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適用於工業控制的PLC隔離數位輸入方案
 

【作者: Mulong Gao】   2014年05月13日 星期二

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工業應用的傳統數位輸入架構

數位/二進位感測器和開關對信號監測和系統控制至關重要,廣泛用於工業控制、工業自動化、電動機控制和過程自動化。由於所有感測器的輸出都需要由中央處理單元(CPU)檢測和監測,我們通常利用可程式設計邏輯控制器(Programmable Logic Controller; PLC)數位輸入模組中的兩個高功率電阻分壓器檢測感測器輸出電壓。運用獨立的光耦合器隔離每個感測器通道,再根據系統複雜度來衡量需要多少個光耦合器。 如圖1所示,一般系統需要多個光耦合器。



圖一 : 傳統工業感測器監測系統原理圖,其中電阻分壓器和光耦合器用於監測和檢測感測器輸出至系統PLC的信號。
圖一 : 傳統工業感測器監測系統原理圖,其中電阻分壓器和光耦合器用於監測和檢測感測器輸出至系統PLC的信號。

在這種傳統架構中電阻分壓器消耗的功率較大,會形成電路板(PCB)上的「熱點」,故裝置在設計上必須能夠支援高溫運作以及增加散熱器,熱點同時也降低了系統可靠性。此外,多光耦合器設計還會增加高通道數量模組的成本和功耗,也浪費寶貴的電路板空間。因此,精密、精簡的隔離數位輸入介面較有利於工業生產。


簡化PLC的數位輸入

我們都知道整合裝置能夠達到這個要求,但是知易行難。先前的方法是在保持簡單介面的前提下,增加通道輸入以擴展系統容量。現在,我們轉而考慮數據串列化,並尋求能減少隔離用光耦合器數量的方法。如圖2所示,藉由以可配置的限流以降低功耗、改善檢錯功能,以及增加同一介面上資料傳輸可靠性等方法,將使數位輸入功能更具有彈性也更穩定,同時也能降低產生的熱能與功耗、節省空間並大幅降低生產成本。



圖二 : 傳統設計方案與Corona (MAX31911)設計方案中單一輸入通道的電流-電壓關係比較。
圖二 : 傳統設計方案與Corona (MAX31911)設計方案中單一輸入通道的電流-電壓關係比較。

隔離數位輸入介面參考應用設計

以上設計目標的解決方案就是,使用數位輸入轉換器/串列器和數位隔離器的Corona隔離子系統參考設計。Corona設計提供PLC數位輸入模組的前端介面電路,能夠支援高達36V的高壓輸入,同時將電源和資料隔離,並統整在90mm x 20mm小尺寸封裝中。該設計整合了八通道數位輸入電壓轉換器/串列器、六通道資料隔離器,還有若現場無電源時,隔離電源設計的H橋變壓器驅動器。我們再進一步討論此參考設計的硬體和軟體。


硬體說明

圖3為Corona輸入模組;圖4為系統結構圖。



圖三 : Corona參考設計電路板(MAXREFDES12#)。
圖三 : Corona參考設計電路板(MAXREFDES12#)。

圖四 : 數位輸入子系統參考設計圖。圖中U1為MAX31911八通道電壓轉換器/串列器,U3為MAX14850 6通道資料隔離器。
圖四 : 數位輸入子系統參考設計圖。圖中U1為MAX31911八通道電壓轉換器/串列器,U3為MAX14850 6通道資料隔離器。

這項設計中,工業數位輸入串列器(U1)將感測器和開關的24V數位輸出進行電壓轉換、信號調理以及數據串列化,並轉換成符合微控制器需求的CMOS相容信號。此元件提供PLC數位輸入模組前端介面電路,與傳統的分立電阻分壓方案相比,輸入限流可有效降低現場電源的消耗。圖2為單一輸入通道內電流與電壓關係在兩種方案中的比較。可選擇的晶片上低通濾波器讓感測器能靈活地去抖和濾波。晶片上8至1串列化能減少隔離所需的光耦合器,每8位元資料通過SPI埠就發送一次多位CRC校驗,確保高雜訊工業環境下能維持通信穩定運作。為提升靈活度,片上整合的5V電壓穩壓器可為外部光耦合器、數位隔離器或其它外部5V電路供電。


U3 (MAX14850)與Pmod?相容的尺寸規格能達到6通道資料隔離。Pmod規範適用於3.3V和5V模組以及各種引腳分配。Pmod的供電電壓可為3.3V或5V;U1側的電壓為5V。支援的資料隔離為600VRMS。


多數情況下,U1 (MAX31911)由24V現場電源供電;如果無現場電源可供使用,U1可由控制器供電。後者Corona電路板上的H橋變壓器驅動器(U2,MAX13256)和變壓器為MAX31911提供使用等級的隔離電源。


軟體說明

Corona設計經過Nexys? 3和ZedBoard TM平臺驗證,目前已提供這兩種平臺的專案檔案、元件驅動器以及示範代碼。由於板載Pmod相容連接器非常簡單,所以Corona設計很容易用於任何微控制器或FPGA開發電路板。


總結

本文介紹Corona (MAXREFDES12#)子系統參考設計如何為工業控制和自動化應用裝置提供結構緊湊而簡單的隔離數位輸入介面。Corona設計提供八個數位輸入通道。無需額外晶片選線,運用單一的SPI介面串聯多片八進位數位輸入IC,可輕鬆地以8的倍數增加通道數量。只需單個SPI介面即可將感測器資料傳輸至PLC,無需隔離附加通道,還能大幅減少輸入模組所需的隔離器數量。該設計大幅降低了成本,佔用的空間也較小,單位PCB面積上的通道密度較高。該設計提供基於Nexys 3或ZedBoard平臺的示範軟體。


高整合度、低功耗、無需光耦合器的晶片上數位串列器。總而言之,該方案功能強大、靈活、節省空間,可提供工業應用極高的價值。


(本文由Mulong Gao,Maxim Integrated高級工程師提供)


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