随着现代工业网络逐步支持先进协议,工厂车间的传感器实现远程实时监控和配置成为可能,令生产停机时间大幅缩短。不过,将传感器和执行器连接至安装了进程控制器的接线柜,却仍是一项人工密集型工作,非常繁琐。

 

比如修改生产工艺,需要将数字输出(DO)电压驱动的阀门改为使用4-20mA模拟输出(AO)电流的阀门,技术人员必须在接线柜中改线。通过将线路接至不同的IO模块,或者更换IO卡(如果使用机架式模块的话),将阀门连接从DO通道移到AO通道。如果数字输入(DI)传感器必须换成模拟输入(AI),也会出现类似情况。

 

虽然自动化工程师会在新工艺的调试阶段选择IO模块,便于拥有足够的通道(允许一定冗余),但随着时间推移,不断增加的传感器和执行器意味着可用的备用通道越来越少,可能导致没有足够的特定类型通道来应对后续升级改造。如果没有可用的AI通道,那么备用DI对需要AI通道的技术人员来说也没多大用处。在一个线路密集的接线柜内,甚至可能无法添加一个新的(且成本高昂的)IO模块。当不同的IO通道类型需要定期重新校准时,手动干预和相关的生产停机时间会大幅增加。

 

图1.技术人员在配线柜调整连接

 

因此,工艺自动化工程师往往渴望有一个通用的IO通道,可以远程配置(和校准),方便执行任何信号类型(模拟或数字)的任何功能(输入或输出、电压或电流),而无需技术人员在接线柜中操作。

 

接下来,ADI将回顾工业环境中使用传感器和执行器信号的主要特性,并向您介绍一种新的参考设计——使用经出厂校准、可远程配置的通用IO模块,来切实提升接线柜的工作效率,加速推动工业自动化进程。

 

数字IO

DI和DO信号通常是0-24V范围内的直流电压。DI用于检测离散液位、目标检测或指示按钮开关的状态。DO用于驱动电机、执行器和电磁阀。这些产品提供多种配置(高端、低端和推挽),具体取决于负载的参考方式,驱动电流是主要规格参数,范围从数百毫安到数安不等。

 

模拟IO

模拟IO信号可以是4-20mA电流,或者通常介于0-10V之间的直流电压(尽管可使用双极选项和更宽的电压范围)。AI接收来自传感器的信号,用于精确测量距离、压力、光线等量值,而AO则用于精确控制执行器的移动和位置。

 

温度

在工业环境中,温度测量主要使用两种传感器中的一种来进行,分别是热电偶(TC)或具有2-3线和4线变体的电阻-温度检测器(RTD)。与RTD相比,热电偶坚固耐用、工作温度范围更宽、成本相对较低,但RTD更稳定、精度更高、线性度更好。信号输出水平取决于所用的TC/RTD类型,并且可以连接到AI通道。稳健性(以符合IEC-61000-4瞬态抗扰度标准来体现)是所有类型工业IO接口的关键性能指标。

 

通用IO模块参考设计

集成度提高意味着在最新的IO模块中,单个通道可以配置为输入或输出,但模拟域和数字域仍然是分开的。不过,图2展示了一种新型IO模块的参考设计功能图,其中可通过软件,将单个通用UIO引脚配置为相对于单个接地引脚(GND)的AI、AO、DI、DO。可配置模式包括模拟电压输入(0至+10V)、模拟电流输入(0至+20mA)、模拟电压输出(0至+10V)和模拟电流输出(0至+20mA)。它还包括一个符合IEC 61131-2的1/2/3型标准的0-24V数字电压输入和一个推挽/高端数字输出(能够驱动高达1.3A的电流)。同时它还支持使用电阻温度检测器(RTD)进行温度测量,并为热电偶测量提供内置冷端补偿。使用行业标准的四路PCB端子支持UIO模式以及2线、3线或4线温度测量。

 

此模块的AI和AO功能使用MAX22000来实现。MAX22000是一种可通过软件配置的模拟输入/输出IC,可在电压或电流模式下工作。模拟输出信号使用其内部18位DAC生成,而集成的24位ADC有一个低噪声PGA,具有高压和低压输入范围,用于支持RTD测量。DI和DO功能则使用支持低漏电制程技术的MAX14914A来实现。MAX14914A是一个高端/推挽驱动器,也可以配置作为DI运行。除了提供DIO功能外,MAX14914A还可监控高端和推挽模式下的输出电流。与DO状态相对应的逻辑电平可以通过MAX22000 GPIO上的GPIO进行轮询,这是安全关键型应用中的必要功能。

 

图2.MAXREFDES185#通用IO模块参考设计功能图

 

软件配置

此模块使用在很多微控制器FPGA平台上常用的行业标准型12路Pmod™连接器。为了便于测试,可以通过软件GUI使用USB转SPI适配器(如USB2PMB2#)来配置该模块,从而为电路板提供物理接口。GUI有两个选项卡--通用IO选项卡(图3)有一个下拉菜单,可选择模拟或数字、输入或输出配置。根据选择的模式,GUI会显示一个简化的IC内部连接方框图,可启用当前选择的功能。

 

注:Pmod™是Diligent,Inc.的商标。

 

图3.GUI的通用IO选项卡

 

模拟输入选项卡可用于监测目的,将UIO引脚的电压或电流信号与12通道、24位模拟输入器件MAX22005测得的信号进行直观比较。此外还提供十六进制值,以便将两个ADC内核轻松关联。

 

校准

此模块的一个主要优势是可以使用板载MAX22005进行电压和电流校准。MAX22005是一个12通道、出厂校准的模拟输入IC,可用作参考,还可监测UIO引脚上的模拟信号。它经过出厂校准,25°C时精度达到0.02% FSR,±50°C时为0.05% FSR。在GUI的Universal IO选项卡上单击"Autocal"即可执行校准。图4显示了UIO引脚和MAX22005上模拟电压信号的FSR精度,两者都远远优于精密仪器预期的0.02% FSR,并表现出高度相关性。

 

图4.电压测量精度

 

电流测量也具有类似精度,而图5显示了使用Fluke 724校准器模拟PT100 RTD传感器的温度读数精度。在-100°C到+300°C之间,精度在1°C以内,室温下在0.02% FSR以内。对于±50°C的温度变化,整个模块的总精度达到0.1% FSR。

 

图5.温度测量精度

 

功耗优化

功率跟踪功能可限制模块的散热量。这是通过低静态电流线性稳压器和高效降压转换器组合来实现的。MAX17651的静态电流仅为8µA,它从直流输入提供24V稳压电源,而MAX17532和MAXM17552降压转换器产生多个模拟输出电源电压,其中一个可编程为4.2V至24V之间的五个不同预设值。这通过MAX22005上的GPIO引脚来完成,使用外部FET切换反馈电阻。此模块正常情况下功耗通常为10mA,但如果选择电流输入或电流输出模式,则电流消耗会增加。绿色LED则显示出外部电源的存在。

 

稳定性

虽然该模块无法立即以当前形式转化到现场应用,但在测试IEC 61131-2中规定的工业设备瞬态抗扰度时,该模块仍表现出高度的稳定性。它能承受高达±1.0kV的1.2/50µs浪涌,总源阻抗为42Ω。使用10个浪涌脉冲进行了浪涌测试(线对线和线对地),模块保持正常运行,没有损坏。器件IC上的数据和控制寄存器未损坏,通过主机适配器的通信也未中断。在现场连接端子块上进行测试时,还发现该模块能够承受高达±4kV端口对地的静电放电(ESD),用于接触和气隙放电。未发现任何损坏,测试后主机通信保持正常。模块的前视图(外形尺寸为75mm x 20mm)如图6所示。

 

图6.MAXREFDES185#参考设计

 

图7则清楚地展示了选择单个通用IO模块(UIO)代替几个标准模块带来的灵活性和节省空间优势。单个通用IO模块可以执行四种独立功能,并通过软件进行远程配置和校准,而每个标准模块只执行单一功能,并且需要手动配置和校准。

 

 

图7.一个通用IO模块代替几个标准模块

 

总结

工业4.0时代,要求工业设备尽可能提高适应性和灵活性。不过截至目前,手动重新布线和校准IO接口,却成为无法避免的限制因素。现在,ADI MAXREFDES185#远程可配置IO参考设计,能为未来的IO模块提供清晰的路线图,可有效提高灵活性和可配置性。除了IO模块外,此参考设计及其组件IC同时也适用于PLC和DCS系统智能传感器和执行器中的应用。