Компоненты, необходимые для проектирования промышленных управляющих систем

Создано: 7 Мая, 2021
Обновлено: 1 Июля, 2024

Некоторые производственные операции получили значительные преимущества от автоматизации и робототехники, и системы промышленной автоматизации требуют систем управления и сбора данных. Если предприятие должно работать на пике эффективности, системы автоматизации и управления должны быть разработаны с учетом надежности и видимости. Эти системы требуют ряда компонентов, начиная от панельных контроллеров и заканчивая маленькими встроенными платами с набором датчиков и интегральных схем.

Если вы разрабатываете платы для систем промышленного управления, есть некоторые общие компоненты, которые вы найдете необходимыми для вашего продукта. Эти компоненты предназначены для выполнения всех основных задач по приему и передаче данных/сигналов, а также задач по обработке и генерации, необходимых как часть более крупной системы управления. Независимо от того, создаете ли вы коробочное решение или маленькую плату для системы управления и мониторинга, вот где вы можете найти необходимые компоненты.

Основные компоненты для проектирования промышленного управления

Компоненты, необходимые для проектирования промышленного управления, можно разделить на разные категории по функциональности. На высоком уровне эти системы должны генерировать и собирать сигналы в рамках более крупной системы управления, и они могут также требовать обработки данных как часть алгоритма управления. Ваша плата промышленного управления также может потребовать беспроводной связи, управления питанием периферийных устройств и работоспособности при высоких температурах. Без дальнейших задержек, вот некоторые функциональные аспекты, которые вам нужно будет учитывать при проектировании плат для промышленного управления.

Регулирование питания

Это базовое требование для любой системы промышленного применения. Плата для системы промышленного управления или мониторинга может требовать питание до 24 В, и одна плата может требовать несколько уровней для нормальной работы. Модули питания также могут требоваться для обеспечения высокого тока, особенно если они используются для запуска электромеханического или электротермального элемента. Вы можете найти ряд переключающих преобразователей или LDO, которые идеально подходят для приложений с низким потреблением. Более крупный модуль, такой как регулятор AC/DC Mean Well IRM-03-12S, предназначен для систем промышленного применения с высокой мощностью.

Регулятор питания AC/DC Mean Well IRM-03-12S и блок-схема. Источник: Техническое описание IRM-03-12A.

Идентификация платы

До того как моя компания начала получать звонки от предприятий автоматизации в поисках услуг по разработке плат, последний раз, когда я слышал, что кто-то обсуждает EEPROM, было, когда речь шла об Arduino. Если в вашей системе будет использоваться несколько ваших плат или если вы выпускаете плату как часть линейки продуктов, плате нужен уникальный идентификатор, к которому можно получить электрический доступ. Вот где на сцену выходят EEPROM, которые позволяют загружать уникальный идентификатор на плату.

Более продвинутые продукты могут использовать MCU/SoC, интегрирующие флэш-память с беспроводными возможностями и множеством входов/выходов. Эти компоненты будут иметь MAC-адрес, который служит уникальным идентификатором, так что в этом случае EEPROM не потребуется. Экспериментальные сети mesh устройств IoT для промышленного мониторинга идут по этому пути, поскольку эти интегрированные MCU/SoC снижают общее количество деталей и стоимость.

Сбор данных и генерация сигналов

Эти две обратные функции реализуются с помощью ADC (сбор) и DAC (генерация). Для промышленных приложений обычно ADC не требуют очень высокой частоты дискретизации, поскольку вы часто не работаете с очень высокими частотами. Однако для измерения и генерации сигналов вам нужно убедиться, что разрешение достаточно высоко для вашего приложения. Вам также следует проверить количество каналов, так как вам может потребоваться взаимодействие с несколькими компонентами.

Если вам нужно генерировать чистую синусоидальную или прямоугольную волну на низких или умеренных частотах, вам может подойти интегральная схема осциллятора или осциллятор собственного изготовления, в зависимости от необходимого диапазона частот. LTC1799 от Linear Technologies поставляется в маленьком корпусе и выдает от 1 кГц до 33 МГц с допуском частоты 2,5%. Этот осциллятор и многие другие поставляются в маленьком корпусе и имеют простую реализацию (см. ниже).

Осциллятор LTC1799 от 1 кГц до 33 МГц. Источник: Техническое описание LTC1799.

Вычислительная мощность

После сбора данных вам нужно что-то с ними сделать. MCU, FPGA или другой PLD предоставляют вам необходимую вычислительную мощность, а также другие полезные периферийные устройства в одном компоненте. Типичное использование собранных данных в промышленном управлении - это часть контрольного цикла. Для этого приложения не обязательно требуются огромные тактовые частоты; что-то в диапазоне МГц должно быть достаточно для большинства приложений. В зависимости от размера и сложности вашего приложения, вам может потребоваться выбрать высокую встроенную память.

Генерация токовой петли 4-20 мА

Если вы работаете со стандартом 4-20 мА, то вам понадобится драйвер для генерации токовой петли для вашей системы управления процессами. Приводы двигателей, программируемые выходные драйверы PLC, высоковольтные входы/выходы и датчики на линейной шине все используют эти контрольные петли. Аналоговый драйвер XTR305 от Texas Instruments является точным условием для драйвера токовой петли 4-20 мА или драйвера +/- 10 В, который может быть получен от DAC. Этот компонент также имеет режим приемника для приложений контрольной петли, что исключает необходимость использования канала ADC для измерения.

Блок-схема XTR305. Из технического описания XTR305.

Усилители

В зависимости от диапазонов напряжений, которые вам нужно считывать, и требуемой полосы пропускания, в вашей системе могут потребоваться различные усилители. Универсальные операционные усилители или усилители для измерительных приборов полезны для усиления сигналов низкого уровня перед их оцифровкой с помощью ЦАП или для повышения аналогового напряжения сигнала без использования громоздкого трансформатора. Некоторые усилители специально разработаны для промышленных приложений и будут более надежными, чем типичные микросхемы операционных усилителей.

Защита от ЭСР

Промышленные системы могут работать в условиях высокого напряжения, и критически важные системы могут требовать защиты от электростатических разрядов (ЭСР). Здесь полезны различные компоненты защиты схем, в зависимости от пикового напряжения и времени нарастания, которым может быть подвергнута плата. Примеры включают простые предохранители, реле, диоды TVS и газоразрядные трубки.

Другие компоненты для проектирования систем промышленного управления

Очевидно, что список компонентов, необходимых для плат промышленного управления, огромен, но вышеупомянутые варианты с большой вероятностью будут использоваться в вашей следующей плате. Другие компоненты, которые могут потребоваться вам для следующего проекта промышленного управления, включают:

Независимо от того, какие компоненты вам нужны для проектирования систем промышленного управления, вы можете использовать расширенные функции поиска и фильтрации на Octopart, чтобы найти необходимые детали. Используя поисковую систему электронных компонентов Octopart, вы получите доступ к данным дистрибьюторов и спецификациям деталей, все это доступно в удобном интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с линейными интегральными схемами, чтобы найти необходимые компоненты.

Чтобы быть в курсе наших последних статей, подпишитесь на нашу рассылку.