Các Linh Kiện Bạn Cần cho Thiết Kế Điều Khiển Công Nghiệp

Created: Tháng Năm 7, 2021
Updated: Tháng Bảy 1, 2024

Một số hoạt động sản xuất đã thấy được lợi ích lớn từ tự động hóa và robot, và các hệ thống tự động hóa công nghiệp yêu cầu hệ thống kiểm soát và thu thập dữ liệu. Nếu một cơ sở muốn hoạt động với hiệu suất cao nhất, các hệ thống tự động hóa và kiểm soát phải được thiết kế với sự đáng tin cậy và khả năng hiển thị trong tâm trí. Những hệ thống này yêu cầu một loạt các thành phần từ bộ điều khiển gắn trên bảng điều khiển đến các bảng nhúng nhỏ với sự kết hợp của cảm biến và IC.

Nếu bạn đang thiết kế bảng mạch cho hệ thống kiểm soát công nghiệp, có một số thành phần chung bạn sẽ thấy là cần thiết cho sản phẩm của mình. Những thành phần này được dùng để thực hiện tất cả các nhiệm vụ thu thập dữ liệu/tín hiệu cần thiết, cũng như các nhiệm vụ xử lý và tạo ra cần thiết là một phần của hệ thống kiểm soát lớn hơn. Dù bạn đang làm một hộp lắp ráp hay một bảng nhỏ cho hệ thống kiểm soát và giám sát, đây là nơi bạn có thể tìm thấy các thành phần bạn cần.

Thành phần cần thiết cho Thiết kế Kiểm soát Công nghiệp

Các thành phần bạn cần cho thiết kế kiểm soát công nghiệp có thể được chia thành các loại khác nhau theo chức năng. Ở mức độ cao, những hệ thống này cần tạo ra và thu thập tín hiệu trong một hệ thống kiểm soát lớn hơn, và chúng có thể cần xử lý dữ liệu như một phần của thuật toán kiểm soát. Bảng mạch kiểm soát công nghiệp của bạn cũng có thể cần giao tiếp không dây, quản lý nguồn cho các thiết bị ngoại vi, và chịu được nhiệt độ cao. Không chần chừ nữa, đây là một số khía cạnh chức năng bạn cần xem xét khi thiết kế bảng mạch cho kiểm soát công nghiệp.

Điều chỉnh Nguồn

Đây là một yêu cầu cơ bản cho bất kỳ hệ thống nào cho ứng dụng công nghiệp. Một bảng mạch cho hệ thống kiểm soát hoặc giám sát công nghiệp có thể yêu cầu nguồn lên đến 24 V, và một bảng mạch đơn có thể yêu cầu nhiều mức để hoạt động đúng cách. Các mô-đun cung cấp nguồn cũng có thể cần cung cấp dòng điện cao, đặc biệt nếu được sử dụng để chạy một yếu tố điện cơ hoặc điện nhiệt. Bạn có thể tìm thấy một loạt các bộ chuyển đổi hoặc LDO lý tưởng cho các ứng dụng công suất thấp. Một mô-đun lớn hơn như Mean Well IRM-03-12S AC/DC regulator được thiết kế cho các hệ thống công nghiệp công suất cao.

Mean Well IRM-03-12S AC/DC power regulator and block diagram. Source: IRM-03-12A datasheet.

Nhận dạng Bảng mạch

Trước khi công ty của tôi bắt đầu nhận cuộc gọi từ các cơ sở tự động hóa tìm kiếm dịch vụ thiết kế bố trí bảng mạch, lần cuối cùng tôi nghe ai đó thảo luận về EEPROMs là khi đề cập đến Arduino. Nếu nhiều bảng mạch của bạn xuất hiện trong một hệ thống lớn hơn, hoặc nếu bạn đang phát hành một bảng mạch như một phần của dòng sản phẩm, bảng mạch cần có một định danh duy nhất có thể được truy cập điện tử. Nhập EEPROMs, cho phép tải một định danh duy nhất lên bảng mạch.

Các sản phẩm tiên tiến hơn có thể sử dụng MCU/SoC tích hợp bộ nhớ Flash với khả năng không dây và nhiều I/O. Những linh kiện này sẽ có một địa chỉ MAC phục vụ như một bộ nhận dạng duy nhất, do đó không cần thiết phải sử dụng EEPROM trong trường hợp này. Các mạng lưới thử nghiệm của thiết bị IoT cho việc giám sát công nghiệp đang đi theo hướng này vì những MCU/SoC tích hợp giảm tổng số phần và chi phí.

Thu Thập Dữ Liệu và Tạo Tín Hiệu

Hai chức năng đảo ngược này được thực hiện với ADC (thu thập) và DAC (tạo tín hiệu). Đối với các ứng dụng công nghiệp, ADC thường không cần có tốc độ lấy mẫu rất cao vì bạn không thường xuyên làm việc với tần số rất cao. Tuy nhiên, để đo lường và tạo tín hiệu, bạn cần đảm bảo độ phân giải đủ cao cho ứng dụng của mình. Bạn cũng nên kiểm tra số lượng kênh vì bạn có thể cần giao tiếp với nhiều thành phần.

Nếu bạn cần tạo một sóng sin hoặc sóng vuông sạch ở tần số thấp đến trung bình, bạn có thể sẽ tốt hơn với một IC dao động hoặc một dao động tự xây dựng, tùy thuộc vào phạm vi tần số bạn cần. LTC1799 từ Linear Technologies có gói nhỏ và xuất ra từ 1 kHz đến 33 MHz với dung sai tần số 2.5%. Dao động này và nhiều dao động khác có gói nhỏ và có cách triển khai đơn giản (xem bên dưới).

Dao động LTC1799 từ 1 kHz đến 33 MHz. Nguồn: Tài liệu dữ liệu LTC1799.

Sức Mạnh Xử Lý

Sau khi bạn thu thập một số dữ liệu, bạn cần phải làm gì đó với nó. Một MCU, FPGA, hoặc PLD khác cung cấp cho bạn sức mạnh xử lý bạn cần cũng như các phụ kiện hữu ích khác trong một thành phần duy nhất. Việc sử dụng dữ liệu thu thập được trong kiểm soát công nghiệp thường là một phần của vòng lặp điều khiển. Ứng dụng này không nhất thiết yêu cầu tốc độ xung lớn; một cái gì đó trong phạm vi MHz nên đủ cho hầu hết các ứng dụng. Bạn có thể cần chọn bộ nhớ trên bo lớn, tùy thuộc vào kích thước và độ phức tạp của ứng dụng của bạn.

Tạo Vòng Lặp Dòng 4-20 mA

Nếu bạn đang làm việc với tiêu chuẩn 4-20 mA de facto, thì bạn sẽ cần một trình điều khiển để tạo một vòng lặp dòng cho hệ thống kiểm soát quy trình của bạn. Các ổ đĩa động cơ, trình điều khiển lập trình đầu ra PLC, I/O điện áp cao, và cảm biến trên một bus tuyến tính đều sử dụng những vòng lặp điều khiển này. Trình điều khiển tương tự XTR305 từ Texas Instruments là một điều kiện chính xác cho trình điều khiển vòng lặp 4-20 mA hoặc trình điều khiển +/- 10 V, có thể được cung cấp từ một DAC. Thành phần này cũng có chế độ nhận cho các ứng dụng vòng lặp điều khiển, loại bỏ nhu cầu sử dụng một kênh ADC cho việc đo lường.

Sơ đồ khối XTR305. Từ tài liệu dữ liệu XTR305.

Khuếch đại

Bạn có thể cần một loạt các khuếch đại trong hệ thống của mình, tùy thuộc vào các phạm vi điện áp bạn cần đọc và băng thông yêu cầu. Các op-amp mục đích chung hoặc khuếch đại đo lường hữu ích để khuếch đại tín hiệu mức thấp trước khi lấy mẫu bằng DAC, hoặc để tăng cường tín hiệu điện áp tương tự mà không cần biến áp cồng kềnh. Một số khuếch đại được thiết kế đặc biệt để nhắm mục tiêu các ứng dụng công nghiệp và sẽ bền bỉ hơn so với một IC op-amp thông thường.

Bảo vệ ESD

Các hệ thống công nghiệp có thể hoạt động gần điện áp cao, và các hệ thống quan trọng có thể yêu cầu an toàn ESD. Nhiều thành phần bảo vệ mạch hữu ích ở đây, tùy thuộc vào điện áp đỉnh và thời gian tăng mà bo mạch có thể phơi nhiễm. Ví dụ bao gồm cầu chì đơn giản, rơ le, diode TVS và ống phóng điện khí.

Các thành phần khác cho Thiết kế Điều khiển Công nghiệp

Rõ ràng, danh sách các thành phần cần thiết cho bảng điều khiển công nghiệp là rất lớn, nhưng các lựa chọn được liệt kê ở trên rất có khả năng xuất hiện trong bảng tiếp theo của bạn. Một số thành phần khác bạn có thể cần cho thiết kế điều khiển công nghiệp tiếp theo của mình bao gồm:

Dù bạn cần thành phần nào cho thiết kế điều khiển công nghiệp, bạn có thể sử dụng các tính năng tìm kiếm và lọc tiên tiến trên Octopart để tìm các bộ phận bạn cần. Khi bạn sử dụng công cụ tìm kiếm điện tử của Octopart, bạn sẽ có quyền truy cập vào dữ liệu nhà phân phối và thông số kỹ thuật của bộ phận, tất cả đều dễ dàng truy cập trong giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang mạch tích hợp tuyến tính của chúng tôi để tìm các thành phần bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.