Automatisierte Fabriken nutzen Sensoren und I/O-Module, um die industriellen Prozesse zu steuern. Durch ihre steigende Perfektion und ihre schrumpfende Größe ermöglichen sie die vierte industrielle Revolution, auch Industrie 4.0 genannt. Ein einzelnes Modul (Bild 1) kann bis zu 64 Kanäle haben. So können in einer typischen Fabrikationshalle mehrere Module zum Einsatz kommen. Da die Zahl der Kanäle bis in die Tausende emporschnellt und die Größe der Modulgehäuse ständig schrumpft, werden die Verlustleistung und die Wärmeentwicklung jedes Kanals erwartungsgemäß zur größten Sorge. Die üblichen Wege reichen oftmals nicht aus, um diese Leistungen zu bewältigen. Die Lösung von Maxim spart an der wichtigen Stelle zwischen Modul und der Umgebung mehr Energie ein.

Bild 1: Digitales I/O-Modul-System

Bild 1: Digitales I/O-Modul-System Maxim/11qq22 @ shutterstock

Eckdaten

Der Artikel beschreibt ein industrielles Sensorsystem, vom Sensor zum Aktor. Er hebt dabei die Architekturen der digitalen Eingangs- und digitalen Ausgangsmodule hervor und diskutiert zugleich die Bedeutung von Energieeinsparungen, besonders dort, wo die Module an industrielle Signale angeschlossen werden. Zudem geht der Artikel auf die digitalen Eingangsmodule ein und zeigt wie Maxims integrierter, strombegrenzter und geschalteter Ansatz die Verlustleistung des Moduls im Vergleich zum traditionellen diskreten Ansatz reduziert. Schließlich beschreibt er, wie ein digitales Ausgangsmodul und der Ausgangstreiber von Maxim mit dem RDSON die Verlustleistung im Vergleich zu üblichen integrierten Lösungen  reduziert.

Digitale I/O-Modul-Systeme

Bild 2: Blockdiagramm eines digitalen I/O-Moduls

Bild 2: Blockdiagramm eines digitalen I/O-Moduls Maxim

Bild 2 zeigt das Blockdiagramm eines typischen digitalen I/O-Modul-Systems. Ein zentraler Knotenpunkt (Control Center) wandelt die AC-Netzspannung in eine 24-V-DC-Spannung und versorgt so die I/O-Module. Zusammen mit der Spannungsversorgung erfolgt auch die Übertragung der entsprechenden digitalen Eingangs- (DI) und digitalen Ausgangssignale (DO).

Die Fabrikumgebung ist rau. Das liegt zum Teil an elektrischen und magnetischen Interferenzen und Überspannungen. Deshalb bedarf die empfindliche Elektronik der Steuerung besonderer Schutzmaßnahmen. Dementsprechend versorgt ein isolierter Abwärtswandler (Flyback in Bild 2) die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) jedes Moduls. Am digitalen Eingangsmodul (Digital Input Module, DIM) empfängt ein robuster digitaler Eingang die Signale, wandelt sie in Logik-Spannungen um und gibt sie über einen digitalen Isolator oder einen Optokoppler an die SPS weiter. Eine ähnliche Leistungs-, Signal- und Isolations-Kette am digitalen Ausgangsmodul (Digital Output Module, DOM) führt zum Ausgangstreiber, der mit dem externen Aktor verbunden ist. Der Eingangsumsetzer des DIMs und der Ausgangstreiber des DOMs sind die primären Stellen, an denen Leistung übertragen, verbraucht und als Wärme verloren geht. Durch die zunehmende Minimierung der Module bleibt kaum mehr Platz für Lüfter, weshalb die konventionellen, ineffizienten Lösungen versagen. Neue, effizientere Lösungen sind nötig.

DIM-Umsetzer

Bild 3: Diskreter Umsetzer

Bild 3: Diskreter Umsetzer Maxim

Ein üblicher Weg, das digitale Eingangsmodul anzuschließen, ist in Bild 3 dargestellt. Das System filtert dabei die Hochspannungsschiene (24 V), zugleich teilt es die Schiene auf R1, R2, R3 und C runter. Die Spannung wird schließlich an die Anode einer Photodiode angelegt, einem Teil des Optokopplers für den Signal- und Leistungsisolationspfad. Diese Lösung ist teuer und sperrig, da sie einen Optokoppler für jede Sensorkette benötigt. Was die Leistungsaufnahme angeht, ist das Worst-Case-Szenario, wenn eine schlecht geregelte 24-V-Spannung bis zu 30 V liefert. Angenommen, der Eingangskanal wurde für einen Schaltpunkt bei VSchalt = VIN = 9 V und ISchalt = ILIM = 2,4 mA entwickelt, berechnet sich die maximale Verlustleistung pro Kanal wie folgt (der Einfachheit halber wird die Photodiode Vbe vernachlässigt):

RIN = R1 + R2 || R3 = 9 V / 2,4mA = 3,6 kΩ

IINMAX = 30 V / 3,6 kΩ = 8,3 mA

PMAX = 30 V x 8,3 mA = 250 mW pro Kanal

Bei einer Karte mit 16 digitalen Eingängen summiert sich das auf eine enorme Verlustleistung von 4 W. Die entsprechend erzeugte Wärme kann die Temperatur in dem kleinen Modulgehäuse auf inakzeptable Werte erhöhen.

Thema auf der nächsten Seite: Energiesparlösungen am DOM.

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