česky english Vítejte, dnes je středa 06. červenec 2022

Řešení flexibility průmyslových I/O modulů za pomoci softwarově konfigurovatelného hardwaru

DPS 3/2021 | Vývoj - články
Autor: Hakan Uenlue, Analog Devices

Ať už jsou I/O moduly neboli vstupně-výstupní karty používány ke zpracování informací pro řízení výroby, nebo v průmyslové automatizaci, jsou vystaveny mnoha výzvám po celý životní cyklus produktu. Produktoví inženýři typicky rozhodují o počtu kanálů a jejich kombinaci pro nově vyvíjený produkt. Návrháři následně přichází s řešením, které z hlediska výkonu a ceny optimalizuje celý systém vzhledem k typu vstupů/výstupů (analogový, digitální). V konečném důsledku technici, kteří fyzicky instalují systém u zákazníka, jsou zahlceni rozličnými technologiemi a nepřeberným počtem schémat zapojení. Nebyl by život přeci jen příjemnější, kdybychom mohli navrhnout systém tak flexibilní, kde se všechny požadavky na tento systém protínají a navzájem doplňují? Nová produktová řada softwarově konfigurovatelných vstupně-výstupních modulů (SWIO) dokáže adresovat tyto požadavky na vybraných pinech dynamicky.

Jako příklad si uveďme průmyslový PLC kontrolér nebo systém DCS (Distributed Control System) pro kontrolu procesů ve výrobním závodě. V závislosti na zákazníkovi bude mít každý systém odlišné systémové požadavky. Zvolit strategii a správně definovat produkt, je bezesporu velkým úkolem pro vývojové pracovníky [1]. Zákazník A může požadovat více analogových vstupů, jako například proudovou smyčku 4−20 mA, zatímco pro zákazníka B jsou důležitější digitální vstupy. Nebo zákazník A vyžaduje více analogových vstupů pro jeden produkt, ale další produkt v jeho portfoliu zase potřebuje více digitálních vstupů. Obr. 1 principiálně znázorňuje tento problém. Se vzestupem průmyslu 4.0 výrobci vyžadují zařazení flexibilních systémů do výrobního procesu, které mohou rychle a jednoduše reagovat na měnící se systémové požadavky ze strany zákazníků. V důsledku tak výrobci nemohou spoléhat na fixní, velkoobjemové systémy pro masový trh a předvídatelnou poptávku – naopak jsou požadovány systémy s možností rychlé rekonfigurovatelnosti s minimálním časem odstavení a bez vysokých investic.

 

Obr.č. 1 kanály (jpg)

SWIO integrované obvody umožňují programovat jednotlivé kanály jako analogové či digitální, ale i jako vstupy/výstupy. Dále mohou být efektivně nastaveny na 2- nebo 3vodičové měření odporových článků, případně termočlánků.

Softwarově konfigurovatelné I/O podporují standard ethernet a jeho průmyslovou variantu 10BASE-T1L (Industrial Ethernet). Komponenty jako SWIO umožňují standardizovaný vývoj vstupně-výstupních bloků schopných překládat komunikaci mezi HART senzory a aktuátory a průmyslovým ethernetem 10BASE-T1L.

Obr. 2 představuje AD74413R – 4kanálové SWIO zařízení navržené specificky pro řízení výrobních procesů, průmyslovou automatizaci nebo řízení budov. Konkrétně AD74413R je plně integrované monolitické řešení pro průmyslové aplikace. Disponuje 16-bit Sigma-Delta ADC převodníkem současně 4× 13bit DAC převodníkem v pouzdře 9 × 9 mm, 64vývodovým LFCSP kompatibilním s průmyslovým teplotním rozsahem –40 °C až +105 °C. Každý ze čtyř kanálů je konfigurovatelný přes SPI rozhraní zápisem do konfiguračních registrů, při rychlosti až 24 MHz. V registrové mapě lze výchozí nastavení optimalizovat pro každý operační režim.

 

Obr.č. 2 zapojení (png)

16bitový převodník Sigma-Delta je schopný měřit buď proud, nebo napětí až na 4 kanálech najednou. Zároveň dokáže zpracovávat až 4 diagnostické vstupy, a to vše během jednoho konverzního cyklu. Rychlost konverze je až 4,8 kSPS s možností dodatečné filtrace 50Hz a 60Hz složky signálu.

13bitové DAC převodníky dedikované na každý ze čtyř kanálů mají monotónní a lineární průběh. Dosahují proudové zatížitelnosti 25 mA a disponují detekcí chyb, včetně rozpojení obvodu. Podporují výstupní napětí v rozsahu 0−11 V.

AD74413R obsahuje velmi přesnou interní referenci pro ADC a DAC převod, která slouží zejména pro cenově dostupné aplikace, zatímco externí reference může být připojena k dosažení nejvyššího rozlišení a výkonu.

Možnosti nastavení a operační režimy

V tabulce 1 nalezneme přehled funkcí všech kanálů. Zařízení podporuje napěťový výstup, proudový výstup, napěťový vstup, proudový vstup (externě napájený nebo napájený ze smyčky), externí měření s RTD a digitální logiku na vstupech. Vysokoimpedanční režim je nastaven defaultně na každý port po resetu zařízení nebo po power-up sekvenci.

Výstupní napěťový zesilovač podporuje unipolární výstup až k hodnotě 11 V. Interní nábojová pumpa umožňuje výstupnímu zesilovači generovat „true-zero“ napětí. V tomto režimu externí měřicí odpor podává proudovou zpětnou vazbu, zatímco negativní zpětná vazba na SENSEL_x pinu reguluje napěťový rozsah.

V režimu proudový výstup je DAC schopen dodávat až 25 mA do zátěže. Tento proud je regulován skrze snímání rozdílového napětí přes snímací odpor připojený mezi SENSEL_x a SENSEH_x piny. V případě použití rezistivní zátěže ve snaze o regulaci výkonových ztrát na čipu, je možné připojení externího PMOS tranzistoru k posílení proudového výstupu a odlehčení daného SWIO výstupu.

Režim proudový vstup podporuje externě napájené nebo smyčkou napájené systémové konfigurace. 16bitový Sigma- Delta ADC automaticky měří proud přes snímací rezistor na pinech SENSEHF_x a SENSELF_x. Obě funkce jsou HART – kompatibilní, pokud je zajištěna 230Ω celková impedance na vstupní straně signálu [2].

Režim napěťový vstup měří napětí pomocí ADC převodníku skrze jeden z filtrovaných portů (SENSELF_x) a zemní snímací rezistor. Přídavný pull-down rezistor je možno aktivovat ve spojení s plovoucím napětím. V tomto režimu mohou být měřeny i termočlánky.

Režim odporového měření budí externí dvouvodičový RTD senzor s pomocí napětí odvozeného z 2,5V reference. Ratiometrické měření je docíleno pomocí pull-up rezistorů ve spojení s dříve jmenovaným budičem napětí. Nízkopříkonové excitační proudy minimalizují výkonové ztráty a redukují samozahřívání RTD článku.

Režim digitálního vstupu podporuje zařízení typu IEC 61131-2 Typ I, Typ II, a Typ III. Prahové úrovně jsou programovatelné přes vyhrazený registr. Každý kanál má dedikovaný GPO (generalpurpose output) a uživatelsky programovatelný debouncer.

Robustnost a diagnostika

AD74413R je navrženo pro aplikace v zarušených oblastech průmyslového odvětví a dokáže odolat přepěťovým událostem včetně chybného zapojení. Díky zabudovaným přepěťovým ochranám nevede zkratový proud do integrovaného obvodu skrz svorkovnice. TVS diody, známé jako transily, mohou být použity pro zvýšení elektrické robustnosti portů. V neposlední řadě AD74413R využívá CRC kontrolu pracující na SPI lince.

Množství diagnostických možností zajišťuje AD74413R správně fungovat a současně poskytovat varování před nejběžnějšími typy selhání. Tzv. diagnostika „on-chip“ monitoruje napájecí napětí, referenci, teplotu substrátu a teplotu svorkovnice.

Diagnostika teploty svorkovnice může detekovat přepólování, pokud se na terminálu objeví napětí větší než AVDD nebo menší než 0 V. Externí snímací rezistor dále zvyšuje diagnostické pokrytí a zároveň hlídá běžnou funkci obvodu za normálních podmínek.

Obvod například dokáže diagnostikovat zkrat v napěťových režimech nebo pomáhá při regulaci výstupního proudu v proudových režimech. AD74413R umožňuje budit zátěž pomocí napětí nebo proudu a tím testovat/stimulovat senzory či aktuátory. Uživatel tak může naprogramovat svůj vlastní sled kontrolních rutin na zařízeních použitých v poli.

Pokud se naplní některá podmínka pro vznik upozornění, pin ALERT se přepne do logické 1. Zdroj chyby pak následně lze vyčíst z registru ALERT_STATUS.

Doprovodná řešení

Jedním z hlavních parametrů očekávaných od I/O modulů nebo PLC zařízení je galvanická izolace dat na sběrnici a izolace napěťových domén. Pro obě varianty Analog Devices vytvořil dedikovaný izolátor zdroje napětí a dat. ADP1032 je vysoce účinná power management jednotka obsahující snižující DC-DC měnič v topologii flyback, doplněný izolátorem pro datové linky – schéma zapojení je ukázáno na obr. 2.

K zajištění velmi nízkého elektromagnetického vyzařování jsou zabudované DC-DC regulátory fázově posunuty. Flyback kontrolér dokáže vytvořit 6 V až 28 V DC na výstupu. Disponuje detekcí podpětí (UVLO), detekcí přepětí a zkratu, možností soft-start a kontrolou náběhu výstupu. Dále obsahuje 7 kanálů pro digitální izolaci – 4× pro SPI a 3× GPIO komunikaci.

Další typickou funkční vlastností I/O modulů je řízení relé a indikátorů. AD744133R podporuje konfiguraci GPO jako digitální výstup. S použitím externího PMOS tranzistoru a proudově limitujícího obvodu ADM1270 může takto nakonfigurovaný pin dodávat několik set mA a budit tak relé a indikátory. ADM1270 zde funguje jako člen regulující příkon do induktivní nebo rezistivní zátěže. Typické aplikační zapojení může být nalezeno na evaluační desce obvodu AD74413R.

AD5700 může sloužit jako modem pro systémy na bázi AD74413R, pokud je vyžadována funkce HART.

Obsahem tohoto článku bylo přiblížit industriální aplikace, a proto byl akcentován obvod AD74413R. Pro aplikace jako například řízení a správa budov je dostupná funkčně lehčí varianta obvodu AD74412R, která má nižší teplotní rozsah, nižší nároky na příkon a výstupní rozlišení a disponuje vstupním rozsahem napětí do 26,4 V.

Závěr

Se správně zvolenými integrovanými obvody SWIO mohou výrobci elektronických zařízení vyvíjet platformy, které nahradí fixní a neflexibilní vstupně-výstupní moduly používané ve starších zařízeních. Navíc tato technologie může být použita napříč aplikacemi, kde se požadavky na I/O mění s každou instalací. Stacionární řídicí jednotky v podobě jednotného zapojení pro danou funkcionalitu budou nahrazovány multifunkčními, rekonfigurovatelnými jednotkami, které dokážou obsloužit požadavky majority aplikací. SWIO technologie umí fungovat jako převodník k systémům založeným na ethernetu, protože mohou být přímo aplikovány na současné průmyslové instalace.

O autorovi

Hakan Uenlue je aplikační inženýr v Analog Devices. Svůj magisterský titul získal v oboru elektronické inženýrství na univerzitě ve Stuttgartu. Hakan je dostupný na emailové adrese hakan.uenlue@analog.com.

Odkazy:

[1] Bela G. Liptak. Instrument Engineers’ Handbook, Volume II: Process Control and Optimization. CRC Press, September 2005.

[2] HART Communication Protocol. FieldComm Group.

 

Obr.č. 3 zapojení (jpg)

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik