Utilice un diseño de referencia de PLC completo para acelerar el desarrollo de aplicaciones industriales para la IoT

Por Stephen Evanczuk

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Las aplicaciones de la IIoT (Internet de las cosas industrial) prometen mejorar la eficiencia de los sistemas industriales complejos. Para habilitar estas aplicaciones de la IIoT, disponemos de los PLC (controladores lógicos programables) basados en microcontroladores de última generación que imponen a los desarrolladores el desafío admitir la amplia gama de interfaces industriales requeridas en estos sistemas y compactar los dispositivos de manera que quepan dentro del equipo de fábrica.

Estos desafíos representan un obstáculo importante para la creación de aplicaciones de IIoT más sofisticadas. Sin embargo, un enfoque modular para la IO (entrada/salida) de PLC personalizados puede ser la solución que necesitan los desarrolladores.

Este artículo hablará de los desafíos asociados con el diseño sofisticado de IO para la IIoT. Se presentará una solución de sistema modular, en este caso, de Maxim Integrated, antes de mostrar cómo utilizarla, ya sea como solución lista para usar o como diseño de referencia para una aplicación de IIoT moderna y personalizada.

El rol evolutivo de los PLC en la IIoT

En su función de intermediarios en los sistemas de automatización de fábrica, los PLC proporcionaron, durante años, las múltiples interfaces necesarias para conectar sensores, actuadores y otros equipos a los sistemas de host. Al brindar servicio a las aplicaciones de IIoT, los sistemas de PLC deben admitir un número significativamente mayor de dispositivos finales y de capacidad de procesamiento local y, a la vez, contar con un tamaño lo suficientemente pequeño como para caber en piezas individuales de maquinaria o se ubiquen, sin obstaculizar, en celdas de trabajo o líneas de ensamblaje. Esto puede retrasar a los desarrolladores en los detalles de diseño asociados con las muchas interfaces requeridas en un entorno industrial.

En muchos casos, este es un uso ineficiente del tiempo del desarrollador, que puede ser mejor empleado en proporcionar soluciones de alto nivel para fábricas inteligentes, fabricación adaptativa, mantenimiento predictivo y otras capacidades emergentes basadas en métodos de inteligencia artificial. El uso de un enfoque de interfaz modular y flexible para el tiempo de desarrollo de los sensores y actuadores se puede acortar, pero esa solución de interfaz aún debe ser lo suficientemente fuerte como para tolerar entornos industriales hostiles.

Interfaces industriales

Un entorno industrial típico requiere una amplia combinación de interfaces para señales digitales y analógicas entre dispositivos periféricos y sistemas de host. Entre ellos, el estándar de la industria IO-Link se ha convertido en un enfoque eficaz para conectar dispositivos finales compatibles, así como sensores y actuadores heredados.

En una conexión IO-Link punto a punto estándar, los desarrolladores utilizan un IO-Link Master en un PLC para conectarse a un transceptor IO-Link a través de un cable no blindado de 3 o 4 líneas de bajo costo terminado con conectores M12 estándar. A través de su interfaz eléctrica y su protocolo funcional, IO-Link garantiza comunicaciones confiables, incluso en entornos industriales hostiles y eléctricamente ruidosos. Los dispositivos IO-Link Master, como el MAX14819, de Maxim Integrated ocultan la complejidad de la implementación de la interfaz y los protocolos eléctricos de IO-Link. Para la interfaz eléctrica, el MAX14819 integra los circuitos necesarios para generar fuentes de alimentación L+ y L- reguladas y señales de datos C/Q requeridas en el estándar IO-Link. Para los protocolos de comunicaciones, el dispositivo integra los encuadradores IO-Link, los UART (transmisor receptor asíncrono universal) y los métodos FIFO (primero en entrar, primero en salir) subyacentes en el método de mensajería IO-Link (consulte "Uso de transceptores IO-Link para disminuir energía, mejorar el rendimiento y simplificar el desarrollo").

Para conectar un sensor o actuador a un maestro IO-Link en un PLC, los desarrolladores pueden encontrar fácilmente dispositivos IO-Link compatibles o construir fácilmente los suyos utilizando el transceptor MAX14827A de Maxim (Figura 1).

Diagrama del transceptor IO-Link MAX14827A de Maxim Integrated

Figura 1: los desarrolladores pueden implementar rápidamente los enlaces de comunicaciones punto a punto de IO-Link al emparejar un transceptor IO-Link MAX14827A de Maxim Integrated en un sensor periférico con un IO-Link Master MAX14819 de Maxim en un PLC u otro sistema de host. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Aunque IO-Link se consolidó en entornos industriales más nuevos, existen otras interfaces estándares que continúan encontrando aplicaciones en entornos heredados y más recientes. Entre estos, RS-485 sigue siendo uno de los estándares de interfaz en serie más utilizados. Diseñado como una alternativa más robusta a las interfaces seriales anteriores, como RS-232 o RS-422, RS-485 es una interfaz eléctrica estándar utilizada para comunicaciones bidireccionales a través de un par trenzado de 24 CAE (AWG). Sus características de rendimiento en modo común le han otorgado un papel central en el cumplimiento de los requisitos para un funcionamiento confiable en longitudes de cable extendidas, incluso en entornos ruidosos. En consecuencia, proporciona la base de muchas redes de fábrica y funciona como la PHY (capa física) en Profibus y Fieldbus, por ejemplo.

Al igual que con IO-Link, los ingenieros pueden encontrar fácilmente dispositivos integrados diseñados para simplificar la implementación de las comunicaciones RS-485. El transceptor RS-485 MAXM22511 de Maxim Integrated, construido específicamente para aplicaciones industriales, no solo simplifica la implementación de esta interfaz, sino que también protege su integridad en entornos hostiles. Con el dispositivo, los desarrolladores pueden implementar una interfaz RS-485 aislada galvánicamente sin componentes adicionales simplemente conectando el lado del cable del MAXM22511 a un par trenzado y el lado UART del MAXM22511 a un microcontrolador u otro dispositivo digital (Figura 2). Los capacitores de alto voltaje, integrados en el dispositivo, aíslan los canales de datos, y un transformador integrado en el regulador de CC/CC del dispositivo proporciona una fuente de alimentación aislada del lado del cable a través de un regulador de LDO (caída baja) en el chip.

Diagrama del transceptor MAXM22511 de Maxim Integrated

Figura 2: el transceptor MAXM22511 de Maxim Integrated simplifica la implementación de las interfaces industriales RS-485, al tiempo que brinda protección de aislamiento incorporada contra eventos eléctricos del lado del cable. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

En la práctica, un sistema de automatización industrial típico probablemente requerirá soporte para interfaces más allá de las interfaces IO-Link y RS-485. En el lado de la entrada, estos sistemas generalmente deben admitir dispositivos de entrada digital que cumplan con IEC 61131-2 y sus tres tipos de entrada: Tipo 1 para sensores de 3 líneas más antiguos con contactos de conmutación mecánica, Tipo 2 para sensores tempranos de 2 líneas con interfaces semiconductoras y Tipo 3 para sensores de baja potencia más recientes de 2 o 3 líneas.

Aquí, los desarrolladores pueden recurrir al MAX22192 de Maxim, que proporciona ocho canales de entrada compatibles con IEC 61131-2, que pueden configurarse para entradas de Tipo 1, 2 o 3 con la simple adición de resistencias de configuración de corriente.

En el lado de la salida, muchos de estos sistemas dependen de controladores con mando digital capaces de soportar la conmutación de alta velocidad necesaria para el control preciso de los actuadores u otros equipos. Aquí, los ingenieros pueden usar un dispositivo como el MAX14912 de Maxim Integrated, que proporciona ocho canales que se pueden configurar como interruptores o controladores de lado alto.

Para requisitos de salida más especializados, como el control directo de motores de CC, los desarrolladores pueden recurrir al MAX14870 de Maxim, que proporciona una solución de control de motor totalmente integrada diseñada para reducir el recuento de piezas y la complejidad del diseño. En respuesta a una señal y dirección de PWM (modulación de ancho de pulso) y una señal de control de DIR (dirección), los controladores integrados del dispositivo controlan directamente los motores y relés de CC con escobillas con tensiones de hasta 36 voltios con un mínimo de componentes adicionales (Figura 3). Los diseñadores pueden combinar las capacidades de salida del MAX14870 con el receptor del codificador MAX14890E de Maxim para implementar subsistemas de control de movimiento de precisión.

Diagrama del MAX14870 de Maxim Integrated

Figura 3: el MAX14870 de Maxim Integrated integra controladores e interruptores que permiten a los desarrolladores implementar subsistemas de motor controlados por PWM con pocos componentes adicionales. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Diseño de PLC de última generación

La disponibilidad de una amplia gama de IC (circuitos integrados) especializados ha aliviado muchos de los desafíos de diseño de bajo nivel asociados con la implementación de las diversas interfaces necesarias para los sistemas industriales. Aun así, la gran cantidad de dispositivos de interfaz requeridos, cada uno con sus propios requisitos de diseño, aún enfrenta a los ingenieros con el desafío de combinar múltiples dispositivos de interfaz con un microcontrolador en el menor espacio de diseño posible. El sistema de PLC MAXREFDES212 Go-IO de Maxim Integrated elimina incluso este obstáculo para los desarrolladores que buscan construir la base para aplicaciones de IIoT sofisticadas.

El sistema de PLC MAXREFDES212 Go-IO de Maxim Integrated es un sistema modular que comprende varias placas pequeñas, cada una diseñada para cumplir con una gama de requisitos para los PLC de última generación. Los diseñadores conectan una placa de procesador de aplicaciones (MAXREFDES211), una placa de automatización de fábrica IO-Link (MAXREFDES200) y una placa de control de movimiento (MAXREFDES201) en una placa base (MAXREFDES215) que proporciona un bloque de terminales IO y conectores separados M12 compatibles con IO Link (Figura 4). (Tenga en cuenta que Maxim proporciona las designaciones MAXREFDESxxx indicadas para las cuatro placas, pero esas placas solo están disponibles como parte del sistema de PLC MAXREFDES212 Go-IO). Conectadas, las placas incluidas en el sistema Go-IO proporcionan un PLC compacto basado en un microcontrolador que mide menos de tres pulgadas cuadradas, mientras que ofrece más de 20 IO compatibles con una amplia gama de interfaces, incluidas las entradas digitales compatibles con IO-Link, RS-485, IEC 61131-2, las salidas digitales y el control de motor. Los desarrolladores pueden usar inmediatamente el PLC Go-IO para complementar los sistemas industriales existentes o como un diseño de referencia para los PLC personalizados.

Diagrama del diseño modular de PLC Go-IO de Maxim Integrated

Figura 4: el diseño modular de PLC GO-IO de Maxim Integrated permite a los desarrolladores configurar un PLC conectando placas separadas, incluso una placa procesadora de aplicaciones basada en un microcontrolador Arm (MAXREFDES211), una placa de automatización de fábrica (MAXREFDES200) y una placa de control de movimiento (MAXREFDES201) en una placa base (MAXREFDES215). (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Además de su función como marco físico para el PLC, la placa portadora proporciona a las placas adicionales un voltaje regulado suministrado desde un adaptador de pared estándar de 24 voltios o desde una fuente de corriente alta separada conectada a los terminales de tornillo de la placa portadora. En este caso, el diseño de la placa combina un convertidor de CC-CC MAX17681 de Maxim, un inductor y un IC de protección de corriente MAX17608 para proporcionar alimentación aislada a las otras placas (Figura 5). Los dispositivos MAX17608 adicionales brindan protección a los suministros adicionales de 24 voltios disponibles para su uso en las placas individuales.

Diagrama de la placa transportadora Go-IO de Maxim

Figura 5: la placa transportadora Go-IO de Maxim proporciona conectores y alimentación para otras placas incluidas en este enfoque modular del diseño de PLC. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Diseñada para conectarse en la base de la placa transportadora, la placa del procesador de aplicaciones incluye un microcontrolador MAX32630 de Maxim y características de soporte para el desarrollo y la ejecución del código para el PLC ensamblado (Figura 6). Sobre la base de un Arm® Cortex®-M4 con CPU FPU, MAX32630 proporciona la combinación de baja potencia, seguridad y el rendimiento del procesador requeridos en los PLC de la IIoT emergentes. Mediante la extracción de energía de la placa transportadora, la placa del procesador de aplicaciones utiliza un convertidor CC-CC MAX17502 para reducir la fuente de 24 voltios a 3.3 voltios y así suministrar dos reguladores lineales MAX1806, que proporcionan los suministros de 1.8 voltios y 1.2 voltios requeridos por MAX32630.

Diagrama de la placa procesadora de aplicaciones Go-IO de Maxim

Figura 6: la placa del procesador de la aplicación Go-IO de Maxim aloja el microcontrolador MAX32630 de Maxim que organiza la función de las placas adicionales, mediante la comunicación a través de un bus de SPI (interfaz periférica serial) compartido con un conector de 80 vías utilizado para interconectar las distintas placas utilizadas en este sistema modular. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Junto con los conectores USB para interactuar con un sistema de desarrollo, la placa admite conexiones de 1-Wire, I2C, UART y SPI. De hecho, la placa del procesador de aplicaciones proporciona varios buses de SPI para su uso en todo el sistema modular Go-IO. Dos buses SPI, APP_SP1 y APP_SP2, se conectan al conector de 80 vías para ser utilizados por las otras placas de conexión. Como se describe a continuación, el APP_SP2 desempeña un papel particularmente importante en la protección del sistema.

Los dos buses de SPI finales no se utilizan en este momento: El bus SD_SPI está reservado para conectar una tarjeta SD, y el bus WIFI_SPI está reservado para un módulo Wi-Fi. Las especificaciones de hardware de diseño, aunque actualmente no son compatibles, incluyen un módulo Wi-Fi de Microchip Technology ATWINC1510-MR210PB1952, que proporciona un subsistema Wi-Fi completo que incluye un PA (amplificador de potencia), un LNA (amplificador de bajo ruido), un interruptor y una antena de rastreo.

Aunque la placa del procesador de aplicaciones funciona únicamente dentro de un dominio digital controlado, las interfaces industriales siempre son susceptibles a voltajes repentinos de alta tensión debido a cortocircuitos de cables o descargas estáticas. Cualquiera sea la fuente, estos pueden degradar o destruir la electrónica digital diseñada para funcionar dentro de rieles de voltaje estrecho. Como se mencionó anteriormente, los dispositivos de interfaz, como el IC de transceptor RS-485 MAXM22511 de Maxim Integrated, cuentan con un aislamiento incorporado diseñado para proteger sus circuitos digitales de los efectos secundarios de los cables. Sin embargo, a nivel de placa, los ingenieros deben incorporar aislamiento en el diseño general. El diseño de referencia del sistema de PLC de Go-IO demuestra un enfoque de aislamiento a nivel de sistema.

El diseño de kit y referencia MAXREFDES212, diseñado para proteger las conexiones al bus APP_SPI2, utiliza un enfoque de aislamiento común para las dos placas adicionales restantes, la automatización de fábrica y la placa de control de movimiento. En este enfoque, múltiples dispositivos de aislamiento digital protegen el bus de SPI APP_SPI2 y otras líneas de señal transportadas en el conector de 80 vías. Este conector vincula los dispositivos en las placas adicionales al microcontrolador MAX32630 en la placa del procesador de aplicaciones.

Aquí, el diseño de Go-IO aprovecha la interfaz de SPI aislada incorporada en el MAX22192 para proporcionar un bus de SPI protegido en el lado de la placa para otros dispositivos de placas adicionales, incluido un UART MAX3108 de Maxim integrado en cada una de las placas adicionales. El diseño de Go-IO también incorpora un IC MAX14483 de Maxim que proporciona seis canales aislados optimizados para transacciones SPI. Finalmente, el diseño utiliza varios aisladores digitales de cuatro canales MAX14130 de Maxim configurados para brindar protección para conexiones SPI adicionales y líneas de señal específicas.

Aunque las configuraciones de los aisladores digitales MAX14483 y MAX14130 son ligeramente diferentes en las dos placas adicionales, ambas placas comparten la arquitectura general descrita anteriormente y se encuentran en el diseño de la placa de automatización de fábrica (Figura 7). Junto con el enfoque similar al aislamiento, ambas placas tienen acceso a las entradas compatibles con IEC 61131-2 de IEC proporcionadas por el MAX22192 de Maxim, así como a la interfaz RS-485 protegida proporcionada a través de MAX3108 y MAXM22511.

Diagrama de la placa de automatización de fábrica Go-IO de Maxim

Figura 7: la placa de automatización de fábrica Go-IO de Maxim proporciona conexiones aisladas entre el microcontrolador y los dispositivos de interfaz especializados, lo cual brinda a los desarrolladores soporte para múltiples interfaces industriales, incluso entrada digital, salida digital, RS-485 e IO-Link. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

La principal diferencia entre las dos placas adicionales reside en la configuración de los dispositivos utilizados para admitir las interfaces de automatización de fábrica compatibles con una placa y las funciones de control de movimiento compatibles con la otra. En la placa de automatización de fábrica (MAXREFDES200), los buses de SPI protegidos y las líneas de señal se conectan a los controladores de salida de alta velocidad y al subsistema IO-Link. Aquí, el diseño de la placa proporciona control de salida digital utilizando el interruptor/controlador MAX14912 de Maxim de alta velocidad mencionado anteriormente. Para el subsistema de IO-Link, el diseño de la placa combina un par de transceptores IO-Link Master MAX14819 de Maxim con un microcontrolador STM32F412 STMicroelectronics que ejecuta su pila de protocolos IO-Link precargados.

Para la alimentación regulada, cada placa incorpora un par de convertidores de CC/CC MAXM15462 de Maxim para reducir el suministro de 24 voltios desde la placa de soporte hasta los niveles de suministro requeridos en cada placa como 3V3_DIO, 3V3_MCU y 5V0_DIO. Además, el LDO integrado del MAX22192 convierte el suministro de 24 voltios en un suministro de 3.3 V VDD_IO utilizado por el IC del aislador digital MAX14130 en su dominio protegido.

Para la placa de control de movimiento (MAXREFDES201), el diseño combina dispositivos de aislamiento digital con un conjunto de impulsores de motor MAX14870 y codificadores MA14890 (Figura 8). Como se señaló anteriormente, la combinación de MAX14870 y MA14890 proporciona a los desarrolladores las capacidades clave necesarias para implementar sistemas de control de precisión construidos con motores, relés y otros dispositivos.

Diagrama de la placa de control de movimiento Go-IO de Maxim (haga clic para ampliar)

Figura 8: al incorporar un esquema de protección similar al utilizado en la placa de automatización de fábrica, la placa de control de movimiento Go-IO proporciona a los desarrolladores la salida del controlador y las entradas de codificador necesarias para implementar funciones de control avanzadas para motores, relés y otros subsistemas industriales. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Para ayudar a los ingenieros a acelerar el desarrollo de software para el sistema de PLC Go-IO, Maxim proporciona un paquete de software básico que contiene controladores y rutinas de prueba básicas. Aunque el marco subyacente está precargado como firmware en el microcontrolador MAX32630 de Maxim, los desarrolladores pueden estudiar software de ejemplo que muestre patrones de diseño básicos para interactuar con dispositivos individuales a través de la interfaz de programación de aplicaciones del sistema (Listado 1). Con su enfoque en la interfaz de IO industrial, el diseño de referencia de hardware del sistema de PLC Go-IO y el software que lo acompaña proporcionan la base crítica necesaria para implementar sistemas avanzados de automatización industrial.

Copiar * ************************************************************************* */ 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);     . . . 

Listado 1: La distribución de software de muestra de Maxim Integrated incluye un código de prueba que muestra patrones de diseño básicos para operaciones periféricas, incluida la lectura (MAX22192_read_input()) de canales individuales en el IC de entrada digital Maxim Integrated MAX22192 y la escritura (MAX14912_write_mode()) en canales individuales en el IC de entrada digital Maxim Integrated MAX14912. (Fuente del código: Maxim Integrated)

Conclusión

Las aplicaciones sofisticadas de fabricación dinámica, mantenimiento predictivo y otros métodos avanzados de inteligencia artificial dependen de conexiones confiables a sensores, actuadores y otros equipos industriales. El sistema modular y el diseño de referencia de PLC Go-IO de Maxim Integrated proporcionan una plataforma preparada para entornos existentes y una base extensible para abordar los requisitos emergentes. Al construir en la plataforma de PLC Go-IO, los desarrolladores pueden implementar rápidamente una solución de PLC compacta para implementar sistemas de fabricación avanzados.

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Acerca de este autor

Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk tiene más de 20 años de experiencia escribiendo para y sobre la industria de electrónica en un amplio rango de temas, entre ellos hardware, software, sistemas y aplicaciones, que incluyen IoT. Se doctoróen neurociencias (redes neuronales) y trabajó en la industria aeroespacial en sistemas seguros con distribución masiva y métodos de aceleración de algoritmos. Actualmente, cuando no escribe artículos sobre tecnología e ingeniería, trabaja en aplicaciones de aprendizaje profundo sobre sistemas de reconocimiento y recomendaciones.

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