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産業制御設計に必要なコンポーネント

投稿日五月 7, 2021
更新日七月 1, 2024

自動化やロボティクスから大きな利益を得ている製造業務もあり、産業用自動化システムには制御およびデータ取得システムが必要です。施設が最高の効率で稼働するためには、自動化および制御システムは信頼性と可視性を念頭に置いて設計されなければなりません。これらのシステムには、パネルに取り付けられたコントローラーから、センサーやICを混在させた小型の組み込みボードに至るまで、さまざまなコンポーネントが必要です。

産業制御システム用のボードを設計している場合、製品に不可欠な一般的なコンポーネントがいくつかあります。これらのコンポーネントは、より大きな制御システムの一部として必要とされるすべての基本的なデータ/信号取得タスク、および処理および生成タスクを実行することを目的としています。ボックスビルドを行っている場合でも、制御および監視システム用の小型ボードを作成している場合でも、必要なコンポーネントを見つけることができます。

産業制御設計に必要な主要コンポーネント

産業制御設計に必要なコンポーネントは、機能によって異なるカテゴリーに分けることができます。高いレベルで、これらのシステムはより大きな制御システム内で信号を生成および収集する必要があり、制御アルゴリズムの一部としてデータを処理する必要がある場合もあります。産業制御ボードは、無線で通信したり、周辺機器への電力を管理したり、高温に耐えることも必要かもしれません。これ以上遅延することなく、産業制御用のボードを設計する際に考慮する必要がある機能的な側面をいくつか紹介します。

電力調整

これは、産業用アプリケーションのシステムにとって基本的な要件です。産業制御または監視システム用のボードは、最大24Vの電力を必要とする場合があり、単一のボードでは複数のレベルが適切に機能するために必要になる場合があります。電源モジュールは、電気機械要素や電熱要素を動かすために、特に高電流を供給する必要がある場合もあります。低電力アプリケーションに理想的なスイッチングコンバーターやLDOの範囲を見つけることができます。より大きなモジュールであるMean Well IRM-03-12S AC/DCレギュレーターは、高電力産業システム用に設計されています。

Mean Well IRM-03-12S AC/DC電力レギュレーターおよびブロック図。出典: IRM-03-12Aデータシート.

ボード識別

自動化施設からボードレイアウトサービスを求める電話がかかってくる前に、私がEEPROMについて誰かが話しているのを聞いた最後の時は、Arduinoを参照していました。複数のボードがより大きなシステムに現れる場合、または製品ラインの一部としてボードをリリースする場合、ボードは電気的にアクセスできるユニークな識別子が必要です。EEPROMが登場し、ボードにユニークな識別子をロードすることを可能にします。

より高度な製品では、フラッシュメモリと無線機能、複数のI/Oを統合したMCU/SoCを使用することがあります。これらのコンポーネントには、一意の識別子として機能するMACアドレスがありますので、この場合EEPROMは必要ありません。産業監視のためのIoTデバイスの実験的なメッシュネットワークは、これらの統合されたMCU/SoCによって総部品数とコストを削減しています。

データ取得と信号生成

これら2つの逆関数は、ADC（取得）とDAC（生成）で実装されます。産業用途では、ADCは非常に高いサンプルレートを必要とすることはほとんどありません。なぜなら、非常に高い周波数を扱うことはあまりないからです。しかし、測定と信号生成には、アプリケーションに十分な解像度が必要です。また、複数のコンポーネントとのインターフェースが必要な場合は、チャネル数も確認する必要があります。

低から中程度の周波数でクリーンな正弦波や方形波を生成する必要がある場合、必要な周波数範囲に応じて、オシレータICやカスタムビルドのオシレータが適しているかもしれません。Linear TechnologiesのLTC1799は小型のパッケージで、1 kHzから33 MHzまでの出力が可能で、周波数許容誤差は2.5%です。このオシレータを含む多くのオシレータは小型のパッケージで提供され、実装が簡単です（下記参照）。

LTC1799 1 kHzから33 MHzのオシレータ。出典: LTC1799データシート。

処理能力

データを収集したら、それを何かに使う必要があります。MCU、FPGA、または他のPLDは、必要な処理能力と他の便利な周辺機器を単一のコンポーネントで提供します。産業制御で収集されたデータの典型的な使用例は、制御ループの一部としてです。このアプリケーションには必ずしも非常に高いクロックレートは必要なく、ほとんどのアプリケーションにはMHz範囲で十分です。アプリケーションのサイズや複雑さに応じて、高いオンボードメモリが必要になるかもしれません。

4-20 mA電流ループ生成

事実上の4-20 mA標準を使用している場合、プロセス制御システムのための電流ループを生成するドライバが必要になります。モータードライブ、PLC出力プログラマブルドライバ、高電圧I/O、線形バス上のセンサーは、これらの制御ループを使用します。Texas InstrumentsのXTR305アナログドライバは、4-20 mAループドライバまたは+/- 10 Vドライバのための精密コンディショナーで、DACから供給される可能性があります。このコンポーネントには、制御ループアプリケーション用の受信モードもあり、測定のためにADCチャネルを使用する必要がなくなります。

XTR305ブロック図。 XTR305データシートより。

アンプ

システムに必要なアンプの範囲は、読み取る必要がある電圧範囲と必要な帯域幅によって異なります。一般的なオペアンプや計測用アンプは、DACでサンプリングする前に低レベル信号を増幅するため、またはかさばるトランスフォーマーなしでアナログ電圧信号を増幅するために役立ちます。一部のアンプは、産業用途を対象として特別に設計されており、一般的なオペアンプICよりも頑丈です。

ESD保護

産業システムは高電圧の近くで動作する可能性があり、重要なシステムではESD安全が必要になる場合があります。ここでは、基板がさらされる可能性のあるピーク電圧と立ち上がり時間に応じて、複数の回路保護コンポーネントが役立ちます。例には、単純なヒューズ、リレー、TVSダイオード、ガス放電管などがあります。

産業制御設計のためのその他のコンポーネント

明らかに、産業制御ボードに必要なコンポーネントのリストは膨大ですが、上記にリストされたオプションは次のボードに登場する可能性が非常に高いです。次の産業制御設計に必要な他のコンポーネントには、次のものが含まれます：

産業制御設計に必要なコンポーネントは何であれ、Octopartの高度な検索およびフィルタリング機能を使用して必要な部品を見つけることができます。Octopartの電子部品検索エンジンを使用すると、ディストリビューターのデータや部品仕様にアクセスでき、すべてがユーザーフレンドリーなインターフェースで自由に利用可能です。当社の線形集積回路ページをご覧ください。

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