Die Herausforderungen der Industrie 4.0 mit softwarekonfigurierbaren E/As lösen

Analog meets digital

Dieser Artikel präsentiert einen softwarekonfigurierbaren Ein-/Ausgangs-Baustein (E/A) und seine inhärente galvanisch getrennte Stromversorgung samt isolierten Datenleitungen, die dabei helfen, die Herausforderungen beim Anschluss bestehender analoger Signaltechnik an das industrielle Ethernet zu lösen. Erläutert werden die Vorteile bezüglich Kanalflexibilität, Fehlererkennung und Diagnosefähigkeiten, die dem softwarekonfigurierbaren E/A-Baustein eigen sind.
 Eine softwarekonfigurierbare E/A verbindet herkömmliche analoge Module mit dem industriellen Ethernet.
Eine softwarekonfigurierbare E/A verbindet herkömmliche analoge Module mit dem industriellen Ethernet.Bild: Analog Devices GmbH

Fortschritte beim industriellen Ethernet haben eine smarte und vernetzte Fertigung in den Fabriken ermöglicht. Feldgeräte mit herkömmlicher analoger Signaltechnik (4 bis 20mA, 0 bis 10V) müssen dabei mit dem Ethernet verbunden werden. Dies stellt spezifische Anforderungen an E/A-Module mit fester Funktion. Systementwickler müssen hierfür Module mit Mehrfachfunktion entwickeln, um damit die unterschiedlichen Sensoren und Aktoren abzudecken. Einige Kanäle in einem Modul mit fester Funktion können dann im Einsatz nicht nutzbar sein. Ein softwarekonfigurierbares E/A-Modul erlaubt hingegen die effiziente Nutzung aller Kanäle in einem E/A-System.

Eine komplexe Verkabelung kann auch zu falschen Verbindungen der Sensoren und Aktoren bei E/As mit fester Funktion führen. Das Auffinden und Beseitigen dieser falschen Verbindungen ist zeitaufwendig und erfordert eine manuelle Neuverbindung der Lasten mit den E/A-Kanälen. Ein softwarekonfigurierbares E/A-System erlaubt hingegen einen nahtlosen Übergang von der herkömmlichen analogen Signaltechnik auf das industrielle Ethernet. Softwarekonfigurierbare E/A-Bausteine können auf jedem Kanal durch Konfigurieren aus der Ferne jede Funktion realisieren (analog E/A, digital E/A, RTD), was eine Anpassung vereinfacht. Diese Flexibilität ist verbunden mit einer Diagnosemöglichkeit. Letztere ermöglicht auch die Fehlersuche aus der Entfernung.

Der softwarekonfigurierbare E/A-Baustein AD74413R von Analog Devices ist zusammen mit der isolierten Zweikanal-Micropower-Manager-Einheit (µPMU) ADP1032 ein Beispiel für eine robuste softwarekonfigurierbare E/A-Lösung. Er ist ein softwarekonfigurierbarer Vierkanal-E/A-Baustein mit automatischer Fehlererkennung und Diagnosefähigkeiten. Der ADP1032 ist auf den AD74413R maßgeschneidert und liefert die galvanisch getrennte Stromversorgung und isolierten Datenkanäle. Beide Bausteine zusammen ermöglichen ein sehr kompaktes und galvanisch isoliertes softwarekonfigurierbares E/A-System.

 Der AD74413R mit den erforderlichen externen 
Komponenten für alle Funktionen.
Der AD74413R mit den erforderlichen externen Komponenten für alle Funktionen.Bild: Analog Devices GmbH

Kanalflexibilität

Für unterschiedliche Anwendungen und E/A-Anforderungen benötigen die Systementwickler ein flexibles System, das schnell konfiguriert werden kann um es an die jeweilige Aufgabe anzupassen. Die vier Kanäle des AD74413R lassen sich in vier unterschiedlichen Ein- und Ausgangs-Modi konfigurieren und bieten eine hohe Impedanz, Spannungsein- und -ausgang, einen extern versorgten Zweileiter-Stromeingang, Stromausgang, digitale Eingangslogik, Zweileiter-Digitalausgang und RTD-Messung. Um jede Funktion auf jedem der vier Kanäle zu unterstützen ist nur ein einziger Satz an diskreten externen Komponenten nötig. Ist ein Aktor oder Sensor falsch angeschlossen, kann der Kanal mit einem einzigen SPI-Signal neu konfiguriert werden. Durch das Zusammenfassen aller wesentlichen Funktionen in einem einzigen Baustein benötigt die Hardware weniger Komponenten, was geringere Montage- und Testkosten, höhere Zuverlässigkeit und einfacheres Debugging sowie höhere Kanaldichte mit sich bringt.

 Fehlererkennung in einem softwarekonfigurierbaren E/A-Modul
Fehlererkennung in einem softwarekonfigurierbaren E/A-ModulBild: Analog Devices GmbH

Fehlererkennung und Diagnose

Um Fehler zu einzugrenzen ist der AD74413R mit einer automatischen Fehlererkennung und unterschiedlichen Diagnosemöglichkeiten ausgestattet. Der Alert-Pin kann genutzt werden, um während einer Fehlerbedingung ein Interrupt für den Mikrocontroller zu generieren. Nachfolgend kann der Anwender ein Alert-Register abfragen, um den spezifischen Grund für den Fehler zu erfahren. Anwender können auch Diagnosesignale einsetzen, um den gefundenen Fehler weiter zu analysieren. Folgenden Fehler lassen sich mit dem AD74413R erkennen: Reset, Fehler im Kalibrierspeicher, SPI-CRC-Fehler, A/D-Wandlerfehler, Stromversorgungsfehler, Temperaturfehler sowie Unterbrechung/Kurzschluss. Diese Möglichkeiten erlauben es dem Anwender sämtliche Fehler, die im System auftreten, aus der Ferne zu suchen und eventuell auch zu beheben.

Galvanisch getrennte Leitungen

Eine diskret aufgebaute galvanisch getrennte Stromversorgung für den AD74413R benötigt viele Komponenten. Separate Isolatoren werden benutzt, um die galvanische Trennung von Stromversorgung und Daten zu realisieren. Dies führt zu dem Problem, dass man wegen der hohen Komponentenanzahl eine große Leiterplattenfläche belegt. Der ADP1032 vereint in einem einzigen Gehäuse alle Funktionen zur Realisierung der galvanischen getrennten Stromversorgung und der Datenisolation mit zwei isolierten und geregelten Spannungspegeln und sieben isolierten Datenkanälen. Dies ergibt eine Reduktion der benötigten Leiterplattenfläche um einen Faktor 3, verglichen mit der diskreten Lösung zur galvanischen Trennung von Stromversorgung und Daten. Dies erlaubt es dem Anwender die Kanaldichte der Module insgesamt zu erhöhen. Die vier SPI-Signale des AD74413R nutzen die schnellen isolierten Datenkanäle des ADP1032, welche auf eine kurze Laufzeitverzögerung von 15ns optimiert sind und damit SPI-Taktraten bis zu 16,6MHz unterstützen. Die langsameren isolierten Datenkanäle werden genutzt, wenn das Timing nicht so kritisch ist.

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