การพัฒนาโมดูล I/O ดิจิทัลที่มีความหนาแน่นสูง-ช่อง-

การสร้าง-ช่องสัญญาณ-โมดูล I/O ดิจิทัลที่มีความหนาแน่นสูงสำหรับ-ตัวควบคุมระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมรุ่นถัดไป

[บทนำ] ในขณะที่คลื่นแห่งอุตสาหกรรม 4.0 แผ่ขยายไปทั่วภูมิทัศน์ เซ็นเซอร์อัจฉริยะกำลังแพร่หลายมากขึ้นในสภาพแวดล้อมของโรงงาน การนำเซ็นเซอร์มาใช้อย่างแพร่หลายกำลังทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญ นั่นคือ ความจำเป็นในการประมวลผล I/O จำนวนมาก-ทั้งแบบดิจิทัลและแอนะล็อก-ภายในตัวควบคุมแบบเดิม ด้วยเหตุนี้ การพัฒนาโมดูล I/O ความหนาแน่นสูง-ที่รักษาขนาดและโปรไฟล์การระบายความร้อนจึงกลายเป็นเรื่องสำคัญ ในบทความนี้ ADI มุ่งเน้นไปที่ I/O ดิจิทัล

โดยทั่วไป I/O ดิจิทัลใน PLC ประกอบด้วยส่วนประกอบที่แยกจากกัน เช่น ตัวต้านทาน/ตัวเก็บประจุ หรือไดรเวอร์ FET ที่แยกจากกัน เพื่อลดขนาดคอนโทรลเลอร์ให้เหลือน้อยที่สุดในขณะที่จัดการช่องสัญญาณได้มากขึ้น 2 ถึง 4 เท่า อุตสาหกรรมกำลังเปลี่ยนจากโซลูชันแบบแยกเป็นโซลูชันแบบรวม

สำหรับอินพุตดิจิตอล โปรดทราบว่ารองรับอินพุตประเภทต่างๆ รวมถึงอินพุต Class 1/2/3 และในบางกรณี อินพุต 24V และ 48V ในทุกสถานการณ์ ลักษณะการทำงานที่เชื่อถือได้เป็นสิ่งสำคัญยิ่ง และแม้แต่การตรวจจับวงจรเปิดก็มีความสำคัญอย่างยิ่ง

สำหรับเอาต์พุตดิจิทัล ระบบจะใช้การกำหนดค่า FET ที่แตกต่างกันเพื่อขับเคลื่อนโหลด โดยทั่วไปความแม่นยำของกระแสไฟของไดรฟ์ถือเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญ การวินิจฉัยยังต้องคำนึงถึงในการใช้งานหลายๆ อย่างด้วย

ด้านล่างนี้ เราจะสำรวจว่าโซลูชันแบบผสานรวมสามารถช่วยจัดการกับความท้าทายเหล่านี้ได้อย่างไร

การออกแบบโมดูลอินพุตดิจิทัลความหนาแน่นสูง-ช่อง-

การออกแบบแยกแบบดั้งเดิมใช้เครือข่ายตัวแบ่งตัวต้านทานเพื่อแปลงสัญญาณ 24V/48V ให้เป็นสัญญาณที่ไมโครคอนโทรลเลอร์ใช้งานได้ อาจใช้ตัวกรอง Discrete RC ในส่วนหน้าด้วย ออปโตคัปเปลอร์ภายนอกบางครั้งอาจใช้เมื่อจำเป็นต้องแยกออก

รูปที่ 2 แสดงให้เห็นถึงแนวทางทั่วไปในการสร้างวงจรอินพุตแบบดิจิทัล

รูปที่ 2 การออกแบบอินพุตดิจิตอลแบบดั้งเดิมโดยใช้ลอจิกแบบแยก

การออกแบบประเภทนี้เหมาะสำหรับอินพุตดิจิทัลจำนวนหนึ่ง โดยเฉพาะ 4 ถึง 8 ตัวต่อบอร์ด นอกเหนือจากตัวเลขนี้ การออกแบบก็ใช้งานไม่ได้อย่างรวดเร็ว แนวทางที่ไม่ต่อเนื่องนี้ทำให้เกิดปัญหาต่างๆ มากมาย รวมไปถึง:

● ใช้พลังงานสูงและฮอตสปอตที่เกี่ยวข้องบนบอร์ด
● แต่ละช่องต้องใช้ออปโตคัปเปลอร์แยกกัน
● ส่วนประกอบที่มากเกินไปทำให้อัตรา FIT ต่ำและอาจจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ขนาดใหญ่

ที่สำคัญยิ่งกว่านั้น วิธีการออกแบบที่ไม่ต่อเนื่องบ่งบอกว่ากระแสอินพุตเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงกับแรงดันไฟฟ้าอินพุต พิจารณาตัวต้านทานอินพุต 2.2KΩ และ 24V VIN เมื่ออินพุตเป็น 1 (เช่น ที่ 24V) กระแสอินพุตจะเป็น 11mA ซึ่งเท่ากับการกระจายพลังงาน 264mW โมดูล 8 ช่องกินไฟมากกว่า 2W ในขณะที่โมดูล 32 ช่องกินไฟเกิน 8W ดูรูปที่ 3 ด้านล่าง:

รูปที่ 3 การใช้พลังงานโดยประมาณของโมดูลอินพุตดิจิตอลที่สร้างขึ้นโดยใช้ลอจิกแยก

เพื่อรองรับสัญญาณอินพุตดิจิตอล 48V (ไม่ใช่ข้อกำหนดทั่วไป) จำเป็นต้องมีกระบวนการที่คล้ายกัน โดยจำเป็นต้องเพิ่มตัวต้านทานภายนอกเพื่อปรับเกณฑ์แรงดันไฟฟ้าที่ปลายสนาม ตั้งค่าของตัวต้านทานภายนอกนี้เพื่อให้ "ขีดจำกัดกระแส * R + ขีดจำกัด" ของพินเป็นไปตามข้อกำหนดขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าที่ปลายสนาม (โปรดดูเอกสารข้อมูลอุปกรณ์)

สุดท้ายนี้ เนื่องจากโมดูลอินพุตดิจิทัลเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ การออกแบบจึงต้องตรงตามลักษณะการทำงานที่เชื่อถือได้ เมื่อใช้โซลูชันแบบแยก คุณลักษณะการป้องกันเหล่านี้ต้องได้รับการออกแบบอย่างระมัดระวัง เมื่อเลือกอุปกรณ์อินพุตดิจิทัลแบบรวม ตรวจสอบให้แน่ใจว่าสิ่งต่อไปนี้ได้รับการกำหนดตามมาตรฐานอุตสาหกรรม:

● ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตกว้าง (เช่น สูงสุด 40V)

● ความสามารถในการใช้พลังงานสนาม (7V ถึง 65V)

● ความทนทานต่อ ESD สูง (±15kV ช่องว่างอากาศ ESD) และความสามารถในการกระชาก (โดยทั่วไปคือ 1kV)

การระบุการวินิจฉัยแรงดันไฟฟ้าเกินและอุณหภูมิเกินยังเป็นประโยชน์ในการช่วยให้ MCU ดำเนินการได้อย่างเหมาะสม

การออกแบบโมดูลเอาต์พุตดิจิทัลที่มีความหนาแน่นสูง-ช่อง-

การออกแบบเอาต์พุตดิจิทัลแบบแยกทั่วไปมี FET พร้อมวงจรไดรเวอร์ ซึ่งขับเคลื่อนโดยไมโครคอนโทรลเลอร์ สามารถใช้วิธีการต่างๆ เพื่อกำหนดค่า FET เพื่อขับเคลื่อนไมโครคอนโทรลเลอร์ได้

สวิตช์โหลดด้านข้าง-ถูกกำหนดให้เป็นสวิตช์ที่ควบคุมโดยสัญญาณเปิดใช้งานภายนอกที่เชื่อมต่อหรือตัดการเชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟจากโหลดที่กำหนด เมื่อเปรียบเทียบกับสวิตช์โหลดด้านล่าง- สวิตช์ด้านบน-จ่ายกระแสให้กับโหลด ในขณะที่สวิตช์ด้านล่าง-จะเชื่อมต่อหรือตัดการเชื่อมต่อกราวด์ของโหลด โดยดึงกระแสไฟฟ้าจากโหลด แม้ว่าทั้งคู่จะใช้ FET ตัวเดียว แต่ปัญหาของสวิตช์ด้านล่าง-ก็คือโหลดอาจลัดวงจรลงกราวด์ สวิตช์ด้านข้างสูง-ช่วยป้องกันโหลดโดยป้องกันไม่ให้ไฟฟ้าลัดวงจร อย่างไรก็ตาม สวิตช์ฝั่งต่ำ-มีราคาถูกกว่าการติดตั้ง บางครั้ง ไดรเวอร์เอาท์พุตยังได้รับการกำหนดค่าเป็นสวิตช์พุช- ซึ่งต้องใช้ MOSFET สองตัว ดูรูปที่ 6 ด้านล่าง:

รูปที่ 6. การกำหนดค่าต่างๆ ที่ใช้สำหรับไดรเวอร์เอาต์พุตดิจิทัล

อุปกรณ์ DO ในตัวสามารถรวมช่อง DO หลายช่องให้เป็นส่วนประกอบเดียวได้ เนื่องจากสวิตช์ด้านสูง-ด้านต่ำ- และแบบกด-ใช้การกำหนดค่า FET ที่แตกต่างกัน อุปกรณ์ที่แตกต่างกันจึงสามารถนำมาใช้เพื่อใช้งานไดรเวอร์เอาท์พุตแต่ละประเภทได้

ระบบลดอำนาจแม่เหล็กในตัว-สำหรับโหลดแบบเหนี่ยวนำ

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของอุปกรณ์เอาต์พุตดิจิทัลแบบรวมคือ-ความสามารถในการล้างอำนาจแม่เหล็กในตัวสำหรับโหลดแบบเหนี่ยวนำ

โหลดแบบเหนี่ยวนำคืออุปกรณ์ใดๆ ที่ประกอบด้วยขดลวดซึ่งเมื่อได้รับพลังงานแล้วมักจะทำงานทางกล-เช่น โซลินอยด์วาล์ว มอเตอร์ และแอคชูเอเตอร์ สนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสสามารถเคลื่อนย้ายหน้าสัมผัสสวิตช์ในรีเลย์หรือคอนแทคเตอร์เพื่อใช้งานโซลินอยด์วาล์ว หรือหมุนเพลาของมอเตอร์ ในกรณีส่วนใหญ่ วิศวกรใช้สวิตช์ด้านข้างสูง-เพื่อควบคุมโหลดแบบเหนี่ยวนำ ความท้าทายอยู่ที่การปล่อยประจุของตัวเหนี่ยวนำเมื่อสวิตช์ปิดและกระแสหยุดไหลเข้าสู่โหลด ผลกระทบด้านลบจากการคายประจุที่ไม่เหมาะสม ได้แก่: หน้าสัมผัสรีเลย์อาจเกิดส่วนโค้ง แรงดันไฟลบขนาดใหญ่ที่พุ่งสูงขึ้นสามารถสร้างความเสียหายให้กับ IC ที่มีความไว และ-สัญญาณรบกวนความถี่สูงหรือ EMI ถูกสร้างขึ้น ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพของระบบในท้ายที่สุด

ในโซลูชันแบบแยกส่วน วิธีการทั่วไปในการคายประจุโหลดอุปนัยคือการใช้ไดโอดแบบหมุนอิสระ ในวงจรนี้ เมื่อปิดสวิตช์ ไดโอดจะกลับตัว-และไม่นำไฟฟ้า เมื่อสวิตช์เปิดขึ้น แรงดันไฟฟ้าที่เป็นลบที่พาดผ่านตัวเหนี่ยวนำไปข้างหน้า-จะทำให้ไดโอดมีอคติ โดยจะกระจายพลังงานที่เก็บไว้โดยการนำกระแสผ่านตัวเหนี่ยวนำจนกระทั่งถึงสถานะคงที่โดยมีกระแสเป็นศูนย์

สำหรับการใช้งานหลายประเภท โดยเฉพาะอย่างยิ่งในงานอุตสาหกรรมที่การ์ด I/O แต่ละตัวมีช่องสัญญาณเอาท์พุตหลายช่อง ไดโอดนี้มักจะมีขนาดใหญ่ ทำให้ต้นทุนและการออกแบบเพิ่มขึ้นอย่างมาก

อุปกรณ์เอาท์พุตดิจิทัลสมัยใหม่ใช้ฟังก์ชันนี้ภายในโดยใช้วงจรแคลมป์แบบแอคทีฟ ตัวอย่างเช่น ADI ใช้คุณลักษณะ SafeDemag™ ที่ได้รับการจดสิทธิบัตร ซึ่งช่วยให้อุปกรณ์เอาต์พุตดิจิทัลสามารถปิดโหลดได้อย่างปลอดภัยโดยไม่ถูกจำกัดโดยตัวเหนี่ยวนำ สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม คลิกที่นี่เพื่อเข้าถึงบันทึกการสมัครบนเว็บไซต์

เมื่อเลือกอุปกรณ์เอาท์พุตดิจิทัล ต้องพิจารณาปัจจัยสำคัญหลายประการ ตรวจสอบข้อกำหนดต่อไปนี้อย่างละเอียดในเอกสารข้อมูล:

● ตรวจสอบอัตรากระแสไฟต่อเนื่องสูงสุด และให้แน่ใจว่าเอาต์พุตหลายตัวสามารถขนานกันได้เมื่อจำเป็นเพื่อให้ได้ไดรเวอร์กระแสไฟที่สูงขึ้น

● ตรวจสอบว่าอุปกรณ์เอาท์พุตสามารถขับเคลื่อนช่องกระแสสูง-ได้หลายช่อง (เกินช่วงอุณหภูมิ) ศึกษาเอกสารข้อมูลเพื่อให้แน่ใจว่า-ค่าความต้านทาน กระแสไฟที่จ่าย และความต้านทานความร้อนต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

● ข้อมูลจำเพาะด้านความแม่นยำของไดรฟ์กระแสเอาต์พุตก็มีความสำคัญเช่นกัน

ข้อมูลการวินิจฉัยมีความสำคัญสำหรับการกู้คืนจากสภาวะการทำงานนอก-ของ-ช่วงที่กำหนด ขั้นแรก ข้อมูลการวินิจฉัยสำหรับแต่ละช่องสัญญาณเอาท์พุตเป็นที่ต้องการ ซึ่งรวมถึงการตรวจจับอุณหภูมิ กระแสเกิน วงจร-เปิด และ-การลัดวงจร จากมุมมองระดับชิป- การวินิจฉัยที่สำคัญ ได้แก่ การปิดระบบระบายความร้อน แรงดันไฟฟ้า VDD ตก และการวินิจฉัย SPI ค้นหาการวินิจฉัยเหล่านี้บางส่วนหรือทั้งหมดในอุปกรณ์เอาท์พุตดิจิทัลแบบรวม

อุปกรณ์อินพุต/เอาท์พุตดิจิทัลที่ตั้งโปรแกรมได้

การรวม DI และ DO บน IC ช่วยให้สามารถสร้างผลิตภัณฑ์ที่กำหนดค่าได้ นี่คือตัวอย่างของผลิตภัณฑ์ 4 ช่องทางที่สามารถกำหนดค่าเป็นอินพุตหรือเอาต์พุตได้

รูปที่ 7.4 ผลิตภัณฑ์ DI/DO ที่กำหนดค่าได้สำหรับโซลูชันการนำ Channel ไปใช้

มีแกน DIO ซึ่งช่วยให้แต่ละช่องสามารถกำหนดค่าเป็น DI (ประเภท 1/3 หรือประเภท 2) หรือเอาต์พุตดิจิทัลในโหมดสูง-ด้านข้างหรือโหมดผลัก-ได้ สามารถตั้งค่าขีด จำกัด ปัจจุบันของ DO ได้ตั้งแต่ 130mA ถึง 1.2A ฟังก์ชันล้างอำนาจแม่เหล็กในตัว- การสลับระหว่างอินพุตดิจิตอลประเภท 1/3 และประเภท 2 ต้องใช้เพียงการกำหนดค่าพินเท่านั้น ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวต้านทานภายนอก

อุปกรณ์เหล่านี้ไม่เพียงแต่กำหนดค่าได้ง่าย แต่ยังทนทานเพียงพอสำหรับสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมอีกด้วย ซึ่งแปลงเป็นการป้องกัน ESD สูง การป้องกันแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟสูงถึง 60V และการป้องกันไฟกระชากจากสาย-ถึง-กราวด์

สิ่งนี้ทำหน้าที่เป็นตัวอย่างว่าแนวทางบูรณาการสามารถปลดล็อกความเป็นไปได้ที่มากขึ้นได้อย่างไร (โมดูล DI/DO ที่กำหนดค่าได้)

บทสรุป

เมื่อออกแบบโมดูลอินพุตหรือเอาท์พุตดิจิทัลที่มีความหนาแน่นสูง- โซลูชันแบบแยกจะใช้งานไม่ได้เมื่อความหนาแน่นของช่องสัญญาณเกินเกณฑ์ที่กำหนด ตัวเลือกอุปกรณ์แบบรวมต้องได้รับการประเมินอย่างรอบคอบเพื่อการพิจารณาการจัดการระบายความร้อน ความน่าเชื่อถือ และขนาด

เมื่อเลือกอุปกรณ์ DI หรือ DO ที่ผสานรวม จุดข้อมูลสำคัญรับประกันความสนใจ รวมถึงลักษณะการทำงานที่เชื่อถือได้ การวินิจฉัย และการสนับสนุนสำหรับการกำหนดค่าอินพุต-เอาต์พุตหลายรายการ