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Zusatzlösungen für Computer Boards von Toradex für die Steuerung von Prozessen in anspruchsvollen Umgebungen

Montag, 15. Februar 2021
isurki

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Die Steuerung und Überwachung von industriellen Prozessen ist eine der anspruchsvolleren Szenarien für die Elektronik, speziell in Umgebungen mit rauen Bedingungen, wie zum Beispiel in der Schwerindustrie oder im Militärbereich oder bei der Stromherstellung und -verteilung. Diese Umgebungen können durch viele verschiedene Phänomene einen grossen Einfluss auf die Elektronik ausüben. Dazu gehören unter anderem elektrostatische Entladungen (ESD) oder Einkopplungen in Übertragungsleitungen und Sensoren durch externe elektrische Felder.

Diese Probleme werden meist durch elektrische Antriebe verursacht, die in der Industrie bei vielen verschiedenen Prozessen zum Einsatz kommen. Dabei können durch sogenannte Soft-Starter oder Frequenzumrichter harmonische Schwingungen und Störungen entstehen, die der normalen AC-Stromversorgung überlagert werden. Eine weitere Störungsquelle sind transiente Vorgänge durch das Ein- und Ausschalten von Geräten. Dabei können signifikante Spikes in den Übertragungsleitungen entstehen. Beide Fälle können das Noise-Level bei den Sensoren in den Übertragungssystemen erheblich steigern, was zu unerwünschten Störungen in den Sensor-Daten führt.

Diese Probleme treten übelicherweise in industriellen Anlagen auf, bei denen induktive Lasten sowie hunderte von Sensoren und Detektoren von einer Steuerung, basierend auf Microcontrollern, gehandhabt werden müssen. Davon können auch Prozesse in isolierten Einrichtungen betroffen sein, wie zum Beispiel bei Wind- und Solaranlagen, Wasserkraftwerken, Netze zur Überwachung der Atmosphäre und Umweltverschmutzung oder bei Landwirtschaftseinrichtungen.

In den genannten Situationen sind elektrische Übertragungsleitungen eine gefährliche Quelle von Überspannungen durch Hochspannungstransienten, die die Steuergeräte trotz der Verwendung von Überspannungsschutzgeräten stark beschädigen können. Zudem können Blitzeinschläge auch die robustesten elektronischen Steuerungen und Schutzgeräte an die Grenzen bringen, falls die lokale Stromversorgung nicht bestimmte empfohlene Minimalwerte erfüllt. Oftmals benötigen diese isolierten Einrichtungen zudem eine autonome Kommunikationsinfrastruktur mit Antennen, welche besonders anfällig für atmosphärische Entladungen sind.

Wenn Steuerungen in Kombination mit dem System on Module in diesen rauen Umgebungen eingesetzt werden, muss eine robuste Lösung dafür sorgen, dass die empfindliche Elektronik (Prozessoren, Speichermodule und Signalverarbeitungseinheiten) vor den oben genannten Phänomenen gut geschützt ist. Zusätzlich wird ein Interface Board benötigt, um die elektrischen Werte von industriellen Feldsensoren und Aktuatoren an die interne Elektronik weiterzuleiten. Die weltweit meist verbreiteten elektrischen Signalbereiche sind im folgenden Abschnitt kurz zusammengefasst.

  • Detektoren, die an die GPIOs des Prozessors als digitale Eingänge mit positiver Spannung (normalerweise 12 oder 24 V DC) oder Ground-Potential (0 V) angeschlossen sind.
  • Antriebe, Aktuatoren, Schütze, und Magnetspulen, die an die GPIOs des Prozessors als digitale Ausgänge mit positiver Spannung von 12 oder 24 V DC angeschlossen sind und den benötigten Einschaltstrom liefern.
  • Sensoren, die an die ADCs des Prozessors als analoge Eingänge angeschlossen sind: "Current Loop" mit 4 bis 20 mA, aktiv oder passiv, 0 bis 10 V DC.
  • Frequenzumrichter und Sollwert-gesteuerte Controller, die an die DACs des Prozessors als analoge Ausgänge angeschlossen sind mit denselben Werten wie bei den analogen Eingängen oben.

Aus diesem Grund ist ein robustes und langlebiges Interface die einzig richtige Lösung, um die Zuverlässigkeit des gesamten Embedded Systems sicherzustellen.

Mit Blick auf diese Herausforderung hat ISURKI das sogenannte TESDA-Board entwickelt, eine industrielle Lösung mit digitalen und analogen Ein- und Ausgängen für die Computermodule der Familien Colibri und Apalis von Toradex. Das TESDA Hybrid Input/Output Board von ISURKI ermöglicht den Computermodulen Colibri und Apalis mit den oben genannten Geräten zu interagieren. Es wurde explizit für den Einsatz in rauen Umgebungen entwickelt.

Das TESDA Board verfügt über eine 1.4 kV Opto-Isolation bei allen Eingängen und bietet so einen robusten Schutz gegen anspruchsvolle elektrische Vorgänge wie zum Beispiel Überspannungen und Interferenzen.  Weiter verfügt das Board über eine 12 V Spannungsversorgung für Detektoren und Sensoren. Alle digitalen Eingänge und Ausgänge sind mit einem LED-Indikator ausgestattet. Die Version 1.2 des Boards verfügt zusätzlich über ein 2 A Halbleiter-Relay für eine unbegrenzte Lebensdauer.

Das TESDA Board kommuniziert direkt mit den Carrier Boards Iris und Ixora von Toradex mittels dem 40-Pin Erweiterungsstecker. Zudem bietet es eine mechanische Befestigungsmöglichkeit für das Ixora Carrier Board und agiert so eigentlich als zusätzliches Carrier Board. Da die Spannungsversorgung direkt vom Carrier Board geliefert wird, sind keine weiteren Verbindungen oder externen Anschlüsse notwendig.

Weitere technische Spezifikationen dieses Boards sind:
  • 4 digitale Eingänge für spannungsfreie Kontakte (dry) oder passvie Detektoren (z.B Distanz-Induktivitätssensoren) mit integrierter 12 V Spannungsversorgung
  • 4 konfigurierbare digitale Pin-to-Pin Ein-/Ausgänge. Digitale Ausgänge sind mit Halbleiterrelays mit 1 SPDT und 2 A Schaltstrom realisiert
  • 4 analoge Eingänge mit 4–20 mA (current loop), individuell konfigurierbar als aktive oder passive Signale, inklusive 12 V DC Spannungsversorgung
  • Interface mit CPU: 2 × 20-Pin Headers (–X1), 100% kompatibel mit dem System on Module (SoM) der Familien Colibri und Apalis von Toradex
  • Zusätzliche Verbindungsmöglichkeiten: Unabhängige und abnehmbare 12-pin Wago Antennenanschlüsse (inklusive)
  • LEDs: 12 V DC Spannungsversorgung, DIs und DOs
TESDA Board
Einsatzbereite industrielle Computer basierend auf Toradex und TESDA

ISURKI bietet zudem ein Plug-and-Play Gehäuse, welches auf eine DIN-Schiene montiert werden kann. Damit ist der Aufbau komplett: Ein SoM, ein Iris Carrier Board, ein TESDA Board und alles zusammen untergebracht im IRIS BOX PC (siehe Illustration).

IRIS Box PC
IRIS Box PC - Up, Down, Front view
TESDA Board Architecture

Hintergrund und Support

Das TESDA Board wurde vollständig von ISURKI geplant und hergestellt. Auch der anschliessende Support mit einer Hotline, verfügbar dank dem IRIS BOX PC Assistence Service, wird von ISURKI angeboten.

ISURKI Company Headquarters

ISURKI wurde 1992 gegründet mit dem Ziel, die neusten Technologien im Bereich Computing und Communication im industriellen Sektor anzubieten. Dabei wird der Fokus auf die Verwaltung von Ressourcen und Einrichtungen gelegt, um die Überwachung und Steuerung von Prozessen zu verbessern. Somit identifizieren wir uns als Unternehmen, das sich auf die Entwicklung von Software, Steuerungen und Instrumente spezialisiert hat, mit einem Fokus auf die verschiedensten Bereiche in der Industrie und Umwelt.

Der IRIS BOX PC ist das Resultat unserer gesamten Expertise im Bereich Hardware- und Software-Design. Dies ermöglichte uns die Entwicklung von kostengünstigen industriellen Steuerungen, die auf die spezifischen Anforderungen der Kunden zugeschnitten sind.

Abschliessend bieten wir hochwertigen technischen Support, sowohl vor als auch nach dem Kauf. Zusammen mit unserem technischen Partner Toradex stellen wir sicher, dass Sie mit Ihrer Anwendung auf dem IRIS BOX PC die bestmöglichen Resultate erzielen.

Autor: Iñaki Mutuberria, CEO, ISURKI

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