PLC-Entwicklungsplattform für flotte dezentrale Steuerung

Die PLC-Entwicklungsplattform Pocket IO von Maxim sorgt für sehr hohe Produktivität in Industrie-4.0-Anwendungen. Maxim Integrated

Funktionsabschnitte von Pocket IO: Dank des intelligenten Energiemanagements und der geringen Größe, lässt sich die SPS-Entwicklerplattform unmittelbar an der Fertigungslinie platzieren. Maxim Integrated

Den Fabrikbetrieb will Maxim Integrated mit der SPS-Entwicklungsplattform Pocket IO neu definieren und den Weg zu Industrie-4.0-Anwendungen weiter ebnen. Um die Produktivität zu maximieren, ermöglicht die Plattform nun Echtzeitinformationen für eine schnelle und effektive Entscheidungsfindung, vermeidet mit adaptiver Fertigung potenzielle Anlagenstillstände und sorgt mit einer dezentralen Steuerung für Redundanz. Zudem ist die Plattform auf kurzfristige Änderungen und Anpassungen ausgerichtet, um potenzielle Stillstände in der Fertigung zu vermeiden.

Durch die geringe Baugröße von weniger als 164 cm³ und das intelligente Energiemanagement lässt sich die SPS unmittelbar an der Fertigungslinie platzieren, was die intelligente Steuerung erneut dezentralisiert und Redundanz schafft.

Doch um diese Vorzüge bewerkstelligen zu können, sind clevere Design-Lösungen gefragt: Die zunehmende I/O-Dichte und kleinere Abmessungen verschärfen die Design-Herausforderungen zunehmend. Sensordaten werden analysiert, um die Produktion zu optimieren, Ausfälle vorherzusagen, Instandhaltungsmaßnahmen zu planen und Lagerbestände automatisch aufzufüllen. Hieraus resultieren erhebliche Herausforderungen für die Entwickler speicherprogrammierbarer Steuerungen (SPS), die immer mehr Funktionalität in immer kleineren Gehäusen unterbringen müssen.

Zunehmende I/O-Dichte und kleinere Abmessungen verschärfen die Design-Herausforderungen noch auf andere Weise, denn die Systeme müssen auch energieeffizienter werden, damit ein Überhitzen der SPS verhindert wird – speziell in Anwendungen, in denen Ventilatoren und Lüftungsöffnungen in der Regel unerwünscht sind.

Antworten auf die Herausforderung

Durch die Kombination mehrerer diskreter Funktionen in einem einzigen IC werden Designern signifikante Vorteile in Bezug auf Platzbedarf, Stromaufnahme und Kosten geboten. Die richtungsweisende Pocket IO genannte PLC-Entwicklungsplattform von Maxim Integrated (Bild 1) bietet durch extrem hohe Analog-Integration weniger Wärmeentwicklung und mehr Durchsatz als je zuvor – und dies in einem extrem knappen Volumen von gut 160 cm³.

Pocket IO ist mit einer kompletten analogen Eingangs-Signalkette ausgestattet, bestehend aus einem mehrkanaligen 24-Bit Sigma-Delta-ADC, einem hochgenauen 36-V-Operationsverstärker mit geringer Leistungsaufnahme und einer äußerst präzisen Spannungsreferenz. Die analoge Ausgangs-Signalkette besteht aus einem stromsparenden 16-Bit Rail-to-Rail-DAC mit gepuffertem Ausgang und SPI-Interface sowie einem präzisen, rauscharmen 36-V-Breitbandverstärker.

Die Plattform enthält einen mehrkanaligen Serializer (Bild 2) für die Pegelumsetzung sowie für die Aufbereitung und Serialisierung der von den Sensoren und Schaltern kommenden digitalen 24-V-Ausgangssignale in die CMOS-kompatiblen 5-V-Pegel, die von den Mikrocontrollern im System benötigt werden. Dadurch sind dichter bestückte I/O-Boards möglich, während eine Isolation nur für drei Kanäle erforderlich ist. Überdies können SPI-Ports durch Daisy-Chaining mehrerer Serializer dieselben drei Kanäle nutzen.

Beachtliche Leistungsmerkmale der PLC-Entwicklungsplattform

In den digitalen Ausgangstreibern werden weitere Einsparungen an Platz und Verlustleistung erzielt, indem ein achtkanaliger, schneller High-Side-Schalter und Push-Pull-Treiber zum Einsatz kommt (Bild 3). Durch den sehr niedrigen Durchlasswiderstand RON reduziert sich die Wärmeentwicklung. Zudem sorgt Maxims Safe-De-Mag-Technologie für ein sicheres Entladen induktiver Lasten. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich hohe Schaltfrequenzen von bis zu 200 kHz erreichen lassen. Ein CMOS-Digitalisolator (Bild 4) isoliert die Eingangskanäle, sodass keine ineffizienten Optokoppler benötigt werden. Mit Blick auf Anwendungen mit einem hohen Aufkommen an elektrischen Störungen konzipiert, ermöglicht der Digitalisolator einen direkten Anschluss an ASICs und Mikrocontroller mit niedrigen Versorgungsspannungen von 1,8 V bis hin zu 5,5 V.

Vier IO-Link-Ports ermöglichen die bidirektionale Kommunikation mit intelligenten Sensoren über den IO-Link Master-Transceiver (Bild 5). Dadurch, dass eine Skalierbarkeit auf bis zu 16 Master-Einheiten an einem Bus gegeben ist, reduziert sich der Bauteileaufwand. Durch Prüfung der Polarität der C/Q-Datenleitung erleichtern die Ports zudem die Verarbeitung durch den Host-Controller. Im Bedarfsfall ist auch eine Invertierung möglich.

Kompakt mit intelligenten Energiemanagement

Erfreulich ist dabei auch, dass sich durch die zwei integrierten LDOs die Leiterplattenfläche reduziert. Überdies verringert das ohne Ladungspumpe auskommende Design die Komplexität und den Platzbedarf der Lösung. Denn der integrierte DC-Motortreiber (Bild 6) vermag die bürstenbehafteten Gleichstrommotoren und Relais mit Spannungen zwischen 4,5 V und 36 V anzusteuern. Der geringe Einschaltwiderstand des Treibers sorgt für eine niedrige Verlustleistung. Für eine robuste RS-485-Kommunikation sorgt der für zwei Spannungen (3,3 V und 5 V) ausgelegte, schnelle RS-485/RS-422-Transceiver mit ESD-Schutz bis ±35 kV (Bild 7). Schließlich erfolgt die Verbindung mit externen Komponenten und Systemen per USB oder über das Wi-Fi-Netzwerk des Pocket IO. Mittels der einfach anzuwendenden und quelloffenen Arduino-Software IDE lässt sich auch eine Software für den Betrieb auf Intels Edison genannten Ein-Chip-Systeme entwickeln.

Der DC-DC-Wandler des Pocket IO bietet zusätzliches Potenzial, den Stromverbrauch und den Platzbedarf zu reduzieren. Der für hohe Spannungen geeignete, hocheffiziente Iso-Buck-Gleichspannungswandler stellt eine isolierte Leistung von bis zu 3 W zur Verfügung. Der Wandler ist für Eingangsspannungen zwischen 4,5 V und 42 V geeignet und regelt die Ausgangsspannung durch Rückkopplung an die Primärseite. Integrierte Mosfets mit niedrigem Einschaltwiderstand bürgen für einen hohen Wirkungsgrad bei Volllast und vereinfachten das Leiterplatten-Layout. Der für hohe Spannungen geeignete und hocheffiziente synchrone Abwärts-Gleichspannungswandler mit integrierten Mosfets (Bild 8) ist für Eingangsspannungen von 4,5 V bis 60 V ausgelegt.

(mrc)