Konfigurowalne programowo-wejściowe układy pomiarowe
| TechnikaNiezależnie od tego, czy chodzi o instalację przesyłową sterującą procesami, czy o system automatyki przemysłowej, zawsze gdzieś, najczęściej w skrzynce połączeniowej, znaleźć można minimum jeden moduł I/O (wejścia-wyjścia) realizujący połączenie między czujnikami i aktuatorami oraz sterownikiem. Na etapie projektowania instalacji konieczne jest też zdecydowanie, ile kanałów wejściowych, wyjściowych analogowych i cyfrowych będzie niezbędne w takim module do realizacji obsługi instalacji. To samo dotyczy projektu okablowania. Na skutek tego projektanci muszą nie tylko wykazać się wiedzą, ale także dobrze rozpoznać przyszłe potrzeby użytkowników i zabezpieczyć pod nie niezbędne zasoby sprzętowe.
Zadanie to byłoby znacznie łatwiejsze, gdyby moduły I/O charakteryzowały się elastycznością konfiguracji i pozwalały na programowe ustalenie liczby i parametrów poszczególnych wejść, bo dzięki temu konfiguracja systemu nie byłaby niezmienna. Nowa rodzina konfigurowalnych programowo układów wejścia–wyjścia firmy Analog Devices (SWIO, soft ware configurable input/output) odpowiada takim potrzebom i umożliwia stworzenie modułu I/O o dowolnej kombinacji funkcji na dowolnym pinie i zmiany tego przyporządkowana w dogodnym momencie.
W przypadku przemysłowego sterownika PLC lub rozproszonych systemów sterowania (DCS) w instalacjach automatyki przemysłowej konieczne jest znalezienie kompromisu między wymaganiami użytkowników, kosztami, funkcjonalnością i podobnymi kryteriami. Jeden klient może potrzebować więcej analogowych kanałów wyjściowych, na przykład w standardzie 4–20 mA, podczas gdy inny zażąda większej liczby wejść cyfrowych. Wymagania mogą zmieniać się w czasie, podczas rozbudowy i modernizacji instalacji, przy zmianach profilu produkcji. Wraz z rozwojem Przemysłu 4.0 producenci potrzebują elastycznych systemów automatyki, które dają się szybko i łatwo dostosowywać do zmieniających się wymagań, bo wszystko to napędzane jest zmianami potrzeb konsumentów i popytu. W rezultacie zakłady nie chcą już kupować rozwiązań o sztywnej konfiguracji, bo one były dobre w czasach, gdy w centrum biznesu były produkty masowe, a popyt był przewidywalny. Zamiast nich obecnie poszukuje się rozwiązań, które można szybko rekonfigurować przy minimalnych przestojach i inwestycjach kapitałowych.
Układy SWIO umożliwiają zaprogramowanie konfiguracji kanałów i ustalenie ich nie tylko jako wejścia lub wyjścia, ale także jako linie analogowe lub cyfrowe. Ponadto można je skonfigurować jako wejścia kondycjonujące do odczytu 2- lub 3-przewodowych czujników rezystancyjnych RTD lub termopar.
Konfigurowalne programowo układy wejścia–wyjścia działają również jako most do sieci ethernetowych, ponieważ mogą być stosowane w instalacjach przemysłowych wykorzystujących Ethernet 10BASE-T1L. Umożliwiają tworzenie znormalizowanych, konfigurowalnych obiektowych modułów we/wy, zdolnych do translacji sygnałów pomiędzy istniejącymi czujnikami i siłownikami z wyjściem 4–20 mA z obsługą protokołu HART a łączem sieciowym 10BASE-T1L lub 100-metrowym łączem optycznym.
Rysunek 1 przedstawia 4-kanałowy układ AD74413R SWIO zaprojektowany z myślą o zastosowaniach związanych ze sterowaniem procesami, automatyką przemysłową lub budynkową. Jest on zintegrowanym rozwiązaniem zawierającym 16-bitowy przetwornik analogowo- cyfrowy sigma-delta i cztery 13-bitowe przetworniki cyfrowo-analogowe. Jest dostępny w 64-wyprowadzeniowej obudowie LFCSP o wymiarach 9×9 mm i pracuje w zakresie temperatury od –40 do +105°C. Funkcjonalność każdego z czterech obsługiwanych kanałów jest konfigurowana przez zapis danych do rejestrów konfiguracyjnych przez magistralę SPI. Można przygotować kilka domyślnych konfiguracji po to, aby potem tylko je wybierać jedną komendą.
16-bitowy przetwornik ADC typu sigma- delta w AD74413R może mierzyć prąd lub napięcie na jednym lub więcej z czterech kanałów i do czterech wejść diagnostycznych w pojedynczym cyklu konwersji. Szybkość próbkowania wynosi do 4,8 kSPS, dostępne są opcjonalnie załączane filtry dla zakłóceń sieciowych 50 Hz i 60 Hz.
13-bitowe przetworniki cyfrowo-analogowe z drabinką rezystorową typu R-string są z natury monotoniczne i liniowe. Wydajność ich drivera wyjściowego sięga 25 mA i mają możliwość wykrywania przerwy w obwodzie w celu diagnostyki błędów. Zakres napięć wyjściowych wynosi od 0 do 11 V.
AD74413R zawiera bardzo dokładne źródło napięcia odniesienia dla przetworników DAC i ADC, co ogranicza koszty realizacji, niemniej możliwe jest też użycie zewnętrznego źródła odniesienia, gdy wymagana jest najwyższa wydajność.
Funkcje i tryby pracy
Funkcje realizowane przez kanały pomiarowe pokazane zostały w tabeli 1. Każdy tor może realizować wyjście napięciowe lub prądowe, wejście napięciowe lub wejście prądowe (zasilane zewnętrznie), wejście prądowe (zasilane z pętli), zewnętrzny pomiar rezystancji RTD, wejście cyfrowe i zasilane z pętli wejście cyfrowe. Dostępny jest również tryb wysokiej impedancji jako funkcja domyślna po włączeniu zasilania lub zresetowaniu.
Wzmacniacz wyjściowy może generować niesymetryczne napięcie do 11 V. Specjalny wewnętrzny zasilacz pomocniczy na pompie ładunku pozwala na wytworzenie "prawdziwego" zerowego napięcia wyjściowego. W tym trybie zewnętrzny rezystor czujnikowy zapewnia prądowe sprzężenie zwrotne (metoda FVMI), podczas gdy ujemne sprzężenie zwrotne na pinie SENSEL_x reguluje prawidłową wartość napięcia.
W trybie wyjścia prądowego przetwornik cyfrowo-analogowy zapewnia zakres prądu (od 0 do 25 mA), którego wartość jest regulowana przez wykrywanie napięcia różnicowego na rezystorze pomiarowym (piny SENSEL_x i SENSEH_x). Aby zmniejszyć straty mocy, gdy obciążeniem jest mała rezystancja, można podłączyć zewnętrzny tranzystor PMOS, bocznikujący prąd wyjściowy 0–25 mA.
Tryb z wejściem prądowym może obsługiwać układy zasilane z zewnątrz lub z pętli. 16-bitowy przetwornik ADC automatycznie mierzy prąd przepływający przez rezystor czujnikowy z użyciem pinów SENSEHF_x i SENSELF_x. Ponadto oba typy wejścia prądowego mają dodatkowy tryb kompatybilności z HART z zapewnioną impedancją obciążenia 230 Ω.
Tryb wejścia napięciowego mierzy napięcie za pomocą ADC przez jedną końcówek SENSELF_x i traktuje masę jako odniesienie. Można wybrać dodatkowe opcje podciągania wejść do eliminacji efektu pływającego potencjału. W trybie wejścia napięciowego odczyty napięcia termopary mogą być również dokonywane dzięki specjalnemu ustawieniu zakresu pomiarowego w ADC.
Tryb pomiaru rezystancji zapewnia polaryzację zewnętrznego 2-przewodowego termorezystora RTD z napięcia odniesienia 2,5 V. Mały prąd wymagany do pomiaru minimalizuje straty mocy, zmniejszając samonagrzewanie się RTD podczas pomiaru.
Tryb wejścia cyfrowego umożliwia współpracę z urządzeniami zdefiniowanymi w normach IEC 61131-2 typ I, II i III. Progi logiczne są programowane poprzez zapis do specjalnego rejestru. Każdy kanał cyfrowy ma też możliwość zaprogramowania filtrowania odbić styków.
Odporność i diagnostyka
Ze względu na warunki panujące w środowisku przemysłowym, układ AD74413R został zaprojektowany tak, aby był odporny na zakłócenia, przepięcia i przeciążenia oraz pomyłki wynikające z błędnie wykonanego okablowania. Zabezpieczenia wbudowane w linie I/O ograniczają wartości napięć do zakresu zasilania układu scalonego. Można też dodać zewnętrzne ograniczniki na diodach TVS, aby jeszcze bardziej wzmocnić ochronę przepięciową (jak na rys. 2). Ponadto interfejs SPI ma wbudowany mechanizm sumy kontrolnej CRC.
Liczne funkcje diagnostyczne zapewniają prawidłowe działanie AD74413R i sygnalizują do sterownika większość typowych problemów. Chip może monitorować napięcie zasilania, wartość napięcia odniesienia, temperaturę struktury oraz złącza wejściowe (rozwarcie, zwarcie), co pozwala na diagnostykę okablowania (napięcie powyżej AVDD lub poniżej 0 V). Zewnętrzny rezystor czujnikowy ułatwia realizację poszerzonej diagnostyki poprzez monitoring prądu w czasie normalnej pracy. Na przykład zapewnia wykrywanie zwarć dla trybów napięciowych lub pomaga w regulacji dokładnej wartości dla wyjścia prądowego. Dzięki temu istnieje możliwość zaprogramowania własnych procedur diagnostycznych w celu testowania podłączonych czujników i elementów wykonawczych, ponieważ AD74113R może wymuszać napięcia lub prądy oraz odczytywać odpowiedzi na te wymuszenia.
Jeśli wystąpi przeciążenie, jest ono sygnalizowane na pin Alert, a rejestr Alert_Status określa źródło błędu.
Rozwiązania towarzyszące
Jednym z typowych wymagań aplikacji przemysłowych jest to, aby moduły we/wy lub sterowniki PLC były galwanicznie odizolowane od układu pomiarowego. Dane i źródła zasilania też powinny być oddzielone galwanicznie, aby zmniejszyć wpływ zakłóceń i poprawić bezpieczeństwo. Do realizacji tego firma Analog Devices opracowała jednostkę separatora zasilania i danych dla rodziny układów SWIO. Jest to ADP1032 zawierająca izolowaną przetwornicę zaporową z regulatorem buck i izolowanymi buforami separacji danych. Połączenie obu chipów przedstawiono na rysunku 2. Specjalna architektura z dwoma konwerterami zapewnia małe zakłócenia, a wartość napięcia zasilania może być ustawiona w zakresie 6–28 V. Przetwornica ma blokadę podnapięciową (UVLO), zabezpieczenie nadprądowe/przepięciowe, pozwala na zdalne włączanie i blokowanie, realizuje miękki start, a sterownik PWM obsługuje kontrolę szybkości narastania zboczy. Całość uzupełnia siedem cyfrowych kanałów izolowanych dla danych: cztery dla SPI i trzy dla komunikacji ogólnego przeznaczenia.
Ponieważ w wielu innych typowych aplikacjach modułów I/O wymagane jest sterowanie przekaźnikami lub żarówkami, AD74413R ma linie GPO, które można zaprogramować do działania z zewnętrznym kontrolerem ograniczającym prąd z tranzystorem P-MOS i ADM1270 jako ogranicznikami. Para taka umożliwia ustalenie maksymalnego prądu wyjściowego (rozruchowego) do kilkuset miliamperów. Z kolei, gdy wymagana jest kompatybilność z HART, układ AD5700 może zapewnić wymaganą do tego funkcjonalność modemu i pasuje do pracy w tandemie z AD74413R. Warto też dodać, że istnieje również wersja AD74412R, przeznaczona do tworzenia aplikacji budynkowych. Ma ona węższy zakres temperatur roboczych od –40°C do + 85°C, większą tolerancję parametrów oraz minimalnie mniejsze napięcie zasilania 26,4 V.
Hakan Uenlue, starszy inżynier aplikacyjny w Analog Devices
Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66
www.arrow.com
