Die Komponenten, die Sie für das Design industrieller Steuerungen benötigen

Erstellt: Mai 7, 2021
Aktualisiert am: Juli 1, 2024

Einige Fertigungsprozesse haben durch Automatisierung und Robotik erhebliche Vorteile erfahren, und Systeme für industrielle Automatisierung benötigen Steuerungs- und Datenerfassungssysteme. Wenn eine Anlage mit höchster Effizienz betrieben werden soll, müssen die Automatisierungs- und Steuerungssysteme mit Zuverlässigkeit und Sichtbarkeit im Hinterkopf entworfen werden. Diese Systeme benötigen eine Reihe von Komponenten, die von an der Wand montierten Steuerungen bis zu kleinen eingebetteten Platinen mit einer Mischung aus Sensoren und ICs reichen.

Wenn Sie Platinen für industrielle Steuerungssysteme entwerfen, gibt es einige gängige Komponenten, die Sie als wesentlich für Ihr Produkt finden werden. Diese Komponenten sind dazu gedacht, alle wesentlichen Daten-/Signal-Erfassungsaufgaben sowie Verarbeitungs- und Generierungsaufgaben zu erfüllen, die als Teil eines größeren Steuerungssystems benötigt werden. Egal, ob Sie ein Box-Build oder eine kleine Platine für ein Steuerungs- und Überwachungssystem machen, hier finden Sie die Komponenten, die Sie benötigen.

Wesentliche Komponenten für das Design industrieller Steuerungen

Die Komponenten, die Sie für das Design industrieller Steuerungen benötigen, können nach Funktionalität in verschiedene Kategorien eingeteilt werden. Auf hoher Ebene müssen diese Systeme Signale innerhalb eines größeren Steuerungssystems generieren und sammeln, und sie müssen möglicherweise Daten als Teil eines Steueralgorithmus verarbeiten. Ihre industrielle Steuerungsplatine muss möglicherweise auch drahtlos kommunizieren, die Stromversorgung für Peripheriegeräte verwalten und hohen Temperaturen standhalten. Ohne weitere Verzögerung, hier sind einige funktionale Aspekte, die Sie beim Entwurf von Platinen für industrielle Steuerungen berücksichtigen müssen.

Stromregelung

Dies ist eine grundlegende Anforderung für jedes System für industrielle Anwendungen. Eine Platine für ein industrielles Steuerungs- oder Überwachungssystem kann eine Stromversorgung von bis zu 24 V benötigen, und eine einzelne Platine kann mehrere Ebenen für den ordnungsgemäßen Betrieb benötigen. Stromversorgungsmodule müssen möglicherweise auch einen hohen Strom liefern, insbesondere wenn sie verwendet werden, um ein elektromechanisches oder elektrothermisches Element zu betreiben. Sie können eine Reihe von Schaltwandlern oder LDOs finden, die ideal für Anwendungen mit geringer Leistung sind. Ein größeres Modul wie der Mean Well IRM-03-12S AC/DC-Regler ist für leistungsstärkere industrielle Systeme konzipiert.

Mean Well IRM-03-12S AC/DC-Stromregler und Blockdiagramm. Quelle: Datenblatt IRM-03-12A.

Platinenidentifikation

Bevor mein Unternehmen Anrufe von Automatisierungsanlagen erhielt, die nach Platinenlayout-Diensten suchten, war das letzte Mal, dass jemand EEPROMs erwähnte, als es um Arduino ging. Wenn mehrere Ihrer Platinen in einem größeren System erscheinen oder wenn Sie eine Platine als Teil einer Produktlinie herausgeben, benötigt die Platine einen einzigartigen Identifikator, der elektrisch abgerufen werden kann. Hier kommen EEPROMs ins Spiel, die es ermöglichen, einen einzigartigen Identifikator auf die Platine zu laden.

Komplexere Produkte können einen MCU/SoC verwenden, der Flash-Speicher mit drahtlosen Fähigkeiten und mehreren I/Os integriert. Diese Komponenten haben eine MAC-Adresse, die als eindeutiger Identifikator dient, sodass in diesem Fall kein EEPROM notwendig ist. Experimentelle Mesh-Netzwerke von IoT-Geräten für industrielle Überwachung gehen diesen Weg, da diese integrierten MCU/SoC die Gesamtzahl der Teile und die Kosten reduzieren.

Datenerfassung und Signalgenerierung

Diese zwei inversen Funktionen werden mit einem ADC (Erfassung) und einem DAC (Generierung) implementiert. Für industrielle Anwendungen brauchen ADCs typischerweise keine sehr hohe Abtastrate, da man nicht oft mit sehr hohen Frequenzen arbeitet. Jedoch müssen Sie für Messung und Signalgenerierung sicherstellen, dass die Auflösung hoch genug für Ihre Anwendung ist. Sie sollten auch die Anzahl der Kanäle überprüfen, da Sie möglicherweise mit mehreren Komponenten interagieren müssen.

Wenn Sie eine saubere Sinuswelle oder Rechteckwelle bei niedrigen bis moderaten Frequenzen erzeugen müssen, könnten Sie mit einem Oszillator-IC oder einem maßgeschneiderten Oszillator besser dran sein, abhängig vom benötigten Frequenzbereich. Der LTC1799 von Linear Technologies kommt in einem kleinen Gehäuse und liefert von 1 kHz bis 33 MHz mit einer Frequenztoleranz von 2,5%. Dieser Oszillator und viele andere kommen in einem kleinen Paket und haben eine einfache Implementierung (siehe unten).

LTC1799 1 kHz bis 33 MHz Oszillator. Quelle: LTC1799 Datenblatt.

Verarbeitungsleistung

Nachdem Sie einige Daten gesammelt haben, müssen Sie etwas damit anfangen. Ein MCU, FPGA oder ein anderes PLD bietet Ihnen die benötigte Verarbeitungsleistung sowie andere nützliche Peripheriegeräte in einer einzigen Komponente. Die typische Verwendung von gesammelten Daten in der industriellen Steuerung ist als Teil einer Regelungsschleife. Diese Anwendung erfordert nicht unbedingt sehr hohe Taktraten; etwas im MHz-Bereich sollte für die meisten Anwendungen ausreichend sein. Möglicherweise müssen Sie sich für einen hohen On-Board-Speicher entscheiden, abhängig von der Größe und Komplexität Ihrer Anwendung.

4-20 mA Stromschleifengenerierung

Wenn Sie mit dem de facto 4-20 mA Standard arbeiten, dann benötigen Sie einen Treiber, um eine Stromschleife für Ihr Prozesssteuerungssystem zu generieren. Motorantriebe, PLC-Ausgang programmierbare Treiber, Hochspannungs-I/Os und Sensoren auf einem linearen Bus nutzen alle diese Steuerschleifen. Der XTR305 Analogtreiber von Texas Instruments ist ein Präzisionskonditionierer für einen 4-20 mA Schleifentreiber oder +/- 10 V Treiber, der von einem DAC gespeist werden könnte. Diese Komponente hat auch einen Empfängermodus für Steuerschleifenanwendungen, was die Notwendigkeit, einen ADC-Kanal für Messungen zu verwenden, eliminiert.

Blockdiagramm des XTR305. Aus dem XTR305-Datenblatt.

Verstärker

Je nach den Spannungsbereichen, die Sie lesen müssen, und der erforderlichen Bandbreite, benötigen Sie möglicherweise eine Reihe von Verstärkern in Ihrem System. Allzweck-Operationsverstärker oder Instrumentenverstärker sind nützlich, um ein schwaches Signal vor der Abtastung mit einem DAC zu verstärken oder ein analoges Spannungssignal ohne einen sperrigen Transformator zu erhöhen. Einige Verstärker sind speziell für industrielle Anwendungen konzipiert und sind robuster als ein typischer Operationsverstärker-IC.

ESD-Schutz

Industriesysteme können in der Nähe von Hochspannung betrieben werden, und kritische Systeme können ESD-Sicherheit erfordern. Mehrere Schutzkomponenten für Schaltkreise sind hier nützlich, abhängig von der Spitzenspannung und der Anstiegszeit, der die Platine ausgesetzt sein könnte. Beispiele umfassen einfache Sicherungen, Relais, TVS-Dioden und Gasentladungsröhren.

Weitere Komponenten für Industriesteuerungsdesign

Offensichtlich ist die Liste der Komponenten, die für Industriesteuerungsplatinen benötigt werden, riesig, aber die oben aufgeführten Optionen werden sehr wahrscheinlich in Ihrer nächsten Platine auftauchen. Einige andere Komponenten, die Sie für Ihr nächstes Industriesteuerungsdesign benötigen könnten, umfassen:

Unabhängig davon, welche Komponenten Sie für das Industriesteuerungsdesign benötigen, können Sie die fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen von Octopart nutzen, um die Teile zu finden, die Sie benötigen. Wenn Sie die Elektronik-Suchmaschine von Octopart verwenden, haben Sie Zugang zu Daten von Distributoren und Teilespezifikationen, die alle in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle frei zugänglich sind. Sehen Sie sich unsere Seite mit linearen integrierten Schaltkreisen an, um die Komponenten zu finden, die Sie benötigen.

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