№11 / 2016 Статья 2 ПЛК в кармане: миниатюрная платформа POCKET IO PLC для Industry 4.0

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Чтобы помочь разработчикам при cоздании промышленных контроллеров, производители электронных компонентов предлагают различные референсные схемы. В компании Maxim Integrated пошли дальше и выпустили платформу Pocket IO™ – референсный программируемый логический контроллер (ПЛК), позволяющий реализовывать самые разнообразные каналы и протоколы: цифровые и аналоговые входы-выходы, шины RS-485, каналы IO-LINK, каналы управления электродвигателями, энкодеры и так далее.

Программируемые логические контроллеры, или ПЛК (Programmable Logic Controller, PLC) – основа современной автоматики. Они позволяют перенести процесс создания систем числового программного управления (ЧПУ) и промышленной автоматики на качественно новый уровень.

Уже в 70-е годы разработчики стали использовать модульные архитектуры для построения систем ЧПУ. Однако их внедрение все равно оказывалось настолько сложной задачей, что для ее решения необходимо было привлекать множество инженеров: схемотехников, электриков, программистов, конструкторов и прочих. В таких условиях создание ЧПУ оставалось уделом крупных компаний и заводов. Однако с появлением ПЛК все поменялось.

В настоящее время на рынке доступно огромное количество различных ПЛК и модулей расширения, из которых можно создавать системы числового программного управления даже при небольшом штате разработчиков. Это стало возможным благодаря тому, что аппаратная сторона реализации ПЛК и модулей, а также большая часть программной составляющей оказываются скрытыми от разработчиков конечного продукта. Все перечисленное привело к росту числа различных ЧПУ на рынке: от совсем простых 2D+ до сверхсложных 5D-систем.

Однако важно понимать, что сложность создания самих ПЛК не только не уменьшилась, а многократно возросла. Если раньше процессор ЧПУ представлял собой гигантскую плату, которая устанавливалась в промышленную стойку, то современный ПЛК имеет гораздо более компактные размеры. При этом он способен не только производить вычисления, но и содержит множество интерфейсов (CAN, RS-485, EtherCAT и других), включает различные цифровые и дискретные каналы, а иногда и сам способен управлять электродвигателями.

Очевидно, что разработка ПЛК своими силами – это долгая и кропотливая работа, требующая хорошо подготовленной и опытной команды инженеров. Многие компании-производители электроники идут навстречу своим пользователям, чтобы облегчить их труд в данной сфере. Они выпускают различные отладочные наборы и референсные платы. Компания Maxim Integrated пошла еще дальше и предлагает Pocket IO™ (рисунок 1) – готовую платформу с открытой схемной реализацией и готовыми программными решениями. Информация об этой платформе доступна по коду MAXREFDES150# на сайте www.maximintegrated.com.

Рис. 1. Внешний вид Pocket IO™ от Maxim Integrated

Рис. 1. Внешний вид Pocket IO™ от Maxim Integrated

Pocket IO (MAXREFDES150#) – платформа с открытой принципиальной схемой, в которой реализуется 33 информационных канала:

  • 2 дифференциальных аналоговых входа с диапазоном напряжений ±12 В и разрешением 24 бита;
  • 2 аналоговых токовых входа ±24 мА и разрешением 24 бита;
  • 1 аналоговый дифференциальный выход ±12 В с разрешением 16 бит;
  • 8 цифровых входов с максимальным напряжением до 32 В, которые могут конфигурироваться в соответствии с типами 1, 2, и 3 по IEC 61131-2 (отечественная редакция ГОСТ IEC 61131-2-2012. Контроллеры программируемые. Часть 2. Требования к оборудованию и испытания);
  • 8 дискретных выходов с нагрузочным током до 640 мА;
  • 2 полудуплексных канала RS-485 с рабочей частотой передачи данных до 42 Мбит/с;
  • 3 канала управления электродвигателями постоянного тока с напряжением 9…32 В и токовой нагрузкой до 2,5 А;
  • 4 канала IO-Link;
  • 3 канала для обработки сигналов энкодеров (RS422, HTL, TTL и другие).

Данная система может использоваться не только как готовый ПЛК, но и как источник эталонных схем и топологий. В целом Pocket IO демонстрирует достоинства различных продуктов производства Maxim.

Pocket IO взаимодействует с ПК по USB или посредством сети Wi-Fi. Разработка программного обеспечения производится с помощью Arduino® IDE.

В статье основное внимание уделяется аппаратной реализации MAXREFDES150# и особенностям работы с соответствующим отладочным набором, а также приводится обзор ПО для этой платформы.

Платформа Pocket IO: функциональная схема и состав

Платформа Pocket IO представляет собой стек из трех печатных плат. Весь набор имеет в системе именований компании Maxim наименование MAXREFDES150#, при этом у каждой платы имеется собственное наименование:

  • MAXREFDES150MAIN# – основная системная плата, на которой располагается большая часть микросхем;
  • MAXREFDES150LED# – блок светодиодов;
  • MAXREFDES150ATACH# – интерфейсная плата. На нее вынесены выходные и входные колодки, а также пара 40-контактных разъемов для подключения к MAXREFDES150MAIN#.

Платы MAXREFDES150MAIN# и MAXREFDES150LED# объединены в одном корпусе (рисунок 1). Плата MAXREFDES150ATACH# вынесена отдельно.

Общая функциональная схема данной платформы представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Функциональная схема MAXREFDES150#

Рис. 2. Функциональная схема MAXREFDES150#

Отметим некоторые общие особенности данной схемы.

Управление. Работой Pocket IO управляет процессор Edison производства компании Intel. Он размещен на MAXREFDES150MAIN#. Дополнительный сопроцессор STM32 производства STMicroelectronics выполняет поддержку каналов IO-LINK и контролирует работу электродвигателей.

Система питания. Основным источником питания для Pocket IO является внешний адаптер 24 В, который подключается через стандартный разъем питания (рисунок 3). Остальные необходимые напряжения получаются с помощью DC/DC-преобразователей и линейных стабилизаторов, находящихся на плате MAXREFDES150MAIN#.

Рис. 3. Разъемы питания MAXREFDES150#

Рис. 3. Разъемы питания MAXREFDES150#

В комплекте Pocket IO поставляется сетевой адаптер 24 В. Его номинальный ток составляет 1 А. Это ограничивает максимальный выходной ток дискретных выходов, притом что каждый из них способен коммутировать нагрузку до 640 мА. Чтобы увеличить выходную мощность, можно использовать другой источник, однако максимальный входной ток не должен превышать 5 А.

Для питания электродвигателей используются мостовые драйверы с рабочим напряжением 9…32 В и выходным током до 2,5 А. Чтобы обеспечить требуемый уровень токов и напряжений, необходимо использовать дополнительный источник питания 9…32 В (в комплект не входит). Для его подключения на боковой панели Pocket IO расположен трехвыводной зеленый разъем (рисунок 3). Выводы 3 и 2 необходимы для питания, а вывод 1 – тестовый, он предназначен для защиты и проверки полярности.

Соединители. Все колодки для подключения внешних устройств вынесены на отдельную плату MAXREFDES150ATACH# (рисунок 4). Позиционные обозначения всех разъемов указаны на слое шелкографии в соответствии с предоставляемой принципиальной схемой.

Рис. 4. Плата соединительных колодок MAXREFDES150ATACH#

Рис. 4. Плата соединительных колодок
MAXREFDES150ATACH#

Светодиодная индикация. На плате MAXREFDES150LED# расположены светодиоды, которые помогают пользователю в работе с Pocket IO (рисунок 5). Большинство из них предназначено для отображения конкретной информации: состояния выходов и выходов, наличия аварий, наличия питания, активности цифровых интерфейсов и так далее. Часть светодиодов выделена под потребности пользователя.

Рис. 5. Назначение светодиодов индикации платы MAXREFDES150LED#

Рис. 5. Назначение светодиодов индикации платы MAXREFDES150LED#

Особенности аппаратной реализации функциональных блоков MAXREFDES150# Pocket IO

Pocket IO включает самые разнообразные функциональные блоки: цифровые и аналоговые входы-выходы, шины RS-485, каналы IO-LINK, каналы управления электродвигателями, энкодеры, Wi-Fi. Для их создания были использованы преимущественно микросхемы производства компании Maxim Integrated. Рассмотрим наиболее интересные узлы схемы.

Аналоговые входы. Для создания аналоговых входов применены микросхемы MAX11254. Это 6-канальные 24-битные сигма-дельта-АЦП. Основными достоинствами MAX11254 являются высокая производительность и малое потребление. Для связи с процессором Intel Edison используется SPI-интерфейс.

В схеме MAXREFDES150MAIN# каналы 1 и 0 MAX11254 используются для измерения входных напряжений (AI_0 и AI_1), а каналы 2 и 3 – для измерения токов (AI_2 и AI_3).

Диапазон входных дифференциальных напряжений аналоговых каналов AI_0 и AI_1 составляет 0…12 В. Эти сигналы буферизуются с помощью операционных усилителей MAX44267. MAX44267 – первый усилитель Beyond-the-Rails™, который способен формировать биполярные сигналы при однополярном питании +15 В. Полученные напряжения нормируются с помощью операционных усилителей MAX44248. Нормированный дифференциальный сигнал ±1,38 В подается на АЦП MAX11254.

Для токовых входных каналов AI_2 и AI_3 используется конвертация «ток-напряжение». Входной ток ±24 мА преобразуется в напряжение с помощью простейшего резистора 15,4 Ом. Далее этот сигнал буферизуется с помощью операционных усилителей MAX44267 и усиливается с помощью MAX44248 для получения размаха напряжения ±352 мВ на входах 2 и 3 микросхемы АЦП MAX11254.

Аналоговые выходы. Для создания выходных аналоговых каналов используется MAX5216 – 16-битный малопотребляющий ЦАП с буферизированными выходами и SPI-интерфейсом для связи с управляющим процессором. Сигнал напряжения от MAX5216 дополнительно усиливается с помощью малошумящего и широкополосного ОУ MAX9632, при этом на выходе Pocket IO формируются аналоговые сигналы 0…12 В. Для питания MAX5216 используется отрицательное напряжение -3 В (AVM3V), чтобы обеспечить «чистое» выходное напряжение 0 В.

Аналоговая часть схемы питания гальванически изолирована от остальной системы. На аналоговой стороне используются базовые источники 15 В (AV15V) и 3,6 В (AV3V6). Более подробно особенности системы питания будут рассмотрены ниже.

Опорное напряжение для аналоговых каналов. Для создания опорного напряжения для MAX11254 используется прецизионный ИОН MAX6126. Его выходное напряжение 3,0 В масштабируется до 1,5 В с помощью операционного усилителя MAX44244. Тот же ИОН MAX6126 используется и для ЦАП MAX5216.

Цифровая изоляция. Для цифровой изоляции применяются два типа изоляторов.

MAX14130 – четырехканальный цифровой изолятор, который необходим в данной схеме для развязки SPI-интерфейса, по которому происходит взаимодействие ЦАП и АЦП с одной стороны и Intel Edison – с другой. Кроме гальванической развязки, MAX14130 выполняет функцию трансляции уровней логических сигналов: 3,6 В от ЦАП и АЦП, и 1,8 В-сигналов Intel Edison.

MAX14850 – 6-канальный изолятор с четырьмя однонаправленными каналами (два в одну сторону и два – в другую) и двумя двунаправленными. Однонаправленные каналы необходимы для развязки сигналов CLR и RESET, которые идут от Intel Edison к ЦАП/АЦП, и для развязки сигналов RDY и SPI_MISO, которые идут от ЦАП/АЦП к Intel Edison.

Дискретные входы. Дискретные входы строятся на базе микросхемы MAX31913. Это промышленный 8-канальный транслятор-сериализатор с цифровыми выходами. Он используется для приема восьми дискретных сигналов и передачи данных по SPI в процессор Intel Edison.

Микросхемы MAX31913 имеют целый ряд таких интересных особенностей как:

  • встроенная схема ограничения входного тока. Установка тока ограничения производится с помощью одного резистора, подключаемого к входу RIREF. Например, резистор 15 кОм задет ток 2,4 мА;
  • дополнительные входные резисторы 2,2 кОм, обеспечивающие совместимость с IEC 61131-2;
  • питание от источника 5 В, при этом источник 24 В вообще не требуется;
  • фильтры нижних частот для защиты от дребезга и помех, интегрированные в микросхему;
  • восемь каналов для индикации состояния каждого из входов.

Дискретные выходы строятся на базе микросхем MAX14913. Это 8-канальный быстродействующий драйвер с последовательным SPI-интерфейсом.

Особенностями MAX14913 являются:

  • выходное напряжение 24 В;
  • выходной ток до 640 мА;
  • рабочая частота до 200 кГц;
  • управление состоянием выходов по SPI-интерфейсу;
  • матрица драйверов 4×4 для управления шестнадцатью светодиодами, которые необходимы для индикации состояний выходов и аварийных случаев.

Управление двигателями постоянного тока. Драйверы MAX14870 представляют собой простое и экономичное решение для управления коллекторными двигателями постоянного тока или мощными реле. Минимальное значение сопротивления каналов MAX14870 во включенном состоянии позволяет минимизировать потери мощности и обеспечивать ток нагрузки до 2,5 А. Для питания драйверов и двигателей необходим дополнительный источник питания 9…32 В, о котором говорилось выше.

Работа с датчиками положения. Для управления электродвигателями применяют обратную связь по положению, которую обеспечивают энкодеры. Для работы с ними используется микросхема MAX14890. Она объединяет четыре дифференциальных и два однополярных приемника. Дифференциальные приемники программируются для разных типов сигналов, например, для работы с дифференциальными сигналами RS-422 или однополярной логикой.

IO-Link. Каналы IO-Link построены на базе MAX14824 – IO-Link-мастер с интегрированным IO-Link-трансивером. Связь микросхемы с контроллером осуществляется по UART, а для настройки используется SPI. Это позволяет каскадировать до 16 каналов IO-Link. В данной схеме реализовано четыре канала. Выходной ток каналов составляет не менее 300 мА.

Для программной реализации IO-Link на базе микроконтроллера STM32F103 ARM® Cortex® M3 используется стек от компании TEConcept GmbH.

Коммуникационные интерфейсы. Для взаимодействия с внешними устройствами Pocket IO снабжен парой RS-485-приемопередатчиков MAX14783E.

MAX14783E – полудуплексный приемопередатчик RS-485/422 с рабочим напряжением 3,3/5 В и защитой от статических разрядов до ±35 кВ. Частота передачи у него может достигать 42 Мбит/с. Выходы MAX14783E подключены к микросхеме UART MAX3109.

MAX3109 – сдвоенный UART со встроенным буфером FIFO. Данная микросхема необходима для взаимодействия шин RS-485/422 и процессора Intel Edison.

Одной из наиболее критических частей схемы для промышленных приложений остается система питания. Она должна отвечать всем требованиям безопасности и обеспечивать низкий уровень шумов для нормальной совместной работы аналоговых, цифроаналоговых и цифровых микросхем.

Особенности системы питания MAXREFDES150# Pocket IO

Система питания MAXREFDES150# состоит из двух доменов: цифрового и аналогового (рисунок 6).

Рис. 6. Система питания MAXREFDES150#

Рис. 6. Система питания MAXREFDES150#

Для питания системы используются два внешних источника: адаптер 24 В/1 А (входит в комплект поставки) и дополнительный блок питания 9…32 В (не входит в комплект поставки). Они необходимы для питания четырех сегментов:

  • малопотребляющих аналоговых и цифровых схем с нагрузкой до 1 А;
  • мощных цифровых выходов с нагрузкой до 5 А;
  • аналоговой части схемы с гальванической развязкой;
  • драйверов и электродвигателей постоянного тока с нагрузкой до 7,5 А.

Питание малопотребляющего цифро-аналогового сегмента. Данный сегмент имеет защиту от обратной полярности и снабжен предохранителем F3 (1 А). Входное напряжение 24 В преобразуется с помощью MAX17502.

MAX17502 – высокоэффективный понижающий DC/DC-регулятор с интегрированными силовыми ключами и входным диапазоном напряжений 4,5…60 В. На выходе он формирует 3,3 В, 5 В и дополнительное регулируемое напряжение от 0,9 В до 92%VIN. Точность напряжения для MAX17502 составляет ±1,7% во всем рабочем диапазоне температур -40…125°C. Максимальный ток для преобразователя равен 1 А.

В схеме используются два регулятора MAX17502. Один – для получения 3,3 В, второй – для 5 В.

Для питания Intel Edison требуется напряжение 4,3 В. Оно получается из 5 В с помощью синхронного высокочастотного понижающего преобразователя MAX17620. Этот регулятор работает в диапазоне 2,7…5,5 В.

Благодаря высокой рабочей частоте преобразователей удается использовать малые значения емкостей и индуктивностей и достигать малых габаритов конечных устройств, что демонстрирует сам Pocket IO.

Питание мощных дискретных выходов. Если пользователю требуется получить значительный выходной ток мощных дискретных выходов, то ему необходимо выбрать другой адаптер вместо поставляемого 24 В/1 А. При этом суммарная токовая нагрузка может быть увеличена до 5 А. Данный вход имеет защиту от КЗ, реализованную в виде предохранителя F1 (6,3 А).

Этот же канал используется для питания внешних устройств (V24) через разъемы на плате MAXREFDES150ATACH#. При этом цепь содержит дополнительную защиту от КЗ на базе микросхем MAX17523.

Аналоговый сегмент. Для данного сегмента используется гальваническая развязка по питанию. Входное напряжение 24 В преобразуется с помощью MAX17681.

MAX17681 – высоковольтный обратноходовой преобразователь с выходной мощностью до 3 Вт. Он способен работать с напряжениями 4,5…42 В и использует дополнительную обмотку для получения обратной связи по напряжению. На вторичной обмотке выпрямленное напряжение стабилизируется с помощью дополнительных регуляторов:

  • линейный регулятор MAX8719 необходим для получения напряжения 15 В (питание операционных усилителей);
  • синхронный понижающий регулятор MAX17552 применяется для получения напряжения 5 В. Эти 5 В в дальнейшем используются для создания напряжения 3,6 В (MAX8902) для питания ЦАП и АЦП и отрицательного напряжения -3 В (MAX1697 и MAX1735), которое необходимо для питания выходного ОУ MAX5216 каналов ЦАП.

Питание электродвигателей. Для питания драйверов и электродвигателей необходим дополнительный источник 9…32 В. Он подключается через зеленый разъем VMTR (рисунок 3). Для защиты от КЗ на входе предусмотрен предохранитель F2 (10 А). Данное напряжение также транслируется и на выходной разъем MAXREFDES150ATACH#, при этом защита от КЗ строится на базе микросхемы MAX17523.

Предохранители F1, F2, и F3 располагаются непосредственно на плате MAXREFDES150MAIN# (рисунок 7). Они имеют миниатюрное исполнение для поверхностного монтажа, что помогает сэкономить достаточно места. Расплатой за это становится необходимость их перепайки при возникновении коротких замыканий. При этом пользователю придется разбирать всю конструкцию Pocket IO.

Рис. 7. Расположение SMD-предохранителей F1, F2, и F3 на печатной плате MAXREFDES150MAIN#

Рис. 7. Расположение SMD-предохранителей F1, F2 и F3 на печатной плате MAXREFDES150MAIN#

Говоря о защите, стоит отдельно упомянуть о допустимых диапазонах рабочих температур.

Температурные ограничения MAXREFDES150# Pocket IO

Если обратиться к документации на используемые в составе Pocket IO микросхемы производства компании Maxim Integrated, то окажется, что все они имеют промышленный температурный диапазон -40…125°C. Однако не стоит радоваться раньше времени, так как используемые процессоры портят эту радужную картину.

В данном случае слабым звеном оказывается процессор Intel Edison, который имеет рабочий диапазон всего 0…40°C. Таким образом, пользователь обязан обеспечивать для Pocket IO «тепличные» условия. Однако при создании собственных приложений с применением открытых решений Pocket IO никто не запрещает устанавливать процессоры с более широким рабочим диапазоном температур.

Краткий обзор ПО для MAXREFDES150# Pocket IO

Pocket IO – это не только печатные платы, но и законченная аппаратно-программная платформа.

Для максимально быстрого освоения Pocket IO можно воспользоваться средой Arduino IDE. Кроме увеличения скорости разработки, это дает и ряд других преимуществ:

  • простой и понятный интерфейс;
  • компилятор C/C++;
  • доступ ко многим особенностям Linux ОС, которые встроены в процессор Intel Edison;
  • доступ к API Pocket IO;
  • доступ к постоянно обновляемым библиотекам.

При работе с Pocket IO удобно пользоваться предлагаемым интерфейсом API. Для каждого типа функционального блока предлагается собственный API (рисунок 8).

Рис. 8. Архитектура ПО Pocket IO

Рис. 8. Архитектура ПО Pocket IO

Для работы с ПО Pocket IO необходимо скачать и установить следующие программные продукты: Arduino IDE, программный пакет Pocket IO. После установки ПО необходимо подготовить все аппаратные средства к началу работы.

Подготовка к началу работы с MAXREFDES150# Pocket IO

Для заказа отладочного набора платформы Pocket IO используется код MAXREFDES150#. Набор включает следующие составные части:

  • системную плату MAXREFDES150MAIN# и плату светодиодов MAXREFDES150LED#, которые размещены в общем пластиковом корпусе (рисунок 1);
  • отдельную плату соединителей MAXREFDES150ATACH#;
  • пару 40-контактных шлейфов для подключения к плате соединителей MAXREFDES150ATACH#;
  • кабель USB A-micro-USB B;
  • сетевой адаптер 24 В/1 А.

Кроме самого набора MAXREFDES150#, пользователю для работы потребуется программное обеспечение и персональный компьютер с USB.

Подготовка рабочего происходит всего за три шага.

  • Подключение платы разъемов. Основная системная плата MAXREFDES150MAIN# и плата светодиодов MAXREFDES150LED# размещены в пластиковом корпусе, в то время как разъемы вынесены на дополнительный модуль MAXREFDES150ATACH#. Для его подключения к системной плате используется пара 40-контактных разъемов и плоские шлейфы (рисунок 9). Шлейфы поставляются в комплекте и являются полностью идентичными.
Рис. 9. Подключение платы MAXREFDES150ATACH#

Рис. 9. Подключение платы MAXREFDES150ATACH#

При подключении шлейфов к плате MAXREFDES150MAIN# красный маркер первого контакта оказывается слева (рисунок 10).

Рис. 10. Подключение плоских кабелей к плате MAXREFDES150MAIN#

Рис. 10. Подключение плоских кабелей к плате MAXREFDES150MAIN#

Так как плоские кабели идентичны, важно не допустить их неверного подключения. Правильное подключение показано на рисунке 11.

Рис. 11. При правильном подключении плоские шлейфы не должны «перекрещиваться»

Рис. 11. При правильном подключении плоские шлейфы не должны перекрещиваться

  • Подключение питания Pocket IO. Необходимо еще раз напомнить, что максимальный ток адаптера, поставляемого с набором, составляет 1 А. Это ограничивает максимальный ток дискретных выходов. Для увеличения мощности можно использовать другой источник питания с выходным током до 5 А.

Для подключения адаптера к сети применяется одна из типов вилок, входящих в комплект (рисунок 12).

Рис. 12. Сетевой адаптер и набор сетевых вилок

Рис. 12. Сетевой адаптер и набор сетевых вилок

При подключении адаптера к Pocket IO используется стандартный разъем питания (рисунок 13).

Рис. 13. Подключение сетевого адаптера к Pocket IO

Рис. 13. Подключение сетевого адаптера к Pocket IO

  • Подключение к ПК по USB.

После выполнения этих простых шагов набор будет полностью готов к работе.

Заключение

Создание ПЛК – сверхсложная задача. Чтобы облегчить жизнь разработчикам, компания Maxim Integrated предлагает открытую программно-аппаратную платформу Pocket IO.

Pocket IO может использоваться разработчиками и как готовый ПЛК для приложений без высоких требований к герметичности и диапазону рабочих температур, и как источник различных эталонных схем на базе компонентов производства Maxim Integrated.

При этом вторая роль может оказаться более востребованной. Вся схемотехника Pocket IO является открытой. Разработчики получают готовые принципиальные схемы различных функциональных блоков: схемы питания, системы дискретных и аналоговых входов-выходов, схемы управления электродвигателями, каналов IO-LINK, промышленных интерфейсов RS-485/422 и многих других.

Литература

  1. https://www.maximintegrated.com/en/design/reference-design-center/system-board/6330.html/tb_tab1.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.