Criação de módulos de E/S digital de-canal-de alta densidade para controladores de automação industrial de-próxima geração
[Introdução] À medida que a onda da Indústria 4.0 se espalha pelo cenário, os sensores inteligentes estão se tornando cada vez mais predominantes nos ambientes fabris. A ampla adoção de sensores está provocando uma mudança significativa: a necessidade de processar grandes volumes de E/S-tanto digitais quanto analógicas-dentro de controladores legados. Conseqüentemente, o desenvolvimento de módulos de E/S de alta{5}}densidade que mantêm tamanho gerenciável e perfis térmicos tornou-se crítico. Neste artigo, a ADI se concentra em E/S digital.
Normalmente, a E/S digital em CLPs consiste em componentes discretos, como resistores/capacitores ou drivers FET separados. Para minimizar o tamanho do controlador e ao mesmo tempo lidar com 2 a 4 vezes mais canais, a indústria está mudando de soluções discretas para soluções integradas.
Além disso, a abordagem discreta tem inúmeras desvantagens, particularmente quando cada módulo lida com oito ou mais canais. Na verdade, a mera menção à alta dissipação térmica/de energia, ao grande volume de componentes discretos (considerando o tamanho e o tempo médio entre falhas (MTBF)) e a necessidade de especificações de sistema confiáveis é suficiente para demonstrar a impraticabilidade da abordagem discreta.
A Figura 1 ilustra os desafios técnicos encontrados ao construir módulos de entrada digital (DI) e saída digital (DO) de alta-densidade. Os sistemas DI e DO exigem uma consideração cuidadosa do tamanho e do gerenciamento térmico.
Figura 1. Considerações para Módulos de Entrada e Saída Digital
Para entradas digitais, observe que ele suporta vários tipos de entrada, incluindo entradas Classe 1/2/3 e, em alguns casos, entradas de 24 V e 48 V. Em todos os cenários, características operacionais confiáveis são fundamentais e até mesmo a detecção-de circuito aberto é crítica.
Para saídas digitais, o sistema emprega diferentes configurações de FET para acionar cargas. A precisão da corrente do inversor normalmente é uma consideração importante. O diagnóstico também deve ser levado em consideração para muitas aplicações.
Abaixo, exploramos como soluções integradas podem ajudar a enfrentar alguns desses desafios.
Projetando módulos de entrada digital-de canal-de alta densidade
Projetos discretos tradicionais empregam redes divisoras de resistores para converter sinais de 24V/48V em sinais utilizáveis por microcontroladores. Filtros RC discretos também podem ser usados no front-end. Às vezes, optoacopladores externos são empregados quando o isolamento é necessário.
A Figura 2 ilustra uma abordagem discreta típica para construção de circuitos de entrada digital.
Figura 2. Projeto tradicional de entrada digital usando lógica discretaEste tipo de design é adequado para um certo número de entradas digitais, especificamente 4 a 8 por placa. Além deste número, o projeto rapidamente se torna impraticável. Esta abordagem discreta introduz vários problemas, incluindo:
● Alto consumo de energia e pontos de acesso associados na placa.
● Cada canal requer um optoacoplador separado.
● O excesso de componentes leva a baixas taxas de FIT e pode exigir dispositivos maiores.
Mais criticamente, a abordagem de projeto discreto implica que a corrente de entrada aumenta linearmente com a tensão de entrada. Considere um resistor de entrada de 2,2 KΩ e VIN de 24 V. Quando a entrada é 1 (por exemplo, em 24V), a corrente de entrada é 11mA, o que equivale a uma dissipação de potência de 264mW. Um módulo de 8 canais consome mais de 2W, enquanto um módulo de 32 canais excede 8W. Veja a Figura 3 abaixo:
Figura 3. Consumo estimado de energia do módulo de entrada digital construído usando lógica discreta
Apenas do ponto de vista térmico, esse design discreto não pode suportar vários canais em uma única placa.
Uma das principais vantagens dos designs de entrada digital integrada é a redução significativa do consumo de energia, minimizando assim os requisitos térmicos. A maioria dos dispositivos de entrada digital integrados permite limitar a corrente de entrada configurável para reduzir substancialmente o consumo de energia.
Quando o limite de corrente é definido para 2,6 mA, o consumo de energia cai significativamente para aproximadamente 60 mW por canal. O consumo nominal de energia para um módulo de entrada digital de 8 canais agora pode ser definido abaixo de 0,5 watts, conforme mostrado na Figura 4 abaixo:
Figura 4. Economia de energia estimada para módulos de entrada digital usando chips DI integrados
Outra razão contra o uso de projetos lógicos discretos é que os módulos DI às vezes devem suportar diferentes tipos de entrada. O padrão-publicado pela IEC para entradas digitais de 24 V especifica os tipos 1, 2 e 3. Os tipos 1 e 3 normalmente são usados juntos porque seus limites de corrente e limite são muito semelhantes. O tipo 2 tem um limite de corrente mais alto de 6mA. Com uma abordagem discreta, o redesenho pode ser necessário, uma vez que a maioria dos componentes discretos precisaria de atualização.
Os produtos de entrada digital integrados geralmente suportam todos os três tipos. Essencialmente, o Tipo 1 e o Tipo 3 são normalmente suportados por dispositivos de entrada digital integrados. Entretanto, para atender ao requisito mínimo de corrente de 6 mA para entradas Tipo 2, dois canais devem ser conectados em paralelo para uma única entrada de campo. Somente o resistor limitador-de corrente precisa de ajuste. Isso requer uma pequena modificação no PCB.
Por exemplo, os dispositivos ADI DI atuais têm um limite de corrente de 3,5 mA/canal. Portanto, conforme mostrado na figura, quando dois canais são utilizados em paralelo e o sistema deve acomodar entradas Tipo 2, os resistores REFDI e RIN devem ser ajustados. Para alguns componentes mais recentes, o valor atual também pode ser selecionado através de pinos ou software.
Figura 5. Usando dois canais em paralelo para suportar dois-tipos de entradas digitais
Para suportar sinais de entrada digital de 48 V (o que não é um requisito comum), é necessário um processo semelhante, necessitando da adição de um resistor externo para ajustar o limite de tensão na extremidade do campo. Defina o valor deste resistor externo de forma que o "limite de corrente * R + limite" do pino atenda à especificação de limite de tensão na extremidade do campo (consulte a folha de dados do dispositivo).
Finalmente, como o módulo de entrada digital se conecta a sensores, o projeto deve atender a características operacionais confiáveis. Ao usar uma solução discreta, esses recursos de proteção devem ser cuidadosamente projetados. Ao selecionar um dispositivo de entrada digital integrado, certifique-se de que o seguinte seja determinado de acordo com os padrões da indústria:
● Ampla faixa de tensão de entrada (por exemplo, até 40V).
● Capacidade de usar alimentação de campo (7V a 65V).
● Alta tolerância a ESD (entreferro ESD de ±15kV) e capacidade de surto (normalmente 1kV).
Fornecer diagnósticos de sobretensão e sobretemperatura também é benéfico para permitir que o MCU tome as ações apropriadas.
Projetando módulos de saída digital de-canal-de alta densidade
Um projeto típico de saída digital discreta apresenta um FET com um circuito driver, acionado por um microcontrolador. Vários métodos podem ser usados para configurar o FET para acionar o microcontrolador.
Um comutador de carga lateral-superior é definido como aquele controlado por um sinal de ativação externo que conecta ou desconecta a fonte de alimentação de uma determinada carga. Comparado a um interruptor de carga do lado-inferior, um interruptor do lado-superior fornece corrente para a carga, enquanto um interruptor do lado-inferior conecta ou desconecta a conexão de aterramento da carga, extraindo corrente da carga. Embora ambos usem um único FET, o problema com os interruptores do lado-inferior é que a carga pode entrar em curto com o terra. Os interruptores-do lado alto protegem a carga evitando curtos-circuitos à terra. No entanto, os interruptores-do lado inferior são menos dispendiosos de implementar. Às vezes, o driver de saída também é configurado como um switch push-pull, exigindo dois MOSFETs. Veja a Figura 6 abaixo:
Figura 6. Diferentes configurações utilizadas para o driver de saída digital
Dispositivos de DO integrados podem combinar vários canais de DO em um único componente. Como os switches do lado superior-, do lado inferior-e do lado push-pull empregam diferentes configurações de FET, dispositivos distintos podem ser usados para implementar cada tipo de driver de saída.
Desmagnetização-integrada para cargas indutivas
Uma vantagem importante dos dispositivos de saída digital integrados é a capacidade-integrada de desmagnetização para cargas indutivas.
Uma carga indutiva é qualquer dispositivo contendo uma bobina que, quando energizada, normalmente executa trabalho mecânico-como válvulas solenóides, motores e atuadores. O campo magnético gerado pela corrente pode mover contatos de comutação em relés ou contatores para operar válvulas solenóides ou girar o eixo de um motor. Na maioria dos casos, os engenheiros usam chaves laterais-altas para controlar cargas indutivas. O desafio está em descarregar o indutor quando a chave é desligada e a corrente deixa de fluir para a carga. Os efeitos negativos da descarga inadequada incluem: contatos de relé podem formar arco, grandes picos de tensão negativa podem danificar ICs sensíveis e ruído de alta-frequência ou EMI é gerado, afetando, em última análise, o desempenho do sistema.
Em soluções discretas, a abordagem mais comum para descarregar cargas indutivas é utilizar um diodo de roda livre. Neste circuito, quando a chave é fechada, o diodo é polarizado-reversamente e não conduz. Quando a chave abre, a tensão de alimentação negativa no indutor polariza diretamente o diodo, dissipando a energia armazenada ao conduzir corrente através dele até que um estado estacionário com corrente zero seja alcançado.
Para muitas aplicações, especialmente as industriais, onde cada placa de E/S possui vários canais de saída, esse diodo costuma ser grande, aumentando significativamente o custo e o espaço ocupado pelo projeto.
Dispositivos modernos de saída digital implementam essa funcionalidade internamente usando um circuito de fixação ativo. Por exemplo, a ADI emprega um recurso patenteado SafeDemag™ que permite que dispositivos de saída digital desliguem cargas com segurança sem serem restringidos por indutores. Para mais detalhes, clique aqui para acessar a nota de aplicação no site.
Ao selecionar dispositivos de saída digital, vários fatores críticos devem ser considerados. Revise cuidadosamente as seguintes especificações na folha de dados:
● Verifique a classificação máxima de corrente contínua e certifique-se de que múltiplas saídas possam ser colocadas em paralelo quando necessário para obter drivers de corrente mais altos.
● Verifique se o dispositivo de saída pode acionar vários canais-de alta corrente (excedendo a faixa de temperatura). Consulte a folha de dados para garantir que os valores de-resistência, corrente de alimentação e resistência térmica sejam os mais baixos possíveis.
● As especificações de precisão do inversor de corrente de saída também são críticas.
As informações de diagnóstico são vitais para a recuperação de determinadas condições operacionais-fora-da faixa. Primeiro, é desejável informação de diagnóstico para cada canal de saída. Isso inclui detecção de temperatura, sobrecorrente,-circuito aberto e curto-circuito. Do ponto de vista-do chip, diagnósticos importantes incluem desligamento térmico, subtensão de VDD e diagnóstico de SPI. Procure alguns ou todos esses diagnósticos em dispositivos de saída digital integrados.
Dispositivos de entrada/saída digitais programáveis
A integração de DI e DO no IC permite a criação de produtos configuráveis. Este é um exemplo de produto de 4 canais que pode ser configurado como entradas ou saídas.
Figura 7.4 Produtos DI/DO configuráveis para soluções de implementação de canal
Ele possui um núcleo DIO, permitindo que canais individuais sejam configurados como DI (Tipo 1/3 ou Tipo 2) ou saída digital no modo high-side ou push-pull. O limite de corrente em DO pode ser definido de 130mA a 1,2A. Função de desmagnetização-integrada. A comutação entre entradas digitais Tipo 1/3 e Tipo 2 requer apenas configuração de pinos, eliminando a necessidade de resistores externos.
Esses dispositivos não são apenas fáceis de configurar, mas também robustos o suficiente para ambientes industriais. Isso se traduz em alta proteção ESD, proteção de tensão de fonte de alimentação de até 60 V e proteção contra surtos de linha-para{3}}aterramento.
Isto serve como um exemplo de como uma abordagem integrada pode desbloquear maiores possibilidades (módulos DI/DO configuráveis).
Conclusão
Ao projetar módulos de entrada ou saída digital de alta-densidade, soluções discretas tornam-se impraticáveis quando a densidade do canal excede um determinado limite. As opções de dispositivos integrados devem ser avaliadas cuidadosamente quanto ao gerenciamento térmico, confiabilidade e considerações de tamanho.
Ao selecionar dispositivos DI ou DO integrados, os principais pontos de dados merecem atenção, incluindo características operacionais confiáveis, diagnósticos e suporte para múltiplas configurações de entrada-saída.