Промышленные цифровые (дискретные) входы — это не просто подсчет 0 или 1

Насколько сложно отслеживать бинарную электронную систему? Она может находиться только в одном из двух состояний: включено или выключено, открыто или закрыто, 0 или 1. Хотя это может быть правильным, но давайте предположим, что нет строгого определения того, какие уровни напряжения составляют «0» или «1». Давайте теперь также предположим, что уровни напряжения для 0 или 1 могут изменяться во время передачи. Это может быть по нескольким причинам — электромагнитный шум, сопротивление линии, электростатический разряд (ESD), скачки напряжения или даже их комбинация.

Как вы можете быть уверены, что то, что ранее было обозначено как 0, по-прежнему равно 0, а то, что было обозначено как 1, по-прежнему равно 1? Представьте также, что вы пытаетесь отслеживать десятки этих сигналов одновременно и быстро. То, что первоначально могло показаться относительно тривиальной задачей, поднялось на совершенно новый уровень сложности. Добро пожаловать в мир цифрового или дискретного входа (DI), подмножества модулей ввода / вывода, которые расположены между промышленными датчиками и программируемым логическим контроллером (ПЛК).

В этом конструктивном решении мы рассмотрим множество (иногда противоречивых) требований для успешной схемы цифрового входа и предложим решение, которое решает проблему успешной работы в современной промышленной среде.

Что такое цифровой вход?

Задачей схемы дискретного входа (DI) является получение двоичного сигнала, передаваемого промышленным датчиком в заводском цехе, и его «кондиционирование». Это сделано для того, чтобы ПЛК мог безопасно и надежно интерпретировать его, контролируя состояние этого датчика. Примеры таких двоичных сигналов включают в себя кнопочные переключатели, которые определяют, был ли элемент оборудования включен или выключен, и датчики, которые определяют, превышен ли порог давления или температуры. В этом и заключается ключ к первому вызову для схемы DI: нет единого определения того, как должен выглядеть сигнал, поступающий от промышленного датчика / преобразователя.

Гибкость и конфигурируемость

В настоящее время в промышленном стандарте IEC61131-2 существует три различных типа промышленных датчиков с понижающим напряжением 24 В постоянного тока.

Тип 1: Электромеханический

Тип 2: Дискретный мощный полупроводник

Тип 3: Полупроводника с малой потребляемой мощностью (ток ≤ 2 мА)

Различия в основном связаны с напряжением и токами, с которыми они работают. Ультрасовременный датчик на интегральной микросхеме (ИС) относится к типу 3, хотя существует много устаревших датчиков типа 1 и типа 2, успешно работающих на производственных площадках. Однако датчики типа 1 и типа 2 должны потреблять гораздо больший ток, чем датчики типа 3. Следовательно, даже если ток, производимый датчиком типа 3, намного ниже (определенный в стандарте IEC как можно ближе к 2 мА, насколько это возможно), гибкая схема цифрового входа должна быть конфигурируемой, чтобы она могла поглощать уровни тока от датчиков типа 1 и типа 2, если потребуется. Это означает, что схема дискретных входов должна обрабатывать широкий диапазон различных входных напряжений (от -3 В до +30 В) и токов (от 2 мА до 30 мА), как показано в таблице.

Уровни напряжения для дискретных (цифровых) входов

Ранние схемы цифровых входов были построены с использованием дискретных компонентов (рисунок ниже). Даже с пользовательской схемой ограничения тока этот тип схемы дискретного входа потребляет ток более 5 мА. Очевидно, что это сделало его непригодным для использования в качестве цифрового входа типа 3 (потребляя более чем вдвое больше требуемого тока)

Токовые ограничения цифрового (дискретного) входа

Интеграция и масштабируемость

С ростом децентрализации и миниатюризации технологии управления производственными процессами стало необходимым «упаковать» как можно больше каналов в модули ввода-вывода, чтобы сэкономить место в шкафах управления. Это стремление к минимизации также повлияло на цифровые входы.

Сегодня обычные модули ввода / вывода содержат комбинации из 8, 16, 32 или даже 64 отдельных входных и выходных каналов в одном корпусе. Чтобы облегчить уровень интеграции, необходимо было уменьшить как физические размеры, так и потребление тока (и связанное с этим рассеяние тепла) цепей цифровых входов. Это требовало отхода от больших энергозатратных дискретных цепей. Современные многоканальные схемы цифрового входа построены с использованием технологии интегральных микросхем (IC), что позволяет достичь более низкого потребления тока, необходимого для дискретного входа типа 3, в гораздо меньшем форм-факторе.

Примером этого является восьмеричная интегральная схема цифрового входа (показанная ниже), которая работает как цифровой вход типа 1, типа 2 или типа 3. При использовании в качестве DI типа 3 он имеет программируемый ток от 0,5 мА до 3,4 мА на канал.

Чтобы уменьшить количество каналов, необходимых для взаимодействия с ПЛК, это устройство преобразует восемь токовых каналов цифрового входа 24 В в выход, совместимый с логическим последовательным периферийным интерфейсом (SPI) от 3,3 В до 5 В. Для систем с более чем восемью входами несколько устройств могут быть соединены последовательно, чтобы обеспечить доступ ко всем входам данных через один последовательный порт, обеспечивая еще более высокий уровень интеграции.

MAX22190 восьмеричный цифровой вход

Надежность и целостность

Многоканальная интегральная микросхема цифрового входа должна быть достаточно надежной, чтобы работать в промышленных условиях — с высоким напряжением, электромагнитными шумом и импульсными наводками— чтобы измеренный сигнал датчика мог передаваться в ПЛК с высокой степенью надежности. Это требует определенной степени отказоустойчивости как на входах (на стороне поля), так и на выходах микросхемы.

В требовательных заводских условиях часто возникают переходные процессы напряжения, например, когда мощные системы электроприводов включаются и выключаются. Это может повлиять на показания датчика. Чтобы предотвратить это, каждый канал DI должен иметь фильтр подавления электромагнитных помех (ЭМП) с программируемой задержкой, который может удалять переходные пониженные / повышенные напряжения из сигнала датчика. Аналогично, другие средства диагностики на стороне входного поля включают в себя возможность обнаружения обрыва провода от датчика, состояния перегрева или сбоя в
подаче напряжения на сам датчик.

На стороне выхода, когда несколько входных каналов передаются по одному последовательному интерфейсу (SPI), возможность проверки ошибок (например, проверка циклическим избыточным кодом) последовательного битового потока гарантирует, что все показания датчика являются достоверными при передаче на ПЛК. Эта диагностика присутствует на ранее упомянутой восьмеричной интегральной схеме, которая работает непосредственно от напряжений на стороне входного поля (до 65 В) и включает надежную защиту от перенапряжений до 1 кВ.

Безопасность и надежность

Напряжения на стороне датчика, которые могут доходить до 65 В, намного выше, чем напряжения логического уровня, используемые ПЛК (обычно от 3,3 В до 5) В. Таким образом, если ПЛК случайно столкнется с более высокими напряжениями на стороне датчика, он может быть поврежден или выйдет из строя. Хуже того, такой сценарий может создать угрозу безопасности для пользователя оборудования. Чтобы этого не происходило, необходимо ввести гальваническую развязку между стороной входа сигнала (от датчика) и логической стороной. Выбранный изолятор должен работать со скоростью передачи интерфейса SPI цифровой входной ИС (в данном случае 10 Мбит / с).

Композитное решение цифрового входа с использованием изолятора, показанное на рисунке ниже, выдерживает напряжение электростатического разряда до 3,75 кВ среднеквадратичного значения. Это устройство не значительно увеличивает общее потребление тока, поскольку оно потребляет всего 3,4 мА (при 500 кГц).

Два последовательных дискретных восьмеричных цифровых входа с изоляцией

Выводы

В данной статье мы рассмотрели ключевые проектные требования для компонента цифрового входа промышленного модуля ввода-вывода. Рассмотрев ограничения более старых реализаций дискретного входа, мы можем сделать вывод, что комбинированное решение, использующее многоканальный цифровой вход и изолированную интегральную схему, предлагает лучшую гарантию интеграции, масштабируемости, надежности, целостности, безопасности и надежности, необходимую для обнаружения сигналов датчиков в современной промышленной среде. Помимо промышленной автоматизации и управления электроприводами, представленные здесь примеры решений также подходят для автоматизации зданий и робототехники.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *