Isoface
Intelligenter Schutz für industrielle Steuerungen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Geschützte Eingänge
Die galvanisch isolierten digitalen Eingangs-ICs der ISO1I81xT-Produktfamilie stellen eine komplett integrierte Systemlösung für Eingangs-Schnittstellen dar (Bild 2).
Auf der Prozess-Seite agieren die ICs wie direkte Schnittstellen für Sensoren oder Schalter, auf der Steuerungs-Seite können die ICs direkt an den Mikrocontroller oder das entsprechende Steuerungs-ASIC angeschlossen werden (Bild 3). Zwischen den beiden Seiten besteht eine robuste galvanische Trennung für bis zu 500 V(AC). Bis zu acht digitale Eingänge gemäß IEC 61131-2 (Type 1/2/3) können je IC angeschlossen werden. Diese IC-Eingänge arbeiten als präzise Stromsenken. Dank dieser Charakteristik ist die Leistungsaufnahme je Kanal um bis zu 2,5 Mal niedriger als bei Lösungen, welche mit Optokopplern und passiven Komponenten realisiert werden.
Optional ist es möglich, LEDs zur Statusanzeige an den Eingängen anzuschließen. Dank der geringen Leistungsaufnahme und dem hohen Integrationsgrad können Entwickler so sehr kompakte Eingangsmodule realisieren oder alternativ - bei einem gegebenen Formfaktor - die Anzahl der implementierten Kanäle deutlich erhöhen.
Um die Störempfindlichkeit (EMI) der Systemlösung zu verbessern, sind die acht Eingangskanäle mit Entstörfilter ausgestattet. Beim ISO1I811T kann über Jumper eine von vier möglichen Einstellungen gemeinsam für alle Eingänge ausgewählt werden. Mit dem ISO1I813T kann der Entwicklungsingenieur die Filtereinstellungen für jeden Kanal individuell programmieren. Bei beiden Produkten wird im Bypass-Modus die Filterzeit auf „Null“ gesetzt. Der Bypass-Betrieb gewährleistet Rückwärtskompatibilität mit bestehenden Lösungen, die ein System-ASIC verwenden, das bereits über integrierte Entstörfilter verfügt.
Die digitalen Eingangs-ICs bieten wählbare Abtastfrequenzen im Bereich von 50 kHz bis 500 kHz. Dies ist eine höhere Geschwindigkeit, als mit gängigen Optokopplern realisierbar ist. Innerhalb des von Isoface unterstützten Frequenzbereiches können Systementwickler die Abtastfrequenz ihren Anforderungen anpassen. Die hohen Abtastfrequenzen sind von besonderer Bedeutung für Anwendungen mit hoch präzisen oder schnell laufenden Motorantrieben, wie sie in Abfüllanlagen oder in der Papier- und Druckindustrie eingesetzt werden.
Eine Funktion, die nur der ISO1I813T bietet, ist die synchrone Erfassung von Eingangssignalen mehrerer Eingangs-ICs. Dies ist besonders dann relevant, wenn eine isochrone Statusinformation einer Vielzahl von Eingängen einer komplexen Maschine oder Anlage erfasst werden muss.
Umfassende Diagnose
Zu den Diagnosefunktionen des ISO1I813T zählt das Erfassen von Drahtbruch zwischen den IC-Eingängen und den angeschlossenen Sensoren oder Schaltern. Da die Systemanforderungen variieren, kann letztendlich der Systementwickler die Erkennungsschwelle für die Drahtbruch-Diagnose individuell konfigurieren. Die Drahtbruch-Erkennung ist kanalfein. Das ist für Anwendungen von Vorteil, welche eine hybride Mischung von Eingängen umfassen, eine Drahtbruch-Erkennung unterstützen und für solche, die dies nicht tun. Wird eine Leitungsunterbrechung erkannt, dann erhält der Mikrocontroller bzw. das Steuerungs-ASIC eine entsprechende Rückmeldung vom digitalen Eingangs-IC. Nachfolgend wird dann der Kanal identifiziert, bei dem die Unterbrechung vorliegt.
Des Weiteren kann der Baustein die Versorgungsspannung auf der Prozess-Seite (Ubb) überwachen und hierbei zwischen drei Zuständen unterscheiden: Das IC signalisiert, wenn Ubb größer als 16 V ist - dies entspricht dem Normalbetrieb. Fällt Ubb unter 16 V, liegt aber noch über 13 V, so wird eine so genannte Vorwarnstufe (Ubb undervoltage) erreicht und an den Mikrocontroller bzw. das System-ASIC übermittelt; das IC arbeitet in diesem Bereich immer noch sicher. Systementwickler können diese Vorwarnung dazu nutzen, um z.B. den Betriebsmodus zu ändern, oder aber auch dafür, das System sicher und kontrolliert abzuschalten. Fällt Ubb in den Bereich von 13 V bis 9 V, arbeitet der Chip zwar immer noch, aber die auf der Prozess-Seite gesammelten Daten sind ungültig. In diesem Fall erfolgt eine entsprechende Warn-Rückmeldung (Ubb missing voltage).
Sowohl der ISO1I811T als auch der ISO1I813T sind mit einem Error-Pin ausgestattet, der die Meldung „Ubb missing voltage” anzeigt. Unterschiede gibt es aber bei den Trigger-Niveaus. Beim ISO1I811T wird der Error-Pin aktiv, wenn Ubb unterhalb der 13-V-Schwelle liegt, während beim ISO1I813T der Error-Pin „Ubb under-voltage“ anzeigt, d.h. wenn Ubb unter 16 V fällt oder - mit anderen Worten - die Vorwarnstufe erreicht ist.
Diese beiden Überwachungsfunktionen (Drahtbruch, Ubb-Monitoring) tragen ganz wesentlich zu einer verbesserten Wartung im industriellen Einsatzfeld bei und helfen somit, kostenintensive System-Stillstandszeiten zu reduzieren.
Flexible Mikrocontroller und ASIC-Schnittstellen
Beide Produktfamilien, Schalter und digitale Eingangs-ICs, unterstützen sowohl parallele als auch serielle Schnittstellen zum Mikrocontroller oder zum Steuerungs-ASIC. Die parallele 8-bit-Schnittstelle erlaubt es Entwicklungsingenieuren, bestehende Optokoppler-Lösungen einfach auf Isoface umzurüsten, ohne dabei das Steuerungs-ASIC ändern zu müssen. Das serielle 4-Draht-Interface bietet sich an, wenn der kleinstmögliche Leiterplatten-Bedarf ein wichtiges Design-Kriterium ist. Es kann aber auch dafür genutzt werden, mehrere digitale Schalt- oder Eingangs-ICs in einer Daisy-Chain-Konfiguration miteinander zu verbinden.
Die Schalt-ICs sind mit serieller oder paralleler Schnittstelle verfügbar. Die digitalen Eingangs-Produkte können flexibel für den seriellen oder parallelen Modus konfiguriert werden. Der Baustein bietet als zusätzliche Sicherheitsfunktion optional einen CRC-Check-Modus für die serielle Kommunikation.
Mit den Bausteinen stehen komplette Systemlösungen zur Verfügung. Sie umfassen eine intelligente Mikrocontroller- bzw. ASIC-Schnittstelle, eine robuste galvanische Trennung sowie leistungsfähige High-Side-Schalter und digitale Eingänge mit umfassenden Diagnose-möglichkeiten. Da die galvanische Isolation siliziumbasierend ist, können die Bausteine im Gegensatz zu Optokopplern auch bei Temperaturen von bis zu +135 °C dauerhaft zuverlässig betrieben werden.
Aufgrund der funktionalen Integration reduziert sich die Anzahl der erforderlichen Komponenten für eine Systemlösung. Hieraus resultieren weitere Vorteile für industrielle Steuerungen: Der hohe Integrationsgrad führt zu deutlich höherer Systemstabilität und -zuverlässigkeit. Nicht zuletzt sorgen die Robustheit und die Diagnosefunktionen der Isoface-Produkte für eine erhöhte Systembetriebssicherheit und eine deutlich verbesserte Systemwartbarkeit.
Der Autor:
| Hubert Baierl |
|---|
| studierte Elektrotechnik an der Fachhochschule Augsburg sowie an der Louisiana State University in Baton Rouge, LA, USA (M.S.E.E.). Seinen MBA-Abschluss erwarb er durch sein Studium an der Universität Augsburg und der Katz School of Business in Pittsburgh, PA, USA. Seine berufliche Laufbahn in der Halbleiterindustrie startete er im Bereich Marketing für Mikrocontroller-Produkte. Heute ist er bei Infineon als Business Manager für das Segment applika-tions- und kundenspezifische Lösungen für -Industrieelektronik und Medizintechnik verantwortlich. |
hubert.baierl@infineon.com
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