Utilizzare un progetto di riferimento completo per PLC per accelerare lo sviluppo di applicazioni IoT industriali

Di Stephen Evanczuk

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

Le applicazioni per Internet delle cose industriale (IIoT) promettono di incrementare l'efficienza di sistemi industriali complessi. Le applicazioni IIoT sono rese possibili da PLC (controller a logica programmabile) basati su microcontroller di ultima generazione che mettono gli sviluppatori davanti a una grande sfida: supportare l'ampia gamma di interfacce industriali richieste in questi sistemi, realizzando però dispositivi abbastanza compatti da rientrare nelle apparecchiature di una fabbrica.

Questa sfida rappresenta un ostacolo non indifferente verso l'obiettivo finale di creare applicazioni IIoT più sofisticate. La soluzione che serve agli sviluppatori potrebbe essere un approccio modulare alle interfacce di IO personalizzate dei PLC.

Questo articolo prenderà in esame le sfide associate alla progettazione di interfacce di IO sofisticate per IIoT. Illustrerà quindi una soluzione con un sistema modulare, in questo caso di Maxim Integrated, prima di spiegare come utilizzarla come soluzione pronta o come progetto di riferimento per un'applicazione IIoT moderna e personalizzata.

Il ruolo in evoluzione dei PLC in IIoT

I PLC, in quanto intermediari nei sistemi di automazione di fabbrica, offrono da anni le varie interfacce richieste per collegare sensori, attuatori e altre apparecchiature ai sistemi host. I sistemi PLC al servizio delle applicazioni IIoT devono supportare molti più dispositivi finali e una potenza di elaborazione locale più elevata, ma devono avere anche dimensioni contenute per poter essere inseriti nelle singole parti di un macchinario oppure per essere installati come sistemi autonomi nelle celle di lavoro o nelle linee di subassemblaggio. Di fronte a questi requisiti, gli sviluppatori possono rimanere "impantanati" nei dettagli di progettazione collegati alle numerose interfacce richieste in un ambiente industriale.

In molti casi, questo tempo potrebbe essere speso meglio per cercare di fornire soluzioni di alto livello per stabilimenti intelligenti, produzione adattiva, manutenzione predittiva e altre capacità emergenti basati sull'intelligenza artificiale. Un approccio a sensori e attuatori mirato a un'interfaccia flessibile e modulare potrebbe abbattere i tempi di sviluppo, ma l'interfaccia deve comunque essere abbastanza robusta da tollerare ambienti industriali difficili.

Interfacce industriali

Un tipico ambiente industriale richiede un ampio ventaglio di interfacce per i segnali sia digitali che analogici tra i dispositivi periferici e i sistemi host. Fra queste, lo standard industriale IO-Link si è imposto come approccio efficiente per collegare sia i dispositivi terminali compatibili che i sensori e gli attuatori esistenti.

In una connessione IO-Link punto-punto standard, gli sviluppatori usano un IO-Link master in un PLC per la connessione con un transceiver IO-Link attraverso un economico cavo non schermato a 3 o 4 fili terminato con dei connettori M12 standard. Grazie alla sua interfaccia elettrica e al protocollo funzionale, IO-Link assicura comunicazioni affidabili anche in ambienti industriali difficili e disturbati da rumore elettrico diffuso. Dispositivi IO-Link master come MAX14819 di Maxim Integrated nascondono la complessità di implementazione dei protocolli e dell'interfaccia elettrica IO-Link. Per l'interfaccia elettrica, MAX14819 integra la circuiteria necessaria per generare le fonti di alimentazione regolate L+ e L- e i segnali dei dati C/Q richiesti nello standard IO-Link. Per i protocolli di comunicazione, il dispositivo integra i framer IO-Link, gli UART e i FIFO alla base del metodo di messaggistica IO-Link (vedere, "Utilizzo dei transceiver IO-Link per ridurre i consumi, incrementare le prestazioni e semplificare lo sviluppo").

Per collegare un sensore o un attuatore a un IO-Link master in un PLC, gli sviluppatori possono trovare facilmente dispositivi IO-Link compatibili oppure crearne senza problemi uno proprio con il transceiver MAX14827A di Maxim (Figura 1).

Schema del transceiver IO-Link MAX14827A di Maxim Integrated

Figura 1: Gli sviluppatori possono implementare rapidamente collegamenti di comunicazione punto-punto IO-Link associando un transceiver IO-Link MAX14827A di Maxim Integrated in un sensore periferico con un IO-Link master MAX14819 di Maxim in un PLC o in un altro sistema host. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Anche se IO-Link si è saldamente affermato negli ambienti industriali più moderni, altre interfacce standard continuano a trovare applicazione sia negli ambienti tradizionali che in quelli più recenti. Fra queste, RS-485 rimane uno degli standard di interfaccia seriale più diffusi. Progettato come un'alternativa più robusta alle interfacce seriali più datate come RS-232 o RS-422, RS-485 è un'interfaccia elettrica standard utilizzata per le comunicazioni bidirezionali attraverso un doppino intrecciato 24 AWG. Le caratteristiche prestazionali di modo comune di questa interfaccia le sono valse un ruolo centrale nel soddisfare i requisiti per un funzionamento affidabile su lunghezze di cavo estese, anche in ambienti disturbati da rumore elettrico. Di conseguenza, rappresenta la base di molte reti di fabbrica, ad esempio come strato fisico (PHY) in Profibus e Fieldbus.

Come per IO-Link, gli ingegneri non hanno difficoltà a trovare dispositivi integrati progettati per semplificare l'implementazione delle comunicazioni su RS-485. Realizzato appositamente per applicazioni industriali, il transceiver RS-485 MAXM22511 di Maxim Integrated non solo semplifica l'implementazione di questa interfaccia ma ne protegge anche l'integrità in ambienti difficili. Con questo dispositivo, gli sviluppatori possono implementare un'interfaccia RS-485 isolata galvanicamente senza componenti aggiuntivi semplicemente collegando il lato del cavo di MAXM22511 a un doppino intrecciato e il suo lato UART a un microcontroller o a un altro dispositivo digitale (Figura 2). I condensatori ad alta tensione integrati nel dispositivo isolano i canali dei dati, mentre un trasformatore incorporato nel regolatore c.c./c.c. del dispositivo offre una sorgente di alimentazione isolata sul lato del cavo tramite un regolatore a bassa caduta di tensione (LDO) su chip.

Schema del transceiver MAXM22511 di Maxim Integrated

Figura 2: Il transceiver MAXM22511 di Maxim Integrated semplifica l'implementazione di interfacce RS-485 industriali fornendo al tempo stesso una protezione incorporata di isolamento da eventi elettrici sul lato del cavo. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Nella pratica, un tipico sistema di automazione industriale richiederà probabilmente il supporto per altre interfacce, oltre a quelle IO-Link e RS-485. Sul lato di ingresso, questi sistemi in genere devono supportare dispositivi con ingresso digitale conformi a IEC 61131-2 e tutti e tre i tipi di ingresso: Tipo 1 per sensori a 3 fili più vecchi con contatti di commutazione meccanici, Tipo 2 per sensori a 2 fili non recenti con interfacce a semiconduttori e Tipo 3 per sensori più recenti a basso consumo a 2 o 3 fili.

In questo caso, gli sviluppatori possono ricorrere a MAX22192 di Maxim che fornisce otto canali di ingresso conformi a IEC 61131-2, ognuno dei quali può essere configurato per gli ingressi Tipo 1, 2 o 3 con la semplice aggiunta di resistori di aggiustamento della corrente.

Sul lato di uscita, molti di questi sistemi dipendono da driver controllati digitalmente in grado di supportare la commutazione ad alta velocità richiesta per il controllo preciso di attuatori o altre apparecchiature. In questo caso, è possibile usare un dispositivo come MAX14912 di Maxim Integrated che offre otto canali configurabili come driver o commutatori high-side.

Per requisiti di uscita più particolari, come il controllo diretto dei motori c.c., si può ricorrere a MAX14870 di Maxim che offre una soluzione di controllo motori totalmente integrata, studiata per ridurre il numero dei componenti e la complessità di progettazione. In risposta a un segnale a modulazione della larghezza di impulso (PWM) e a un segnale di controllo della direzione (DIR), i driver integrati del dispositivo pilotano direttamente motori a spazzole c.c. e relè a tensioni fino a 36 V con un numero minimo di componenti supplementari (Figura 3). I progettisti possono combinare le capacità di uscita di MAX14870 con il ricevitore encoder MAX14890E di Maxim per implementare sottosistemi di controllo del movimento di precisione.

Schema di MAX14870 di Maxim Integrated

Figura 3: MAX14870 di Maxim Integrated integra driver e commutatori, permettendo agli sviluppatori di implementare sottosistemi di motori controllati da PWM con l'aggiunta di pochissimi componenti. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Progettazione di PLC di ultima generazione

La disponibilità di un'ampia gamma di circuiti integrati specializzati ha risolto molte delle sfide progettuali di livello inferiore associate all'implementazione delle varie interfacce richieste per i sistemi industriali. Il numero di dispositivi di interfaccia necessari, ciascuno con le proprie esigenze di progettazione, continua però a rappresentare una sfida per gli ingegneri, che devono abbinarli a un microcontroller, contenendo al massimo gli ingombri sul progetto. Il sistema PLC Go-IO MAXREFDES212 di Maxim Integrated elimina anche questo ostacolo per gli sviluppatori impegnati a gettare le fondamenta per applicazioni IIoT sofisticate.

Il sistema PLC Go-IO MAXREFDES212 di Maxim Integrated è di tipo modulare ed è costituito da diverse piccole schede, ognuna delle quali è preposta a soddisfare una serie di requisiti per i PLC di ultima generazione. In una scheda base (MAXREFDES215) dotata di una morsettiera di IO e di connettori M12 separati compatibili con IO-Link (Figura 4), i progettisti possono innestare una scheda processore per applicazioni (MAXREFDES211), una scheda di automazione di fabbrica IO-Link (MAXREFDES200) e una scheda di controllo del movimento (MAXREFDES201). (Tenere presente che per le quattro schede Maxim fornisce le designazioni MAXREFDESxxx, anche se sono disponibili solo come parte del sistema PLC Go-IO MAXREFDES212.) Una volta collegate assieme, le schede incluse nel sistema Go-IO diventano un PLC compatto basato su microcontroller che misura meno di 19,5 cm quadrati. Sono presenti oltre 20 IO a supporto di un'intera gamma di interfacce tra cui IO-Link, RS-485, ingresso digitale compatibile con IEC 61131-2, uscita digitale e controllo motori. Gli sviluppatori possono utilizzare da subito il PLC Go-IO per integrare i sistemi industriali esistenti oppure come progetto di riferimento per PLC personalizzati.

Schema della soluzione modulare del PLC Go-IO di Maxim Integrated

Figura 4: Il progetto modulare del PLC Go-IO di Maxim Integrated consente agli sviluppatori di configurare un PLC inserendo in una scheda di base (MAXREFDES215) delle schede separate, tra cui una scheda processore per applicazioni basata su microcontroller (MAXREFDES211), una scheda di automazione di fabbrica (MAXREFDES200) e una scheda di controllo del movimento (MAXREFDES201). (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Oltre al ruolo di struttura fisica per il PLC, la scheda portante fornisce alle schede aggiuntive una tensione regolata alimentata da un adattatore standard a muro a 24 V, o da una sorgente separata ad alta corrente collegata ai terminali a vite sulla scheda portante. In tal caso, l'alimentazione isolata alle altre schede viene fornita da un convertitore c.c./c.c. MAX17681 di Maxim, un induttore e il circuito integrato di protezione della corrente MAX17608 (Figura 5). Altri dispositivi MAX17608 assicurano la protezione ad altre alimentazioni a 24 V utilizzabili sulle singole schede.

Schema della scheda portante Go-IO di Maxim

Figura 5: La scheda portante Go-IO di Maxim mette a disposizione connettori e alimentazione per le altre schede incluse in questo approccio modulare alla progettazione del PLC. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Progettata per essere inserita sulla scheda portante, la scheda processore per applicazioni include un microcontroller MAX32630 di Maxim e funzioni di supporto per lo sviluppo e l'esecuzione di codice per il PLC assemblato (Figura 6). Basato su Arm® Cortex®-M4 con CPU FPU, MAX32630 offre la combinazione di basso consumo, sicurezza e prestazioni del processore, requisiti tipicamente richiesti nei PLC IIoT emergenti. Attingendo l'alimentazione dalla scheda portante, la scheda processore per applicazioni utilizza un convertitore c.c./c.c. MAX17502 per abbassare a 3,3 V l'alimentazione a 24 V per i due regolatori lineari MAX1806 che forniscono le alimentazioni a 1,8 V e 1,2 V richieste da MAX32630.

Schema della scheda processore per applicazioni Go-IO di Maxim

Figura 6: La scheda processore per applicazioni Go-IO di Maxim è dotata del microcontroller MAX32630 di Maxim che gestisce il funzionamento delle schede aggiuntive. La comunicazione avviene tramite un bus SPI condiviso per mezzo di un connettore a 80 linee che interconnette le varie schede usate in questo sistema modulare. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Oltre ai connettori USB per l'interfacciamento con un sistema di sviluppo, la scheda supporta connessioni a 1 filo, I2C, UART e SPI. Di fatto, la scheda processore per applicazioni offre diversi bus SPI da utilizzare nel sistema Go-IO modulare. Due bus SPI, APP_SP1 e APP_SP2, collegano al connettore a 80 linee per l'uso da parte delle altre schede innestabili. Come descritto sotto, APP_SP2 svolge un ruolo particolarmente importante per la protezione del sistema.

Al momento della stesura di questo articolo non risulta che gli ultimi due bus SPI siano utilizzati: il bus SD_SPI è riservato per la connessione di una scheda SD, mentre il bus WIFI_SPI è riservato per un modulo Wi-Fi. Anche se attualmente non è supportato, le specifiche hardware di progettazione includono un modulo Wi-Fi ATWINC1510-MR210PB1952 di Microchip Technology che fornisce un sottosistema Wi-Fi completo comprendente un amplificatore di potenza (PA), un amplificatore a basso rumore (LNA), un commutatore e un'antenna di tracciamento.

Sebbene la scheda processore per applicazioni funzioni esclusivamente all'interno di un dominio digitale controllato, le interfacce industriali sono sempre suscettibili a tensioni alte improvvise dovute a cortocircuiti sui cavi o a scariche elettrostatiche. Quale che sia la causa, queste tensioni possono deteriorare o distruggere l'elettronica digitale progettata per operare con rail di tensione ristretti. Come ricordato in precedenza, i dispositivi di interfaccia come il CI del transceiver RS-485 MAXM22511 di Maxim Integrated sono dotati di un isolamento integrato progettato per proteggere i circuiti digitali da possibili eventi sul lato dei cavi. A livello di scheda, tuttavia, gli ingegneri devono prevedere l'isolamento in tutto il progetto. Il progetto di riferimento del sistema PLC Go-IO offre un approccio all'isolamento a livello di sistema.

Studiati per proteggere le connessioni col bus APP_SPI2, il kit MAXREFDES212 e il progetto di riferimento usano un approccio di isolamento comune per entrambe le schede supplementari restanti: la scheda di automazione di fabbrica e la scheda di controllo del movimento. In questo approccio, più dispositivi di isolamento digitale proteggono il bus SPI APP_SPI2 e altre linee di segnale passanti sul connettore a 80 linee. Questo connettore collega i dispositivi sulle schede aggiuntive al microcontroller MAX32630 sulla scheda processore per applicazioni.

In questo caso il progetto Go-IO sfrutta l'interfaccia SPI isolata integrata in MAX22192 per fornire un bus SPI lato scheda protetto per altre schede aggiuntive, incluso un UART MAX3108 di Maxim che è integrato in ogni scheda aggiuntiva. Il progetto Go-IO include anche un CI MAX14483 di Maxim che fornisce sei canali isolati ottimizzati per le transazioni SPI. Infine, il progetto usa diversi isolatori digitali a quattro canali MAX14130 di Maxim per fornire protezione per connessioni SPI aggiuntive e specifiche linee di segnale.

Sebbene le due schede aggiuntive abbiano configurazioni degli isolatori digitali MAX14483 e MAX14130 leggermente diverse, condividono entrambe l'architettura generale descritta sopra e che è presente nel progetto della scheda di automazione di fabbrica (Figura 7). Oltre a un approccio simile all'isolamento, entrambe le schede hanno accesso agli ingressi conformi a IEC 61131-2 forniti da MAX22192 di Maxim, nonché all'interfaccia RS-485 protetta fornita tramite MAX3108 e MAXM22511.

Schema della scheda di automazione di fabbrica Go-IO di Maxim

Figura 7: La scheda di automazione di fabbrica Go-IO di Maxim fornisce connessioni isolate tra il microcontroller e dispositivi di interfaccia specializzati, fornendo agli sviluppatori il supporto per più interfacce industriali tra cui ingresso digitale, uscita digitale, RS-485 e IO-Link. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

La differenza principale tra le due schede aggiuntive riguarda la configurazione dei dispositivi utilizzati per supportare le interfacce di automazione di fabbrica supportate da una scheda e le caratteristiche di controllo del movimento supportate dall'altra. Nella scheda di automazione di fabbrica (MAXREFDES200), i bus SPI e le linee di segnale protetti si collegano a driver di uscita ad alta velocità e a un sottosistema IO-Link. In questo caso, il progetto della scheda fornisce il controllo dell'uscita digitale utilizzando il commutatore ad alta velocità/il driver MAX14912 di Maxim ricordato prima. Per il sottosistema IO-Link, il progetto della scheda combina una coppia di transceiver master IO-Link MAX14819 di Maxim con un microcontroller STM32F412 di STMicroelectronics che esegue il suo stack di protocollo IO-Link precaricato.

Per quanto riguarda l'alimentazione regolata, ogni scheda incorpora una coppia di convertitori c.c./c.c. MAXM15462 di Maxim per abbassare l'alimentazione a 24 V dalla scheda portante ai livelli di alimentazione richiesti su ogni scheda come 3V3_DIO, 3V3_MCU e 5V0_DIO. Inoltre, l'LDO integrato di MAX22192 converte l'alimentazione a 24 V in una VDD_IO a 3,3 V utilizzata dal CI dell'isolatore digitale MAX14130 nel suo dominio protetto.

Per la scheda di controllo del movimento (MAXREFDES201), il progetto combina i dispositivi di isolamento digitali con una serie di driver per motori MAX14870 ed encoder MA14890 (Figura 8). Come ricordato in precedenza, la combinazione di MAX14870 e MA14890 offre agli sviluppatori le capacità chiave necessarie per implementare sistemi di controllo di precisione costruiti con motori, relè e altri dispositivi.

Schema della scheda di controllo del movimento Go-IO di Maxim (fare clic per ingrandire)

Figura 8: Incorporando uno schema di protezione simile a quello utilizzato nella scheda di automazione di fabbrica, la scheda di controllo del movimento Go-IO fornisce agli sviluppatori l'uscita del driver e gli ingressi dell'encoder necessari per implementare funzioni di controllo avanzate per motori, relè e altri sottosistemi industriali. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Per aiutare gli ingegneri ad accelerare lo sviluppo del software per il sistema PLC Go-IO, Maxim offre un pacchetto software di base che contiene driver e routine di test di base. Sebbene nel microcontroller MAX32630 di Maxim la struttura sottostante sia precaricata come firmware, gli sviluppatori possono studiare un software di esempio che dimostra schemi di progettazione di base per l'interazione con i singoli dispositivi attraverso l'interfaccia di programmazione dell'applicazione del sistema (Listato 1). Con l'attenzione puntata sull'interfaccia IO industriale, il progetto di riferimento hardware del sistema PLC Go-IO e il software a corredo rappresentano la base indispensabile richiesta per implementare sistemi di automazione industriale avanzati.

Copy
* ************************************************************************* */
int TEST_MAX22192_run_tests(void){
    int error;
    di_channel_t di_ch;
    
    TEST_print_line(0, 0, 0);
    TEST_print_header("MAX22192 Tests", 0);
    TEST_print_header("HW", 0);
    
    //Read input for channel 1
    di_ch = DI1;
    error = MAX22192_read_input(di_ch);
                printf("Test- MAX22192_read_input(%d): %d", di_ch, error);
    TEST_print_pass(error == 1, 1);
    . . . 
 
/* ************************************************************************* */
int TEST_MAX14912_run_tests(void){
    int error;
    int counter;
    do_channel_t do_ch;
    do_mode_t do_mode;
    uint8_t do_value;
    
    TEST_print_line(0, 0, 0);
    TEST_print_header("MAX14912 Tests", 0);
    TEST_print_header("HW", 0);
    
    //Write mode for channel 1
    do_ch = DO1;
    do_mode = DO_MODE_HS;
    error = MAX14912_write_mode(do_ch, do_mode);
                printf("Test- MAX14912_write_mode(%d, %d): %d", do_ch, do_mode, error);
    TEST_print_pass(error == 0, 0);
    . . . 

Listato 1: La distribuzione del software di esempio di Maxim Integrated include un codice di test che dimostra gli schemi di progettazione di base per operazioni periferiche, inclusa la lettura (MAX22192_read_input ()) dai singoli canali nel CI dell'ingresso digitale MAX22192 di Maxim Integrated e la scrittura (MAX14912_write_mode ()) su singoli canali nel CI dell'ingresso digitale MAX14912 di Maxim Integrated. (Codice per gentile concessione di Maxim Integrated)

Conclusione

Le applicazioni sofisticate di produzione dinamica, manutenzione predittiva e altri metodi avanzati di intelligenza artificiale si basano su connessioni affidabili con sensori, attuatori e altre apparecchiature industriali. Il sistema modulare e il progetto di riferimento di PLC Go-IO di Maxim Integrated forniscono una piattaforma pronta per gli ambienti esistenti e una base estensibile per far fronte ai requisiti emergenti. Partendo dalla piattaforma PLC Go-IO, gli sviluppatori possono realizzare rapidamente una soluzione PLC compatta per implementare sistemi di produzione avanzati.

Esonero della responsabilità: le opinioni, le convinzioni e i punti di vista espressi dai vari autori e/o dai partecipanti al forum su questo sito Web non riflettono necessariamente le opinioni, le convinzioni e i punti di vista di Digi-Key Electronics o le sue politiche.

Informazioni su questo autore

Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk ha più di 20 anni di esperienza come autore sull'industria elettronica e ha scritto su una vasta gamma di argomenti tra cui hardware, software, sistemi e applicazioni, incluso l'IoT. Ha ricevuto un Ph.D. in neuroscienze sulle reti neuronali e ha lavorato nel settore aerospaziale su sistemi di sicurezza ampiamente distribuiti e sui metodi di accelerazione algoritmica. Attualmente, quando non scrive articoli su tecnologia e ingegneria, lavora su applicazioni di deep learning per i sistemi di riconoscimento e di raccomandazione.

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