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    提升接線柜工作效率的利器——出廠校準的可配置IO模塊

    作者:ADI工業和醫療健康事業部應用執行總監Sean Long,ADI資深首席工程師Konrad Scheuer時間:2022-08-15來源:電子產品世界收藏

    隨著現代工業網絡逐步支持先進協議,工廠車間的傳感器實現遠程實時監控和配置成為可能,令生產停機時間大幅縮短。不過,將傳感器和執行器連接至安裝了進程控制器的,卻仍是一項人工密集型工作,非常繁瑣。

    本文引用地址:http://www.me-unplugged.com/article/202208/437330.htm

     

    比如修改生產工藝,需要將數字輸出(DO)電壓驅動的閥門改為使用4-20mA模擬輸出(AO)電流的閥門,技術人員必須在中改線。通過將線路接至不同的IO模塊,或者更換IO卡(如果使用機架式模塊的話),將閥門連接從DO通道移到AO通道。如果數字輸入(DI)傳感器必須換成模擬輸入(AI),也會出現類似情況。

     

    雖然自動化工程師會在新工藝的調試階段選擇IO模塊,便于擁有足夠的通道(允許一定冗余),但隨著時間推移,不斷增加的傳感器和執行器意味著可用的備用通道越來越少,可能導致沒有足夠的特定類型通道來應對后續升級改造。如果沒有可用的AI通道,那么備用DI對需要AI通道的技術人員來說也沒多大用處。在一個線路密集的內,甚至可能無法添加一個新的(且成本高昂的)IO模塊。當不同的IO通道類型需要定期重新校準時,手動干預和相關的生產停機時間會大幅增加。

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    1.技術人員在配線柜調整連接

     

    因此,工藝自動化工程師往往渴望有一個通用的IO通道,可以遠程配置(和校準),方便執行任何信號類型(模擬或數字)的任何功能(輸入或輸出、電壓或電流),而無需技術人員在接線柜中操作。

     

    接下來,ADI將回顧工業環境中使用傳感器和執行器信號的主要特性,并向您介紹一種新的參考設計——使用經、可遠程配置的通用IO模塊,來切實提升接線柜的工作效率,加速推動工業自動化進程。

     

    數字IO

     

    DI和DO信號通常是0-24V范圍內的直流電壓。DI用于檢測離散液位、目標檢測或指示按鈕開關的狀態。DO用于驅動電機、執行器和電磁閥。這些產品提供多種配置(高端、低端和推挽),具體取決于負載的參考方式,驅動電流是主要規格參數,范圍從數百毫安到數安不等。

     

    模擬IO

     

    模擬IO信號可以是4-20mA電流,或者通常介于0-10V之間的直流電壓(盡管可使用雙極選項和更寬的電壓范圍)。AI接收來自傳感器的信號,用于精確測量距離、壓力、光線等量值,而AO則用于精確控制執行器的移動和位置。

     

    溫度

     

    在工業環境中,溫度測量主要使用兩種傳感器中的一種來進行,分別是熱電偶(TC)或具有2-3線和4線變體的電阻-溫度檢測器(RTD)。與RTD相比,熱電偶堅固耐用、工作溫度范圍更寬、成本相對較低,但RTD更穩定、精度更高、線性度更好。信號輸出水平取決于所用的TC/RTD類型,并且可以連接到AI通道。穩健性(以符合IEC-61000-4瞬態抗擾度標準來體現)是所有類型工業IO接口的關鍵性能指標。

     

    通用IO模塊參考設計

     

    集成度提高意味著在最新的IO模塊中,單個通道可以配置為輸入或輸出,但模擬域和數字域仍然是分開的。不過,圖2展示了一種新型IO模塊的參考設計功能圖,其中可通過軟件,將單個通用UIO引腳配置為相對于單個接地引腳(GND)的AI、AO、DI、DO??膳渲媚J桨M電壓輸入(0至+10V)、模擬電流輸入(0至+20mA)、模擬電壓輸出(0至+10V)和模擬電流輸出(0至+20mA)。它還包括一個符合IEC 61131-2的1/2/3型標準的0-24V數字電壓輸入和一個推挽/高端數字輸出(能夠驅動高達1.3A的電流)。同時它還支持使用電阻溫度檢測器(RTD)進行溫度測量,并為熱電偶測量提供內置冷端補償。使用行業標準的四路PCB端子支持UIO模式以及2線、3線或4線溫度測量。

     

    此模塊的AI和AO功能使用MAX22000來實現。MAX22000是一種可通過軟件配置的模擬輸入/輸出IC,可在電壓或電流模式下工作。模擬輸出信號使用其內部18位DAC生成,而集成的24位ADC有一個低噪聲PGA,具有高壓和低壓輸入范圍,用于支持RTD測量。DI和DO功能則使用支持低漏電制程技術的MAX14914A來實現。MAX14914A是一個高端/推挽驅動器,也可以配置作為DI運行。除了提供DIO功能外,MAX14914A還可監控高端和推挽模式下的輸出電流。與DO狀態相對應的邏輯電平可以通過MAX22000 GPIO上的GPIO進行輪詢,這是安全關鍵型應用中的必要功能。

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    2.MAXREFDES185#通用IO模塊參考設計功能圖

     

    軟件配置

     

    此模塊使用在很多微控制器和FPGA平臺上常用的行業標準型12路Pmod?連接器。為了便于測試,可以通過軟件GUI使用USB轉SPI適配器(如USB2PMB2#)來配置該模塊,從而為電路板提供物理接口。GUI有兩個選項卡--通用IO選項卡(圖3)有一個下拉菜單,可選擇模擬或數字、輸入或輸出配置。根據選擇的模式,GUI會顯示一個簡化的IC內部連接方框圖,可啟用當前選擇的功能。

     

    注:Pmod?是Diligent,Inc.的商標。

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    3.GUI的通用IO選項卡

     

    模擬輸入選項卡可用于監測目的,將UIO引腳的電壓或電流信號與12通道、24位模擬輸入器件MAX22005測得的信號進行直觀比較。此外還提供十六進制值,以便將兩個ADC內核輕松關聯。

     

    校準

     

    此模塊的一個主要優勢是可以使用板載MAX22005進行電壓和電流校準。MAX22005是一個12通道、的模擬輸入IC,可用作參考,還可監測UIO引腳上的模擬信號。它經過,25°C時精度達到0.02% FSR,±50°C時為0.05% FSR。在GUIUniversal IO選項卡上單擊"Autocal"即可執行校準。圖4顯示了UIO引腳和MAX22005上模擬電壓信號的FSR精度,兩者都遠遠優于精密儀器預期的0.02% FSR,并表現出高度相關性。

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    4.電壓測量精度

     

    電流測量也具有類似精度,而圖5顯示了使用Fluke 724校準器模擬PT100 RTD傳感器的溫度讀數精度。在-100°C到+300°C之間,精度在1°C以內,室溫下在0.02% FSR以內。對于±50°C的溫度變化,整個模塊的總精度達到0.1% FSR。

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    5.溫度測量精度

     

    功耗優化

     

    功率跟蹤功能可限制模塊的散熱量。這是通過低靜態電流線性穩壓器和高效降壓轉換器組合來實現的。MAX17651的靜態電流僅為8μA,它從直流輸入提供24V穩壓電源,而MAX17532和MAXM17552降壓轉換器產生多個模擬輸出電源電壓,其中一個可編程為4.2V至24V之間的五個不同預設值。這通過MAX22005上的GPIO引腳來完成,使用外部FET切換反饋電阻。此模塊正常情況下功耗通常為10mA,但如果選擇電流輸入或電流輸出模式,則電流消耗會增加。綠色LED則顯示出外部電源的存在。

     

    穩定性

     

    雖然該模塊無法立即以當前形式轉化到現場應用,但在測試IEC 61131-2中規定的工業設備瞬態抗擾度時,該模塊仍表現出高度的穩定性。它能承受高達±1.0kV的1.2/50μs浪涌,總源阻抗為42Ω。使用10個浪涌脈沖進行了浪涌測試(線對線和線對地),模塊保持正常運行,沒有損壞。器件IC上的數據和控制寄存器未損壞,通過主機適配器的通信也未中斷。在現場連接端子塊上進行測試時,還發現該模塊能夠承受高達±4kV端口對地的靜電放電(ESD),用于接觸和氣隙放電。未發現任何損壞,測試后主機通信保持正常。模塊的前視圖(外形尺寸為75mm x 20mm)如圖6所示。

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    6.MAXREFDES185#參考設計

     

    7則清楚地展示了選擇單個通用IO模塊(UIO)代替幾個標準模塊帶來的靈活性和節省空間優勢。單個通用IO模塊可以執行四種獨立功能,并通過軟件進行遠程配置和校準,而每個標準模塊只執行單一功能,并且需要手動配置和校準。

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    7.一個通用IO模塊代替幾個標準模塊

    總結

     

    工業4.0時代,要求工業設備盡可能提高適應性和靈活性。不過截至目前,手動重新布線和校準IO接口,卻成為無法避免的限制因素?,F在,ADI MAXREFDES185#遠程可配置IO參考設計,能為未來的IO模塊提供清晰的路線圖,可有效提高靈活性和可配置性。除了IO模塊外,此參考設計及其組件IC同時也適用于PLC和DCS系統、智能傳感器和執行器中的應用。

     

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    關于ADI公司

    ADI是全球領先的高性能模擬技術公司,致力于解決最艱巨的工程設計挑戰。憑借杰出的檢測、測量、電源、連接和解譯技術,搭建連接現實世界和數字世界的智能化橋梁,從而幫助客戶重新認識周圍的世界。詳情請瀏覽ADI官網www.analog.com/cn。

     

    關于作者

    Sean Long,ADI工業和醫療健康事業部的應用執行總監。Sean于2012年5月加入Maxim,他擁有英國伯明翰阿斯頓大學電氣和電子工程學士學位。

    Konrad Scheuer,ADI資深首席工程師。他2003年畢業于阿倫高等專業學院,獲得電氣工程學士學位。




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