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實現真正的數位I╱O
 

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

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工業4.0是現代化工廠環境一個新的代名詞,由數十台網路控制器組成,這些網路控制器連續監測成百上千感測器的輸入,例如開關或液位檢測器。同時將訊號送到相應數量的輸出設備,例如閥門、電磁閥或馬達驅動。本設計方案中,作者討論電子配線架,簡化現場線組與控制器連接的過程,然後介紹一種將電子配線架靈活性提升到新高度的創新方案。


傳統配線架

在此之前,將現場I/O設備連接到可程式設計邏輯控制器(PLC)的標準方式,如圖1所示。通過多芯電纜將工廠車間的現場設備連接到配線板(通常位於I/O控制室)的接線端子排。在配線板上,線纜交叉連接,將每台現場設備連接到相應控制器通道的I/O卡。



圖1 : 傳統配線架
圖1 : 傳統配線架

這種方法存在故障隱患。例如,交叉連線時,難以跟蹤哪根線是進線,哪根線是出線,如果連接不正確甚至根本沒有連接,就會發生錯誤。對於技術人員或工程師來說,除錯和測試每個連線非常耗時,造成過程調試延期,代價不菲。


理論上說,一旦完成除錯程序,系統就應正確運行;但如果系統中發生未能預見的故障,就會產生附加問題。偶爾增加新的現場設備在所難免。例如,如果將某個溫度開關改為溫度傳送器,那麼就需要將數位輸入改為類比輸入。


更糟糕的是,如果系統增加新的現場設備,但配線板沒有支援新設備要求的相應類型的連接。這種情況下,就需要更換控制器,增加成本、造成專案延期。


電子配線架

傳統的接線板已經逐漸被電子化接線板替代,後者是製程自動化領域訊號連接的新方法(圖2)。



圖2 : 電子接線架
圖2 : 電子接線架

開發該技術的目的是防止手動接線造成的人為錯誤,也是在配線板上將I/O設備交叉連接在一起。與接線編組一樣,技術人員將來自現場的多芯電纜連線到配線櫃(位於工廠車間)接線端子的右側。然而,在I/O控制室,不再需要手動將每個接線端子連接到對應的控制器I/O通道,而由系統本身通過電子方式實現。


電子配線的明顯優勢是,無需更改實體接線,I/O設備可根據需要隨時連接到特定的控制器。如果在專案後期,I/O類型發生變化,或者需要增加設備,無需更改已有接線或配線櫃。此外,能夠根據需要為配線櫃增加額外的I/O容量,然後通過電子配線連接到控制器。


電子配線的核心是可?式主機和可更換模組或板卡。將相應類型的板卡插入現場I/O設備需要連接的插槽。例如,數位(DI)卡插入到支援溫度開關的插槽。然後將板卡連接到控制器的相應通道。各個控制器通道的功能取決於每個插槽板卡類型(例如DI或DO)。


新型數位I/O

MAX14914的其它重要特性包括低RON (圖3) 和低傳輸延遲,在DI模式下小於2μs (圖4) 。雖然電子配線的靈活性顯而易見,但也存在一定的固有問題。傳統上,工業和製程控制工程師使用術語“數位I/O”指代PLC發送和接收的數位訊號。然而,這個術語本身不太恰當。PLC上並沒有“數位IO”通道這樣的東西,有的只是“數位輸入”通道或“數位輸出”通道。所以,如果需要將某個控制器通道從DI改為DO,或者相反,就必須更換通道的實體板卡。此外,DI和DO通道的總數量取決於主機每種類型板卡的數量。這就限定了主機DI通道和DO通道的數量,限制了電子配線的靈活性。


更理想的情況是每個通道可根據需要配置作為DI或DO。現在,使用帶有數位輸入配置的MAX14914高邊(high-side)開關,可以實現以上目的。使用MAX14914,PLC可將每個板卡配置作為DI或DO。如果通道的功能發生變化,不需要插拔板卡和重新配置。控制通道可真正設計為“數位IO”,不限制每種通道的數量。唯一的限制是PLC本身能夠處理的通道數量。



圖3 : MAX14914導通電阻與負載關係曲線
圖3 : MAX14914導通電阻與負載關係曲線

MAX14914其他重要的功能還包含low RON(如圖3所示)以及在DI模式下低於2μs的傳輸遲延(如圖4所示)。



圖4 : MAX14914在DI模式下的傳輸延遲
圖4 : MAX14914在DI模式下的傳輸延遲

總結

本設計方案中,我們回顧了過程自動化系統的傳統訊號連接方法,即連接編組。討論了如何透過電子編組方法解決與傳統方法相關的問題。電子編組方法表面上實現了相當大的改進,但並不是沒有局限性。


MAX14914等具有數位輸入配置的高邊開關,將電子編組的靈活性提升到了一個新高度。通過電子方式將各個控制器通道配置為數位輸入或輸出,無需更改硬體且不限制可使用的板卡類型,大大提高了設計靈活性,降低專案調試過程中可能發生改變所引起的成本。


(本文作者Michael Jackso、Sean Long任職於Maxim Integrated)


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