Cómo ayuda el hardware configurable por software a la flexibilidad en los módulos de E/S industriales

Ya sea que se utilice para una instalación de control de procesos o un sistema de automatización industrial, un módulo de E/S o una caja de conexiones de campo tiene una variedad de desafíos únicos en todo el ciclo de vida del producto. La gestión de productos se enfrenta a decisiones sobre cuántos canales y qué combinaciones serán necesarias para cada producto. Los diseñadores electrónicos deben decidir cómo implementar el mejor rendimiento y el sistema rentable para varias señales analógicas o digitales en los proyectos. Los técnicos de instalación pueden verse abrumados por todos los diferentes productos y numerosos esquemas de cableado. ¿No sería la vida más fácil si pudiéramos diseñar un sistema con la máxima flexibilidad frente a tales dificultades? La nueva familia de productos de IC de entrada/salida configurable por software (SWIO) de Analog Devices logra este objetivo al admitir literalmente cualquier función y cualquier combinación en cualquier pin en cualquier momento.

Para un controlador lógico programable (PLC) industrial o un sistema de control distribuido (DCS) en control de procesos o automatización de fábricas, los clientes finales y las aplicaciones tienen diferentes requisitos. Para los gerentes de producto, definir el producto, la estrategia y la optimización correctos es una tarea enorme.¹ Un cliente final puede requerir más canales de salida analógica, como de 4 mA a 20 mA, mientras que otro solicita más entradas digitales. O el mismo cliente puede solicitar más canales analógicos para una plataforma, mientras que la otra plataforma requiere más canales digitales. En la Figura 1 se muestran ejemplos de este dilema. A medida que aumenta la Industria 4.0, los fabricantes necesitan sistemas flexibles que puedan adaptarse rápida y fácilmente a los requisitos cambiantes, todo impulsado por cambios en el comportamiento y la demanda del consumidor. Como resultado, ya no pueden confiar en sistemas fijos a gran escala diseñados para productos de mercado masivo y demanda predecible. En su lugar, se requieren sistemas flexibles que se puedan reconfigurar rápidamente con un tiempo de inactividad mínimo y una inversión de capital mínima.

Los componentes SWIO permiten programar sus canales, no solo como entrada o salida, sino también como analógicos o digitales. Además, se pueden configurar de manera eficiente para leer RTD o termopares de 2 o 3 hilos.

Las E/S configurables por software también actúan como un puente para las redes de control basadas en Ethernet, ya que pueden aplicarse a instalaciones industriales abandonadas que requieren actualizaciones de los sistemas Ethernet industriales 10BASE-T1L. Permite el desarrollo de unidades de E/S de campo configurables y estandarizadas capaces de traducir entre HART existentes^®− Habilitó sensores y actuadores de 4 mA a 20 mA y 10BASE-T1L o backhaul de fibra de 100 metros.

La figura 2 muestra el AD74413R, un dispositivo SWIO de cuatro canales diseñado para aplicaciones de control de procesos, automatización de fábricas o control de edificios (este artículo se centra en aplicaciones industriales). El dispositivo es una solución monolítica totalmente integrada para la operación de entrada y salida industrial. El AD74413R cuenta con un ADC sigma-delta (∑-Δ) de 16 bits y cuatro DAC de 13 bits y está empaquetado en un LFCSP de 9 mm × 9 mm y 64 conductores que admite una temperatura de –40 °C a +105 °C. Rango de temperatura de funcionamiento. Cada uno de los cuatro canales se configura escribiendo en los registros de configuración a través de un bus SPI cuyo reloj puede llegar hasta los 24 MHz. Los usuarios pueden refinar las configuraciones predeterminadas de cada modo de operación a través del mapa de registro AD74413R.

El ADC sigma-delta de 16 bits del AD74413R puede medir corriente o voltaje en uno o más de los cuatro canales y hasta cuatro entradas de diagnóstico a través de una sola solicitud de conversión. La tasa de conversión es de hasta 4,8 kSPS y se encuentran disponibles filtros de rechazo opcionales de 50 Hz y 60 Hz.

Los DAC de cadena R de 13 bits por canal son inherentemente monotónicos y lineales. Estos DAC admiten salidas de corriente de hasta 25 mA y tienen capacidad de detección de circuito abierto para el diagnóstico de fallas. De manera similar, pueden proporcionar salidas de voltaje con un rango real de 0 V a 11 V.

AD74413R tiene una referencia interna de alta precisión para controlar DAC y ADC en aplicaciones sensibles al costo, mientras que se puede usar una referencia externa cuando se requiere el mayor rendimiento.

Posibles funciones y modos de funcionamiento

La descripción general de la función de cada canal se puede ver en la Tabla 1. El componente puede admitir salida de voltaje, salida de corriente, entrada de voltaje, entrada de corriente (alimentada externamente), entrada de corriente (alimentada por bucle), medición RTD externa, lógica de entrada digital y alimentación por bucle. entrada digital. También hay un modo de alta impedancia como función predeterminada después del encendido o reinicio del dispositivo.

Tabla 1. Posibles selecciones de funciones

Función de canal (programada a través de los registros CH_FUNC_SETUPx)	Características de ejemplo
Alta impedancia	desplegable opcional
Salida de voltaje	Protección contra cortocircuitos
Salida de corriente	Detección de circuito abierto
Entrada de voltaje	Modo de medición de termopar desplegable opcional
Entrada de corriente (alimentada externamente)	Protección contra cortocircuitos, modo compatible con HART
Entrada de corriente (alimentada por lazo)	Protección contra cortocircuitos, modo compatible con HART
Medición de resistencia	Medición radiométrica, RTD de 2 hilos o potencialmente de 3 hilos
Lógica de entrada digital	Mediciones de tensión filtradas o sin filtrar, función antirrebote
Entrada digital, alimentado por lazo	Mediciones de tensión filtradas o sin filtrar, función antirrebote

En el modo de salida de corriente, el DAC proporciona una salida de corriente (normalmente de 0 mA a 25 mA) que se regula detectando el voltaje diferencial en la resistencia del sensor (pines SENSEL_x y SENSEH_x). Para disminuir la disipación de energía en la matriz en los casos en que hay una carga resistiva baja, se puede conectar un PMOS externo para pasar una corriente de salida de 0 mA a 25 mA.

El modo de entrada actual puede admitir configuraciones alimentadas externamente y alimentadas por bucle. El ADC sigma-delta de 16 bits mide automáticamente la corriente a través de la resistencia de detección. Los pines de detección filtrables (SENSEHF_x y SENSELF_x) se utilizan para este propósito. Además, ambos tipos de funciones de entrada de corriente tienen un modo de compatibilidad HART adicional con una impedancia de recepción mínima de 230 Ω garantizada.²

El modo de entrada de voltaje mide los voltajes con el ADC a través de uno de los puertos filtrados (SENSELF_x) y el sensor de tierra. Se pueden elegir opciones desplegables adicionales contra voltajes flotantes. En el modo de entrada de voltaje, también se pueden realizar lecturas de termopar gracias a una configuración de rango dedicada en el ADC.

El modo de medición de resistencia polariza un RTD externo de 2 hilos con un voltaje derivado de una polarización de 2,5 V. Con las resistencias pull-up para polarizar el voltaje se asegurará una medición radiométrica precisa. La baja corriente de excitación minimiza la disipación de energía, lo que reduce el autocalentamiento del RTD.

El modo de entrada digital admite dispositivos IEC 61131-2 Tipo I, Tipo II y Tipo III. Los umbrales son programables a través de un registro dedicado. Cada canal tiene una salida de uso general (GPO) dedicada y un filtrado antirrebote programable por el usuario.

Robustez y Diagnóstico

Debido a la naturaleza de los entornos industriales, el AD74413R está diseñado para ser resistente en entornos ruidosos y puede soportar casos de sobrevoltaje, como errores de cableado y sobretensiones. Gracias a los protectores de línea en el chip, los terminales de tornillo no descargan energía en el IC cuando se conecta a un potencial más alto que el pin AVDD. Se pueden usar diodos TVS adicionales para soportar altas sobretensiones en los terminales de entrada/salida. Además, para aumentar la robustez del AD74413R, se integra una verificación de redundancia cíclica (CRC) en la interfaz SPI.

Múltiples características de diagnóstico aseguran que el AD74413R funcione correctamente y brindan advertencias contra los escenarios de falla más comunes. Los diagnósticos en chip pueden monitorear los voltajes de la fuente de alimentación, la referencia, la temperatura del troquel (como alerta o apagado) y los terminales de tornillo. Los diagnósticos del último factor pueden ayudar a detectar errores de cableado cuando hay un voltaje de falla por encima de AVDD o por debajo de 0 V que está conectado en los terminales. La resistencia de detección externa ayuda aún más para el diagnóstico, así como para el funcionamiento normal. Por ejemplo, proporciona detección de cortocircuito para modos de voltaje o ayuda a la regulación de los modos de salida de corriente. También existe la opción para que los usuarios programen sus propias rutinas de diagnóstico para probar sensores/actuadores conectados, ya que el AD74113R puede forzar voltajes o corrientes y leer respuestas de corriente o voltaje del dispositivo de campo.

Si ocurre una condición de alerta, el pin ALERT se activa. El registro ALERT_STATUS determina el origen del error.

Soluciones complementarias

Una solicitud de aplicación común es que los módulos de E/S o los PLC cuenten con aislamiento de microprocesador o que tengan una unidad de control electrónico desde el lado del bus. Los datos y las fuentes de alimentación deben estar separados galvánicamente. Para ambos propósitos, Analog Devices desarrolló un aislador de energía y datos dedicado para la familia SWIO. El ADP1032 es una unidad de administración de energía (PMU) aislada de alto rendimiento que comprende un flyback aislado con un regulador reductor y canales de aislamiento de datos. Se muestra en la Figura 2.

Dos reguladores están desfasados ​​para una interferencia electromagnética (EMI) muy baja. El controlador flyback en modo de corriente puede suministrar de 6 V a 28 V. Tiene bloqueo por bajo voltaje (UVLO), protección contra sobrecorriente/sobrevoltaje, control de habilitación, arranque suave y control de velocidad de respuesta. Además, tiene siete canales de aislamiento digital de baja potencia: cuatro para SPI y tres para comunicación de propósito general.

Otra necesidad típica en los módulos de E/S es la activación de relés o lámparas. AD74413R tiene los GPO, que también se pueden programar como salidas digitales especiales (DO). Con un controlador limitador de corriente PMOS y ADM1270 externo, este pin puede regular unos pocos cientos de miliamperios para conducir relés o lámparas. ADM1270 proporciona limitación de corriente de irrupción y protección contra sobrecorriente para tales cargas inductivas o resistivas. Puede encontrar un ejemplo de aplicación típico en la placa de evaluación del AD74413R.

Cuando se requiere modulación HART, un AD5700 puede proporcionar funcionalidad de módem para sistemas basados ​​en AD74413R.

Dado que el alcance de este artículo abarca aplicaciones industriales, discutimos principalmente el AD74413R. También hay una versión más liviana, llamada AD74412R, que está dirigida a aplicaciones de control de edificios. Tiene un rango de temperatura de funcionamiento reducido de -40 °C a +85 °C, precisiones de entrada y salida de corriente más relajadas y voltajes de suministro de hasta 26,4 V.

Conclusión

Con los circuitos integrados SWIO correctos, los fabricantes pueden desarrollar una plataforma que reemplace múltiples módulos de E/S de función fija obsoletos. Además, pueden usar esta tecnología en múltiples aplicaciones finales donde la E/S cambia dinámicamente con cada instalación. Para los sistemas que tradicionalmente dependían de gabinetes de control con múltiples módulos de E/S y cableado específico para cada tipo de canal, la necesidad de hardware desaparece ya que los usuarios finales ahora pueden instalar un solo módulo programable desde la sala de control, lo que ayuda a reducir la gestión de productos, la logística y la fabricación. y costos de apoyo. La tecnología SWIO también actúa como puente hacia las redes de control basadas en Ethernet, ya que se puede aplicar a instalaciones ya disponibles.

Referencias

¹ Bela G. Liptak. Manual de Ingenieros de Instrumentos, Volumen II: Control y Optimización de Procesos. CRC Press, septiembre de 2005.

²Protocolo de comunicación HART. Grupo FieldComm.