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实现真正的数位I/O
 

【作者: Michael Jackso、Sean Long】2018年04月03日 星期二

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工业4.0是现代化工厂环境一个新的代名词,由数十台网路控制器组成,这些网路控制器连续监测成百上千感测器的输入,例如开关或液位检测器。同时将讯号送到相应数量的输出设备,例如阀门、电磁阀或马达驱动。本设计方案中,作者讨论电子配线架,简化现场线组与控制器连接的过程,然後介绍一种将电子配线架灵活性提升到新高度的创新方案。


传统配线架

在此之前,将现场I/O设备连接到可程式设计逻辑控制器(PLC)的标准方式,如图1所示。通过多芯电缆将工厂车间的现场设备连接到配线板(通常位於I/O控制室)的接线端子排。在配线板上,线缆交叉连接,将每台现场设备连接到相应控制器通道的I/O卡。



图1 : 传统配线架
图1 : 传统配线架

这种方法存在故障隐患。例如,交叉连线时,难以跟踪哪根线是进线,哪根线是出线,如果连接不正确甚至根本没有连接,就会发生错误。对於技术人员或工程师来说,除错和测试每个连线非常耗时,造成过程调试延期,代价不菲。


理论上说,一旦完成除错程序,系统就应正确运行;但如果系统中发生未能预见的故障,就会产生附加问题。偶尔增加新的现场设备在所难免。例如,如果将某个温度开关改为温度传送器,那麽就需要将数位输入改为类比输入。


更糟糕的是,如果系统增加新的现场设备,但配线板没有支援新设备要求的相应类型的连接。这种情况下,就需要更换控制器,增加成本、造成专案延期。


电子配线架

传统的接线板已经逐渐被电子化接线板替代,後者是制程自动化领域讯号连接的新方法(图2)。



图2 : 电子接线架
图2 : 电子接线架

开发该技术的目的是防止手动接线造成的人为错误,也是在配线板上将I/O设备交叉连接在一起。与接线编组一样,技术人员将来自现场的多芯电缆连线到配线柜(位於工厂车间)接线端子的右侧。然而,在I/O控制室,不再需要手动将每个接线端子连接到对应的控制器I/O通道,而由系统本身通过电子方式实现。


电子配线的明显优势是,无需更改实体接线,I/O设备可根据需要随时连接到特定的控制器。如果在专案後期,I/O类型发生变化,或者需要增加设备,无需更改已有接线或配线柜。此外,能够根据需要为配线柜增加额外的I/O容量,然後通过电子配线连接到控制器。


电子配线的核心是可?式主机和可更换模组或板卡。将相应类型的板卡??入现场I/O设备需要连接的??槽。例如,数位(DI)卡??入到支援温度开关的??槽。然後将板卡连接到控制器的相应通道。各个控制器通道的功能取决於每个??槽板卡类型(例如DI或DO)。


新型数位I/O

MAX14914的其它重要特性包括低RON (图3) 和低传输延迟,在DI模式下小於2μs (图4) 。虽然电子配线的灵活性显而易见,但也存在一定的固有问题。传统上,工业和制程控制工程师使用术语“数位I/O”指代PLC发送和接收的数位讯号。然而,这个术语本身不太恰当。PLC上并没有“数位IO”通道这样的东西,有的只是“数位输入”通道或“数位输出”通道。所以,如果需要将某个控制器通道从DI改为DO,或者相反,就必须更换通道的实体板卡。此外,DI和DO通道的总数量取决於主机每种类型板卡的数量。这就限定了主机DI通道和DO通道的数量,限制了电子配线的灵活性。


更理想的情况是每个通道可根据需要配置作为DI或DO。现在,使用带有数位输入配置的MAX14914高边(high-side)开关,可以实现以上目的。使用MAX14914,PLC可将每个板卡配置作为DI或DO。如果通道的功能发生变化,不需要??拔板卡和重新配置。控制通道可真正设计为“数位IO”,不限制每种通道的数量。唯一的限制是PLC本身能够处理的通道数量。



图3 : MAX14914导通电阻与负载关系曲线
图3 : MAX14914导通电阻与负载关系曲线

MAX14914其他重要的功能还包含low RON(如图3所示)以及在DI模式下低於2μs的传输迟延(如图4所示)。



图4 : MAX14914在DI模式下的传输延迟
图4 : MAX14914在DI模式下的传输延迟

总结

本设计方案中,我们回顾了过程自动化系统的传统讯号连接方法,即连接编组。讨论了如何透过电子编组方法解决与传统方法相关的问题。电子编组方法表面上实现了相当大的改进,但并不是没有局限性。


MAX14914等具有数位输入配置的高边开关,将电子编组的灵活性提升到了一个新高度。通过电子方式将各个控制器通道配置为数位输入或输出,无需更改硬体且不限制可使用的板卡类型,大大提高了设计灵活性,降低专案调试过程中可能发生改变所引起的成本。


(本文作者Michael Jackso、Sean Long任职於Maxim Integrated)


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