Los componentes que necesitas para el diseño de control industrial

Creado: Mayo 7, 2021
Actualizado: Julio 1, 2024

Algunas operaciones de fabricación han visto beneficios importantes de la automatización y la robótica, y los sistemas para la automatización industrial requieren sistemas de control y adquisición de datos. Si una instalación va a funcionar con la máxima eficiencia, los sistemas de automatización y control deben ser diseñados con fiabilidad y visibilidad en mente. Estos sistemas requieren una gama de componentes que van desde controladores montados en paneles hasta pequeñas tarjetas embebidas con una mezcla de sensores e ICs.

Si estás diseñando tarjetas para sistemas de control industrial, hay algunos componentes comunes que encontrarás esenciales para tu producto. Estos componentes están destinados a realizar todas las tareas esenciales de adquisición de datos/señales, así como tareas de procesamiento y generación que se necesitan como parte de un sistema de control más grande. Ya sea que estés haciendo un montaje en caja o una pequeña tarjeta para un sistema de control y monitoreo, aquí es donde puedes encontrar los componentes que necesitarás.

Componentes Esenciales para el Diseño de Control Industrial

Los componentes que necesitas para el diseño de control industrial se pueden dividir en diferentes categorías por funcionalidad. A un alto nivel, estos sistemas necesitan generar y recopilar señales dentro de un sistema de control más grande, y pueden necesitar procesar datos como parte de un algoritmo de control. Tu tarjeta de control industrial también podría necesitar comunicarse de manera inalámbrica, gestionar la energía para periféricos y resistir altas temperaturas. Sin más demora, aquí hay algunos aspectos funcionales que necesitarás considerar al diseñar tarjetas para control industrial.

Regulación de Potencia

Este es un requisito básico para cualquier sistema para aplicaciones industriales. Una tarjeta para un sistema de control o monitoreo industrial puede requerir energía de hasta 24 V, y una sola tarjeta puede requerir múltiples niveles para funcionar correctamente. Los módulos de suministro de energía también pueden necesitar suministrar alta corriente, particularmente si se usan para ejecutar un elemento electromecánico o electrotermal. Puedes encontrar una gama de convertidores conmutadores o LDOs que son ideales para aplicaciones de baja potencia. Un módulo más grande como el regulador AC/DC Mean Well IRM-03-12S está diseñado para sistemas industriales de mayor potencia.

Regulador de potencia AC/DC Mean Well IRM-03-12S y diagrama de bloques. Fuente: Hoja de datos IRM-03-12A.

Identificación de la Tarjeta

Antes de que mi empresa comenzara a recibir llamadas de instalaciones de automatización buscando servicios de diseño de tarjetas, la última vez que escuché a alguien discutir sobre EEPROMs fue cuando se referían a Arduino. Si varias de tus tarjetas aparecerán en un sistema más grande, o si estás lanzando una tarjeta como parte de una línea de productos, la tarjeta necesita un identificador único que se pueda acceder eléctricamente. Aquí entran los EEPROMs, que permiten cargar un identificador único en la tarjeta.

Los productos más avanzados pueden utilizar un MCU/SoC que integra memoria Flash con capacidades inalámbricas y múltiples E/S. Estos componentes tendrán una dirección MAC que sirve como un identificador único, por lo que un EEPROM no será necesario en este caso. Las redes de malla experimentales de dispositivos IoT para monitoreo industrial están tomando este camino ya que estos MCU/SoC integrados reducen el total de partes y el costo.

Adquisición de Datos y Generación de Señales

Estas dos funciones inversas se implementan con un ADC (adquisición) y un DAC (generación). Para aplicaciones industriales, los ADCs típicamente no necesitan tener una tasa de muestreo muy alta ya que no se trabaja a menudo con frecuencias muy altas. Sin embargo, para la medición y generación de señales, necesitas asegurarte de que la resolución sea suficientemente alta para tu aplicación. También deberías verificar el número de canales, ya que podrías necesitar interactuar con múltiples componentes.

Si necesitas generar una onda senoidal o cuadrada limpia a frecuencias bajas o moderadas, podrías estar mejor con un IC oscilador o un oscilador construido a medida, dependiendo del rango de frecuencia que necesites. El LTC1799 de Linear Technologies viene en un paquete pequeño y emite desde 1 kHz hasta 33 MHz con una tolerancia de frecuencia del 2.5%. Este oscilador y muchos otros vienen en un paquete pequeño y tienen una implementación simple (ver abajo).

Oscilador LTC1799 de 1 kHz a 33 MHz. Fuente: Hoja de datos de LTC1799.

Potencia de Procesamiento

Una vez que recolectas algunos datos, necesitas hacer algo con ellos. Un MCU, FPGA u otro PLD te brinda la potencia de procesamiento que necesitas, así como otros periféricos útiles en un solo componente. El uso típico de datos recolectados en control industrial es como parte de un bucle de control. Esta aplicación no necesariamente requiere tasas de reloj enormes; algo en el rango de MHz debería ser suficiente para la mayoría de las aplicaciones. Podrías necesitar optar por una alta memoria a bordo, dependiendo del tamaño y complejidad de tu aplicación.

Generación de Bucle de Corriente de 4-20 mA

Si estás trabajando con el estándar de facto de 4-20 mA, entonces necesitarás un controlador para generar un bucle de corriente para tu sistema de control de procesos. Los accionamientos de motores, controladores programables de salida de PLC, E/S de alto voltaje y sensores en un bus lineal todos hacen uso de estos bucles de control. El controlador analógico XTR305 de Texas Instruments es una condición de precisión para un controlador de bucle de 4-20 mA o un controlador de +/- 10 V, que podría ser suministrado por un DAC. Este componente también tiene un modo receptor para aplicaciones de bucle de control, lo que elimina la necesidad de usar un canal ADC para la medición.

Diagrama de bloques del XTR305. Del hoja de datos del XTR305.

Amplificadores

Puede que necesites una gama de amplificadores en tu sistema, dependiendo de los rangos de voltaje que necesites leer y el ancho de banda requerido. Los op-amps de propósito general o los amplificadores de instrumentación son útiles para amplificar una señal de bajo nivel antes de muestrearla con un DAC, o para aumentar una señal de voltaje analógico sin un transformador voluminoso. Algunos amplificadores están específicamente diseñados para aplicaciones industriales y serán más robustos que un típico circuito integrado op-amp.

Protección ESD

Los sistemas industriales pueden estar operando cerca de altos voltajes, y los sistemas críticos pueden requerir seguridad ESD. Múltiples componentes de protección de circuitos son útiles aquí, dependiendo del voltaje máximo y el tiempo de subida al que pueda estar expuesta la placa. Ejemplos incluyen fusibles simples, relés, diodos TVS y tubos de descarga de gas.

Otros Componentes para el Diseño de Control Industrial

Obviamente, la lista de componentes necesarios para las placas de control industrial es enorme, pero las opciones mencionadas arriba son muy probable que aparezcan en tu próxima placa. Otros componentes que podrías necesitar para tu próximo diseño de control industrial incluyen:

No importa qué componentes necesites para el diseño de control industrial, puedes usar las características avanzadas de búsqueda y filtrado en Octopart para encontrar las partes que necesitas. Cuando usas el motor de búsqueda de electrónica de Octopart, tendrás acceso a datos de distribuidores y especificaciones de partes, todo lo cual es libremente accesible en una interfaz amigable para el usuario. Echa un vistazo a nuestra página de circuitos integrados lineales para encontrar los componentes que necesitas.

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