I Componenti Necessari per la Progettazione del Controllo Industriale

Creato: maggio 7, 2021
Aggiornato: luglio 1, 2024

Alcune operazioni di produzione hanno visto grandi benefici dall'automazione e dalla robotica, e i sistemi per l'automazione industriale richiedono sistemi di controllo e acquisizione dati. Affinché un impianto funzioni al massimo dell'efficienza, i sistemi di automazione e controllo devono essere progettati con affidabilità e visibilità in mente. Questi sistemi richiedono una gamma di componenti che vanno dai controllori montati su pannello a piccole schede integrate con un mix di sensori e IC.

Se stai progettando schede per sistemi di controllo industriale, ci sono alcuni componenti comuni che scoprirai essere essenziali per il tuo prodotto. Questi componenti sono destinati a svolgere tutti i compiti essenziali di acquisizione dati/segnali, così come i compiti di elaborazione e generazione che sono necessari come parte di un sistema di controllo più ampio. Che tu stia realizzando un box build o una piccola scheda per un sistema di controllo e monitoraggio, ecco dove puoi trovare i componenti di cui hai bisogno.

Componenti essenziali per la progettazione del controllo industriale

I componenti di cui hai bisogno per la progettazione del controllo industriale possono essere divisi in diverse categorie per funzionalità. Ad alto livello, questi sistemi devono generare e raccogliere segnali all'interno di un sistema di controllo più ampio, e potrebbero dover elaborare dati come parte di un algoritmo di controllo. La tua scheda di controllo industriale potrebbe anche dover comunicare senza fili, gestire l'alimentazione ai periferici e resistere ad alte temperature. Senza ulteriori indugi, ecco alcuni aspetti funzionali che dovrai considerare quando progetti schede per il controllo industriale.

Regolazione dell'alimentazione

Questo è un requisito di base per qualsiasi sistema per applicazioni industriali. Una scheda per un sistema di controllo o monitoraggio industriale può richiedere un'alimentazione fino a 24 V, e una singola scheda può richiedere più livelli per funzionare correttamente. I moduli di alimentazione potrebbero anche dover fornire alta corrente, in particolare se utilizzati per alimentare un elemento elettromeccanico o elettrotermico. Puoi trovare una gamma di convertitori switching o LDO che sono ideali per applicazioni a bassa potenza. Un modulo più grande come il regolatore AC/DC Mean Well IRM-03-12S è progettato per sistemi industriali ad alta potenza.

Regolatore di potenza AC/DC Mean Well IRM-03-12S e diagramma a blocchi. Fonte: Scheda tecnica IRM-03-12A.

Identificazione della scheda

Prima che la mia azienda iniziasse a ricevere chiamate da impianti di automazione alla ricerca di servizi di layout di schede, l'ultima volta che ho sentito qualcuno discutere di EEPROM era quando si faceva riferimento ad Arduino. Se più schede del tuo tipo appariranno in un sistema più grande, o se stai rilasciando una scheda come parte di una linea di prodotti, la scheda ha bisogno di un identificatore unico che possa essere accessibile elettricamente. Entrano in gioco gli EEPROM, che consentono di caricare un identificatore unico sulla scheda.

I prodotti più avanzati possono utilizzare un MCU/SoC che integra memoria Flash con capacità wireless e molteplici I/O. Questi componenti avranno un indirizzo MAC che funge da identificatore unico, quindi in questo caso non sarà necessario un EEPROM. Le reti mesh sperimentali di dispositivi IoT per il monitoraggio industriale stanno seguendo questa strada poiché questi MCU/SoC integrati riducono il numero totale di parti e i costi.

Acquisizione Dati e Generazione di Segnali

Queste due funzioni inverse sono implementate con un ADC (acquisizione) e un DAC (generazione). Per le applicazioni industriali, gli ADC tipicamente non necessitano di un tasso di campionamento molto elevato poiché non si lavora spesso con frequenze molto alte. Tuttavia, per la misurazione e la generazione di segnali, è necessario assicurarsi che la risoluzione sia sufficientemente alta per la propria applicazione. Si dovrebbe anche controllare il numero di canali, poiché potrebbe essere necessario interfacciarsi con più componenti.

Se è necessario generare un'onda sinusoidale o quadrata pulita a frequenze basse o moderate, potrebbe essere più conveniente utilizzare un oscillatore IC o un oscillatore costruito su misura, a seconda dell'intervallo di frequenze necessario. L'LTC1799 di Linear Technologies è disponibile in un piccolo pacchetto e fornisce uscite da 1 kHz a 33 MHz con una tolleranza di frequenza del 2,5%. Questo oscillatore e molti altri sono disponibili in un piccolo pacchetto e hanno un'implementazione semplice (vedi sotto).

Oscillatore LTC1799 da 1 kHz a 33 MHz. Fonte: Scheda tecnica LTC1799.

Potenza di Elaborazione

Una volta raccolti alcuni dati, è necessario fare qualcosa con essi. Un MCU, FPGA o altro PLD ti fornisce la potenza di elaborazione di cui hai bisogno oltre ad altri utili periferici in un unico componente. L'uso tipico dei dati raccolti nel controllo industriale è come parte di un ciclo di controllo. Questa applicazione non richiede necessariamente frequenze di clock enormi; qualcosa nell'ordine dei MHz dovrebbe essere più che sufficiente per la maggior parte delle applicazioni. Potrebbe essere necessario optare per una memoria on-board elevata, a seconda delle dimensioni e della complessità della propria applicazione.

Generazione di Loop di Corrente 4-20 mA

Se stai lavorando con lo standard de facto 4-20 mA, allora avrai bisogno di un driver per generare un loop di corrente per il tuo sistema di controllo del processo. Azionamenti per motori, driver programmabili di uscita PLC, I/O ad alta tensione e sensori su un bus lineare utilizzano tutti questi loop di controllo. L'driver analogico XTR305 di Texas Instruments è una condizione di precisione per un driver di loop 4-20 mA o un driver +/- 10 V, che potrebbe essere fornito da un DAC. Questo componente ha anche una modalità ricevitore per applicazioni di loop di controllo, eliminando la necessità di utilizzare un canale ADC per la misurazione.

Diagramma a blocchi di XTR305. Dal datasheet di XTR305.

Amplificatori

Potresti aver bisogno di una gamma di amplificatori nel tuo sistema, a seconda delle gamme di tensione che devi leggere e della larghezza di banda richiesta. Gli op-amp di uso generale o gli amplificatori strumentali sono utili per amplificare un segnale a basso livello prima del campionamento con un DAC, o per aumentare un segnale di tensione analogico senza un trasformatore ingombrante. Alcuni amplificatori sono specificamente progettati per applicazioni industriali e saranno più robusti di un tipico circuito integrato op-amp.

Protezione ESD

I sistemi industriali possono operare vicino ad alta tensione, e i sistemi critici possono richiedere sicurezza ESD. Qui sono utili multipli componenti per la protezione dei circuiti, a seconda della tensione di picco e del tempo di salita a cui la scheda potrebbe essere esposta. Esempi includono semplici fusibili, relè, diodi TVS e tubi a scarica di gas.

Altri Componenti per il Design di Controllo Industriale

Ovviamente, l'elenco dei componenti necessari per le schede di controllo industriale è enorme, ma le opzioni elencate sopra sono molto probabili che compaiano nella tua prossima scheda. Altri componenti che potresti aver bisogno per il tuo prossimo design di controllo industriale includono:

Indipendentemente dai componenti di cui hai bisogno per il design di controllo industriale, puoi utilizzare le funzionalità avanzate di ricerca e filtraggio in Octopart per trovare i pezzi di cui hai bisogno. Quando utilizzi il motore di ricerca elettronica di Octopart, avrai accesso ai dati dei distributori e alle specifiche dei componenti, tutto ciò è liberamente accessibile in un'interfaccia user-friendly. Dai un'occhiata alla nostra pagina sui circuiti integrati lineari per trovare i componenti di cui hai bisogno.

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