数字化工厂
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改善数字化工厂的出与入
作者：Robert Gee 执行业务经理 Maxim Integrated
摘要
有史以来，在自动化工业控制领域，数字输入和输出模块的设计一直采用分立方 案。随着工厂运转的革命性进程—工业4.0时代的到来，不仅要求云控制，也要 求更快的吞吐率，最大程度地提高效率和利润。内置更多诊断功能以维持更长的运 行时间，这些功能将全部集成在小封装内，并且功耗更低，的确是项艰巨任务。 漫漫长征路的第一步：设计者首先要充分了解市场上可用的集成器件，DI和DO模 块，以充分利用它们的性能潜力。
Digital Output: Boosting Performance and 数字输出：提升性能、扩大选择范围 Broadening Options
至于数字输出模块，可能会有类似的思路，从而没 As for the digital output module, a similar line of thinking 有 意 识expected 到可用的 集成器 件选项。 分 立integrated 式DO板设计 can be barring awareness of the 很 常 见 ， 但 设 计 方 法 各 异 ： 并 行 驱 动 器 直are 接连接 options available. Discrete designs for DO cards 至 本 地 微 控 制 器 ， 或 解 串 器 连 接 至 每 个 或 多通道 common, and there are a variety of design approaches; FET驱动器。最终形式类似于图4所示。实际FET可 a parallel drive directly from the local micro, or a 集 成到驱动 器内，或 采 用外部元 。两种情况各 deserializer connected to individual or件 multichannel 有优势：集成FET节省空间，外部FET设计灵活，可覆 FET drivers. The result may look similar to Figure 4. 盖更宽范围，具体取决于阻断电压和电流能力。 The actual FETs could be integrated into the driver, or external. There are advantages to both scenarios; integrated FETs save space, and external FETs provide flexibility in terms of the wide range of performance based on blocking voltage and current capabilities.
工业4.0依然顺应了一句 老话： 更快、 更便宜、 更 小、 更少发热。
2
FIELD 24V
CURRENT LIMIT ISOLATOR SERIALIZER μC
图1：可能的分立式数字输入设计
庆幸的是，当前的集成方案能够支持上述功能。例如，MAX31910-MAX31915系列为八通道数字输入串行器/ 转换器，采用5位CRC，包括已经申请专利的超低功耗模式。作为试验，将一片Maxim器件以及一片竞争器件 安装在插座上，模拟中央散热板未焊接到电路板接地区域(因此PCB对散热效果无影响)时的最差条件情形，全 部8路输入连接至24V，限流值设置为2.4mA。如下图所示，差异非常明显：竞争产品A从25°C室温开始升高了 +41°C，而Maxim器件则只升高了+23°C，如图2所示。
BINARY SENSORS/SWITCHES DIGITAL INPUT DIGITAL ISOLATOR DIGITAL INPUT
μC
ISO
DRIVER
FET
μC
ISO
DRIVER
FET 8x
Figure 4: Digital Output Discrete Design
μC
Figure 3: Digital Input Design with Integrated DI Serializer 图3：采用集成DI串行器的数字输入设计
Many of the FET drivers in the market have UVLO 8x to make sure voltage levels are sufficient before 图4：分立式数字输出设计 proper operation. Some also have a temperature shutdown mode in case there’s either an abnormal 市场上的许多FET驱动器具有UVLO，以确保维持足够 rise in temperature or possibly a short or high current 电压，然后再进行正常工作。有些驱动器也具有温度 occurrence. This feature is helpful in preventing damage 关断模式，在温度异常升高或发生短路，或大电流下 to the die/part itself, and alerts the system of such 进行关断。该功能对于防止管芯/器件本身损坏以及向 a condition. 系统报告此类情况非常有用。 Moreover, DO designers want to make sure the driver 此外，DO设计者希望确保DO模块内的驱动器能够支持 in the DO module is capable of handling all kinds of 所有类型的负载：占主导地位的电感和电阻负载，以 loads; predominately inductive and resistive loads, and 及少数电容负载。对于电阻负载，工厂车间的许多旧 a few capacitive loads as well. For resistive loads, many 系统仍然采用白炽灯作为指示，而非LED。在灯泡未 legacy systems on factory floors still use filament lamps 点亮期间以及灯丝温度较低时，灯丝电阻为20欧姆 for indication instead of LEDs. This kind of lamp is one 左右，所以这类指示灯是最难驱动的负载之一。初始 of the most difficult to drive because when the lamp 导通需要大电流，范围为几个安培，会造成驱动器触 hasn’t been driven in a while and the filament is cool, 发过流故障。灯丝预热并稳定后，电阻升高至几百欧 the filament resistance is around 20 or so ohms. Initial 姆，所需的电流为数十毫安范围，负载较轻。对于电 turn-on will demand high current, in the several amps 阻负载驱动器，要牢记这点。 range, which could cause the driver to trip because of a short circuit. After the filament heats up and settles, 对于电感负载，通常有工厂车间的电机、螺线管及机电 the resistance goes up to a few hundred ohms, and the 继电器。当电磁场消失时，会发生电感反冲(浪涌)；负 current required is in the tens of milliamps range, less 载上会产生方向(极性)相反的电压尖峰，以维持电流。这 taxing for the outputs. Drivers for resistive loads need to 种快而大的电势也会应用至FET或晶体管，导致电子 keep this in mind. 穿过半导体结，造成不可修复的损坏，或者至少缩短 For inductive loads, there are typically motors, solenoids, and electromechanical relays on the factory floor. Inductive kickback (surge) occurs when an electrically generated field collapses. A voltage spike occurs over the load in the opposite direction (polarity) to maintain the current flow. This fast and large voltage potential is
Maxim器件
竞争器件A
图2：Maxim器件与竞争器件A的热图像
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CRC’s error detection methodology ensures reliable communication in noisy industrial environments, and is more robust than other DI serializers with parity error detection. By incorporating the latest advancements CRC的检错方法确保多噪工业环境下的可靠通信，比 in integrated digital input serializer/translators, 其他带有奇偶校验的DI串行器更可靠。通过采用集成 manufacturers can reduce solution size by 50% and 数字输入串行器/转换器的最新成果，相比于分立式设 power/heat dissipation by up to 80%, compared to 计，制造商可将方案尺寸减小50%，功耗/散热降低 discrete designs. The result might look something like 80%。最终形式类似于图3所示。 Figure 3.
更小、功能更多的PLC，例如较低延迟和散热，市场 上其他厂家就会跟进。 最常见的工业控制卡为数字输入(DI)模块。该模块采集 工业二进制传感器或开关信号(分布在工厂车间)，监 测液位、一对物体的接近程度等参数。将0V输入信 号定义为 “关断” ；将超过预定义门限的24V信号定义 为 “接通” 。工作原理听起来很简单：接收两个不同的 电压，将其转换为较低的逻辑电平，然后将其传输至 微控制器或中央处理单元，以便制定决策以及采取动作。 遗憾的是，事情并没有想象的那么简单。如果设计者 不熟悉市场上的集成器件，可能会采用分立方案，从 而设计一个简单的电阻分压器。此类分压器需要支持 工厂车间并不稳定的24V电源，电源摆幅范围可能从 不足20V至30V以上。设计者还需要时刻牢记按照IEC 61131-2标准分类的1、2和3类数字输入。例如，如果 电源电压为32V，假如您使用的电阻为3kΩ，那么根据 欧姆定律，电流将为10.7mA。这听起来好像不是很 高，但对于一块16路数字输入的板卡，加起来的总功 率可能飙升至5.5W，还不算其它元件功耗。增加一个 限流器是个不错的主意，但利用分立式元件实现不是 性价比最高的途径，并且需要额外的电路板空间。 每条线路也需要隔离，无论是每条线路采用单通道光 耦合还是采用多通道隔离器。为将隔离线路的数量降 至最少，可使用一个串行器；但由于串行器主要是为 吉比特以太网设备设计的，对于DI模块来说非常昂贵 且大材小用，所以也很难找到。即便找到这些必要元 件，最终结果将类似于图1所示。
工业4.0不仅要求云控 制，而且要求更快的吞 吐率，最大程度地提高 效率和利润。
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百度文库
在数字化时代，对最新器件的性能期望越来越高。我 们经常听到晶圆工艺结构变得越来越小：现在普遍为 纳米数量级，数年之前曾经是一块面包大小的产品现 在只有一幅扑克牌那么大。在许多市场领域，这种半 导体驱动趋势非常明显，尽管对工厂自动化的直接影 响并不显著，但非常重要。 工业4.0这个词发源于欧洲，但现在已经风靡全球，并 且已经成为表示生产和制造领 域新革命的官方名称，其特点 是分布式智能化控制系统。除 互联网连接和控制外，工业控 制器正在应用最新的半导体 技术和设计方法。并且，在这 次大革命中，依然顺应一句老 话：更快、更便宜、更小、发 热更低。 可编程逻辑控制器(PLC)是 工厂车间用来保证高效、高 吞吐率及利润最大化的主要设备。当今的PLC遍布整 个工厂车间，靠近关键的过程控制。数字及模拟输 入、输出帮助完成每个PLC必要的输入和输出信息：本 文重点讨论类PLC设备的数字I/O。 以往，数字输入和输出模块均采用分立元件设计。实 际上，通常做法是将某处的电路模块稍微修改，将当前 的相同设计应用到下一代。设计经过客户验证以及现 场长时间使用后，往往很难再做大的修改。但是，一 旦某家大的OEM厂商，甚至是小规模制造商发布尺寸
作者：Robert Gee 执行业务经理 Maxim Integrated
摘要
有史以来，在自动化工业控制领域，数字输入和输出模块的设计一直采用分立方 案。随着工厂运转的革命性进程—工业4.0时代的到来，不仅要求云控制，也要 求更快的吞吐率，最大程度地提高效率和利润。内置更多诊断功能以维持更长的运 行时间，这些功能将全部集成在小封装内，并且功耗更低，的确是项艰巨任务。 漫漫长征路的第一步：设计者首先要充分了解市场上可用的集成器件，DI和DO模 块，以充分利用它们的性能潜力。
Digital Output: Boosting Performance and 数字输出：提升性能、扩大选择范围 Broadening Options
至于数字输出模块，可能会有类似的思路，从而没 As for the digital output module, a similar line of thinking 有 意 识expected 到可用的 集成器 件选项。 分 立integrated 式DO板设计 can be barring awareness of the 很 常 见 ， 但 设 计 方 法 各 异 ： 并 行 驱 动 器 直are 接连接 options available. Discrete designs for DO cards 至 本 地 微 控 制 器 ， 或 解 串 器 连 接 至 每 个 或 多通道 common, and there are a variety of design approaches; FET驱动器。最终形式类似于图4所示。实际FET可 a parallel drive directly from the local micro, or a 集 成到驱动 器内，或 采 用外部元 。两种情况各 deserializer connected to individual or件 multichannel 有优势：集成FET节省空间，外部FET设计灵活，可覆 FET drivers. The result may look similar to Figure 4. 盖更宽范围，具体取决于阻断电压和电流能力。 The actual FETs could be integrated into the driver, or external. There are advantages to both scenarios; integrated FETs save space, and external FETs provide flexibility in terms of the wide range of performance based on blocking voltage and current capabilities.
工业4.0依然顺应了一句 老话： 更快、 更便宜、 更 小、 更少发热。
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FIELD 24V
CURRENT LIMIT ISOLATOR SERIALIZER μC
图1：可能的分立式数字输入设计
庆幸的是，当前的集成方案能够支持上述功能。例如，MAX31910-MAX31915系列为八通道数字输入串行器/ 转换器，采用5位CRC，包括已经申请专利的超低功耗模式。作为试验，将一片Maxim器件以及一片竞争器件 安装在插座上，模拟中央散热板未焊接到电路板接地区域(因此PCB对散热效果无影响)时的最差条件情形，全 部8路输入连接至24V，限流值设置为2.4mA。如下图所示，差异非常明显：竞争产品A从25°C室温开始升高了 +41°C，而Maxim器件则只升高了+23°C，如图2所示。
BINARY SENSORS/SWITCHES DIGITAL INPUT DIGITAL ISOLATOR DIGITAL INPUT
μC
ISO
DRIVER
FET
μC
ISO
DRIVER
FET 8x
Figure 4: Digital Output Discrete Design
μC
Figure 3: Digital Input Design with Integrated DI Serializer 图3：采用集成DI串行器的数字输入设计
Many of the FET drivers in the market have UVLO 8x to make sure voltage levels are sufficient before 图4：分立式数字输出设计 proper operation. Some also have a temperature shutdown mode in case there’s either an abnormal 市场上的许多FET驱动器具有UVLO，以确保维持足够 rise in temperature or possibly a short or high current 电压，然后再进行正常工作。有些驱动器也具有温度 occurrence. This feature is helpful in preventing damage 关断模式，在温度异常升高或发生短路，或大电流下 to the die/part itself, and alerts the system of such 进行关断。该功能对于防止管芯/器件本身损坏以及向 a condition. 系统报告此类情况非常有用。 Moreover, DO designers want to make sure the driver 此外，DO设计者希望确保DO模块内的驱动器能够支持 in the DO module is capable of handling all kinds of 所有类型的负载：占主导地位的电感和电阻负载，以 loads; predominately inductive and resistive loads, and 及少数电容负载。对于电阻负载，工厂车间的许多旧 a few capacitive loads as well. For resistive loads, many 系统仍然采用白炽灯作为指示，而非LED。在灯泡未 legacy systems on factory floors still use filament lamps 点亮期间以及灯丝温度较低时，灯丝电阻为20欧姆 for indication instead of LEDs. This kind of lamp is one 左右，所以这类指示灯是最难驱动的负载之一。初始 of the most difficult to drive because when the lamp 导通需要大电流，范围为几个安培，会造成驱动器触 hasn’t been driven in a while and the filament is cool, 发过流故障。灯丝预热并稳定后，电阻升高至几百欧 the filament resistance is around 20 or so ohms. Initial 姆，所需的电流为数十毫安范围，负载较轻。对于电 turn-on will demand high current, in the several amps 阻负载驱动器，要牢记这点。 range, which could cause the driver to trip because of a short circuit. After the filament heats up and settles, 对于电感负载，通常有工厂车间的电机、螺线管及机电 the resistance goes up to a few hundred ohms, and the 继电器。当电磁场消失时，会发生电感反冲(浪涌)；负 current required is in the tens of milliamps range, less 载上会产生方向(极性)相反的电压尖峰，以维持电流。这 taxing for the outputs. Drivers for resistive loads need to 种快而大的电势也会应用至FET或晶体管，导致电子 keep this in mind. 穿过半导体结，造成不可修复的损坏，或者至少缩短 For inductive loads, there are typically motors, solenoids, and electromechanical relays on the factory floor. Inductive kickback (surge) occurs when an electrically generated field collapses. A voltage spike occurs over the load in the opposite direction (polarity) to maintain the current flow. This fast and large voltage potential is
Maxim器件
竞争器件A
图2：Maxim器件与竞争器件A的热图像
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CRC’s error detection methodology ensures reliable communication in noisy industrial environments, and is more robust than other DI serializers with parity error detection. By incorporating the latest advancements CRC的检错方法确保多噪工业环境下的可靠通信，比 in integrated digital input serializer/translators, 其他带有奇偶校验的DI串行器更可靠。通过采用集成 manufacturers can reduce solution size by 50% and 数字输入串行器/转换器的最新成果，相比于分立式设 power/heat dissipation by up to 80%, compared to 计，制造商可将方案尺寸减小50%，功耗/散热降低 discrete designs. The result might look something like 80%。最终形式类似于图3所示。 Figure 3.
更小、功能更多的PLC，例如较低延迟和散热，市场 上其他厂家就会跟进。 最常见的工业控制卡为数字输入(DI)模块。该模块采集 工业二进制传感器或开关信号(分布在工厂车间)，监 测液位、一对物体的接近程度等参数。将0V输入信 号定义为 “关断” ；将超过预定义门限的24V信号定义 为 “接通” 。工作原理听起来很简单：接收两个不同的 电压，将其转换为较低的逻辑电平，然后将其传输至 微控制器或中央处理单元，以便制定决策以及采取动作。 遗憾的是，事情并没有想象的那么简单。如果设计者 不熟悉市场上的集成器件，可能会采用分立方案，从 而设计一个简单的电阻分压器。此类分压器需要支持 工厂车间并不稳定的24V电源，电源摆幅范围可能从 不足20V至30V以上。设计者还需要时刻牢记按照IEC 61131-2标准分类的1、2和3类数字输入。例如，如果 电源电压为32V，假如您使用的电阻为3kΩ，那么根据 欧姆定律，电流将为10.7mA。这听起来好像不是很 高，但对于一块16路数字输入的板卡，加起来的总功 率可能飙升至5.5W，还不算其它元件功耗。增加一个 限流器是个不错的主意，但利用分立式元件实现不是 性价比最高的途径，并且需要额外的电路板空间。 每条线路也需要隔离，无论是每条线路采用单通道光 耦合还是采用多通道隔离器。为将隔离线路的数量降 至最少，可使用一个串行器；但由于串行器主要是为 吉比特以太网设备设计的，对于DI模块来说非常昂贵 且大材小用，所以也很难找到。即便找到这些必要元 件，最终结果将类似于图1所示。
工业4.0不仅要求云控 制，而且要求更快的吞 吐率，最大程度地提高 效率和利润。
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百度文库
在数字化时代，对最新器件的性能期望越来越高。我 们经常听到晶圆工艺结构变得越来越小：现在普遍为 纳米数量级，数年之前曾经是一块面包大小的产品现 在只有一幅扑克牌那么大。在许多市场领域，这种半 导体驱动趋势非常明显，尽管对工厂自动化的直接影 响并不显著，但非常重要。 工业4.0这个词发源于欧洲，但现在已经风靡全球，并 且已经成为表示生产和制造领 域新革命的官方名称，其特点 是分布式智能化控制系统。除 互联网连接和控制外，工业控 制器正在应用最新的半导体 技术和设计方法。并且，在这 次大革命中，依然顺应一句老 话：更快、更便宜、更小、发 热更低。 可编程逻辑控制器(PLC)是 工厂车间用来保证高效、高 吞吐率及利润最大化的主要设备。当今的PLC遍布整 个工厂车间，靠近关键的过程控制。数字及模拟输 入、输出帮助完成每个PLC必要的输入和输出信息：本 文重点讨论类PLC设备的数字I/O。 以往，数字输入和输出模块均采用分立元件设计。实 际上，通常做法是将某处的电路模块稍微修改，将当前 的相同设计应用到下一代。设计经过客户验证以及现 场长时间使用后，往往很难再做大的修改。但是，一 旦某家大的OEM厂商，甚至是小规模制造商发布尺寸