر می سازد تا بارها را بدون محدودیت توسط سلف ها به طور ایمن خاموش کنند. برای جزئیات بیشتر، اینجا را کلیک کنید تا به یادداشت برنامه در وب سایت دسترسی پیدا کنید.
هنگام انتخاب دستگاه های خروجی دیجیتال، چندین فاکتور حیاتی باید در نظر گرفته شود. مشخصات زیر را در برگه اطلاعات به دقت بررسی کنید:
● حداکثر امتیاز جریان پیوسته را بررسی کنید و اطمینان حاصل کنید که خروجی های متعدد می توانند در صورت نیاز برای دستیابی به درایورهای جریان بالاتر موازی شوند.
● تأیید کنید که دستگاه خروجی می‌تواند چندین کانال{0}} جریان بالا (بیش از محدوده دما) را هدایت کند. برای اطمینان از پایین بودن مقدار مقاومت، جریان تغذیه و مقاومت حرارتی تا حد امکان با برگه داده مشورت کنید.
● مشخصات دقت درایو جریان خروجی نیز حیاتی است.
اطلاعات تشخیصی برای بازیابی از برخی شرایط عملیاتی خارج از محدوده، حیاتی است. ابتدا اطلاعات تشخیصی برای هر کانال خروجی مطلوب است. این شامل دما، جریان اضافه،{4}}مدار باز و تشخیص مدار کوتاه-می‌شود. از دیدگاه سطح تراشه، تشخیص‌های مهم شامل خاموشی حرارتی، ولتاژ پایین VDD، و تشخیص SPI هستند. به دنبال برخی یا همه این تشخیص ها در دستگاه های خروجی دیجیتال یکپارچه باشید.
دستگاه های ورودی/خروجی دیجیتال قابل برنامه ریزی
ادغام DI و DO در آی سی امکان ایجاد محصولات قابل تنظیم را فراهم می کند. این نمونه ای از یک محصول 4 کاناله است که می تواند به عنوان ورودی یا خروجی پیکربندی شود.
شکل 7.4 محصولات DI/DO قابل تنظیم برای راه حل های پیاده سازی کانال
دارای یک هسته DIO است که کانال‌های مجزا را قادر می‌سازد به صورت DI (نوع 1/3 یا نوع 2) یا خروجی دیجیتال در حالت کشش بالا-سمت یا فشار{4}}پیکربندی شوند. حد فعلی در DO را می توان از 130 میلی آمپر تا 1.2 آمپر تنظیم کرد. در تابع مغناطیس زدایی داخلی-. جابجایی بین ورودی های دیجیتال نوع 1/3 و نوع 2 فقط به پیکربندی پین نیاز دارد و نیاز به مقاومت های خارجی را از بین می برد.
پیکربندی این دستگاه ها نه تنها آسان است، بلکه برای محیط های صنعتی نیز به اندازه کافی ناهموار هستند. این به معنی حفاظت ESD بالا، حفاظت از ولتاژ منبع تغذیه تا 60 ولت و حفاظت از خط-به-در برابر نوسانات زمین است.
این به عنوان نمونه ای از این عمل می کند که چگونه یک رویکرد یکپارچه می تواند احتمالات بیشتری را باز کند (ماژول های DI/DO قابل تنظیم).
نتیجه گیری
هنگام طراحی ماژول‌های ورودی یا خروجی دیجیتال با تراکم بالا، زمانی که چگالی کانال از یک آستانه خاص فراتر رفت، راه‌حل‌های مجزا غیرعملی می‌شوند. گزینه های دستگاه یکپارچه باید از نظر مدیریت حرارتی، قابلیت اطمینان و ملاحظات اندازه به دقت ارزیابی شوند.
هنگام انتخاب دستگاه‌های DI یا DO یکپارچه، نقاط داده کلیدی، از جمله ویژگی‌های عملیاتی قابل اعتماد، عیب‌یابی، و پشتیبانی از پیکربندی‌های چند ورودی{0}خروجی، توجه را ایجاب می‌کنند.