IO產(chǎn)品電源設(shè)計V1.1

IO產(chǎn)品電源設(shè)計V1.0目錄一、 E-bus、K-bus電源設(shè)計 2二、 Us電源設(shè)計 21. Us電量計算原則 22. Us電路保護 4三、 Up電源設(shè)計 41. Up電量計算原則 42. 保險絲的選擇 43. 電源隔離與獨立 5四、 特殊模塊供電配套端子 51. 電容模塊 62. 防浪涌模塊 6五、 EtherCATP線纜長度計算方法 61. EtherCATP線纜分類 61） 24V線纜 62） 高壓線纜 82. 基本計算原則 91） 影響壓降的兩個因素 92） 24V線纜計算舉例 103. TwinCAT計算工具 11 葉儒崢 2017/11/22E-bus、K-bus電源設(shè)計這兩個參數(shù)是最常見的電流參數(shù)，分別供給EL系列和KL系列的系統(tǒng)電源，即通訊電源。如果此處電量不足時會導(dǎo)致通訊斷開，規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)時的基本規(guī)則就是注意電流限制。以EK1100為例，可以提供5V/2A的E-bus電流，EL1008要消耗90mA。那么理論上可以為連續(xù)的22個EL1008提供E-bus電流，實際上在20個EL1008之后就再增加一塊EL9410為好。注意每個模塊的Ebus耗電量是不一樣的，比如EL2008的耗電量為110mA，在TwinCAT上可以看到模塊的具體耗電情況，如下截圖所示：

圖1對于K-bus耦合器來說，也有類似的電流限制，以BK1120為例，提供1750mA電流。但是在TwinCAT中并不如E-bus一樣直接顯示剩余電量，所以在布置拓撲時需要手動計算具體模塊的耗電量。Us電源設(shè)計Us電量計算原則Us是EtherCAT系統(tǒng)電源，所有使用MII接口的EtherCAT模塊都需要24V系統(tǒng)供電（在Ebus上表現(xiàn)為5V）才能正常工作。此電源的供電模塊有兩類：CX工控機的電源模塊和獨立的耦合器模塊。耦合器模塊，以EK1100為例，其Us供電實際上經(jīng)由內(nèi)部的變壓器轉(zhuǎn)換成了5V/2A的E-Bus供給后續(xù)的EL模塊，所以其拓撲設(shè)計原則與E-bus一致，只需要考慮2A的電流消耗即可。對于EPC的電源模塊，以CX2100為例，需要為CX2000系列控制器提供Us，同時需要給后面的EL模塊提供E-Bus，所以這一系列模塊的電源設(shè)計需要考慮到滿足這兩路的功率消耗。具體案例如下：圖2CX2100-0004提供的最大功率為45W，其本身的功耗為3.5W，而CX2020的最大功耗為15W，再考慮到E-Bus最大功耗為5V*2A=10W。所以總功耗為10W+3.5W+15W=28.5W，小于45W，則可以選用這款電源。如果我們將控制器換成CX2040，可以看到它的功耗為42W，總功耗超出45W，所以需要更換更大功率的電源模塊。圖3圖4Us電路保護為防止短路或者其他原因?qū)е碌碾娏鬟^大燒毀電路，我們需要在供電線路上加裝保險絲以保護模塊。還是以CX2100-0004為例，當使用此模塊作為CX2020的電源時，總的Us輸入功率為28.5W（計算過程見前文）。根據(jù)Us電壓24V進行計算，則正常的輸入電流約為1.18A，我們只需在Us的輸入線路上安裝一個1.2A的保險絲即可。需要注意24V和0V的線路上都需要安裝保險絲。Up電源設(shè)計Up電量計算原則Up是供給外圍執(zhí)行期間的電源，對于EK1100和CX2100來說，能提供的Up為10A。以EL2008為例，每個EL2008通道的輸出電流為0.5A，最大能輸出4A電流，實際的電流還是由負載的需求所決定。假設(shè)負載都是電磁閥，電磁閥的額定電流為50mA，啟動電流為150mA，閥門同時啟動。那么每個EL2008需要輸出的最大電流為1.2A。此種條件下，理論上一個EK1100或者CX2100最多能掛8個EL2008。保險絲的選擇為了保護Up，我們需要在電路中加入保險絲。有兩種選擇：直接選用帶保險絲的電源模塊如EL9200或者在Up電路兩端外接保險絲。對于EL9200來說，這個電源模塊內(nèi)置6.3A的保險絲，所以對外最大能夠提供6.3A的電流。如果選擇外接保險絲，選擇原則是在電流基礎(chǔ)上乘以1.1，如實際電流為2.7A，則選擇2.7*1.1=2.97A，則選擇3A的保險絲即可。0V與PE務(wù)必短接。圖5電源隔離與獨立很多客戶不理解電源隔離的重要性，經(jīng)常在Us和Up上使用同一個電源，這是非常不正確的一種使用方法。對于EtherCAT模塊來說，Us的輸入范圍在20.4~28V之間，超出這個范圍的電壓會導(dǎo)致各種通訊問題。由于Up需要對外輸出功率，如果電流較大的話會導(dǎo)致電壓波動也比較厲害，從而影響通訊。在做項目時務(wù)必將電源獨立和隔離，好處也顯而易見：可以顯著減少各種干擾引起的通訊問題在碰到我們無法解決的問題需要向德國尋求幫助時，可以切實得到有效的信息。（否則德國可能僅僅是以電源未隔離進行回復(fù)）特殊模塊供電配套端子電容模塊在涉及EL7XXX這系列的伺服端子，由于其輸出功率較大（相比于普通的IO模塊），可以再接入電容模塊。以EL9570為例，可與EL7041，EL7342，EL7201，EL7211等配合使用，可以吸收驅(qū)動器產(chǎn)生的額外能量，儲存于電容中，并在需要時反饋給伺服。若電能超出了電容的儲存能力，則可以在外接的純電阻（鎮(zhèn)流器）中消耗掉。接入電容模塊可以對電路有顯著的緩沖效果，并且能夠節(jié)約電能。防浪涌模塊防浪涌模塊不是穩(wěn)壓模塊。他的作用不是把電壓限制在24V。浪涌也叫突波，顧名思義就是超出正常工作電壓的瞬間過電壓。本質(zhì)上講，浪涌是發(fā)生在僅僅幾百萬分之一秒時間內(nèi)的一種劇烈脈沖。含有浪涌阻絕裝置的產(chǎn)品可以有效地吸收突發(fā)的巨大能量，以保護連接設(shè)備免于受損。因為這個脈沖的持續(xù)時間非常短，保險絲不會熔斷，對于浪涌保險絲是沒有保護能力的。那么浪涌模塊會對多高的劇烈脈沖進行吸收呢？39-69V之間，持續(xù)時間在100us-20us。如果這種高壓持續(xù)時間過長，也會損壞防浪涌模塊。因此浪涌模塊也不能替代保險絲的作用。EtherCATP線纜長度計算方法EtherCATP將傳輸供電與網(wǎng)絡(luò)信號集成于同一根線纜中，而兩路獨立的24V供電會附帶3A的電流，由此帶來的壓降會導(dǎo)致線纜長度上限的顯著下降。即兩個站點之間的最大線纜長度遠達不到標準以太網(wǎng)的100米上限。而線纜上限計算遵循“拇指法則”，即經(jīng)驗法則，本文僅給出一個大致的計算方法。EtherCATP線纜分類24V線纜支持兩路24V電源的線纜分為兩類，區(qū)別在于其線纜寬度。不同規(guī)格的線纜寬度適用于不同長度傳輸。此類線纜用于負載不大的耦合器模塊或者端子盒模塊。這兩種線纜都使用M8接頭，但是為防誤差造成安全問題，其接頭上附帶有塑料卡扣，如下圖所示。圖6標準線纜為AWG22/7規(guī)格，訂貨型號為ZB7000，目前有如圖7所示的選擇。此種規(guī)格的線纜可用于相對較長的傳輸距離。超細線纜為AWG24/7規(guī)格，訂貨型號為ZB7001，目前有如圖8所示的選擇。此種規(guī)格線纜建議用于10米以下的較短距離傳輸。圖7圖8高壓線纜對于負載較大的模塊如伺服驅(qū)動器等從站，需要提供高達600V的電壓，也能用EtherCATP技術(shù)實現(xiàn)。具體的實現(xiàn)方式是Us和Up還是由兩路獨立的24V電源耦合到網(wǎng)線中，高壓部分的電源通過同一根線纜中的獨立高壓部分進行傳輸，如下圖所示。如此一來整個工廠都能實現(xiàn)簡潔的單電纜技術(shù)。圖9基本計算原則EtherCATP線纜長度的基礎(chǔ)計算原則是要保證系統(tǒng)電源Us和外圍電源Up位于合理的區(qū)間內(nèi)。對于EtherCAT模塊來說，其合理區(qū)間是20.4V~28.8V，即在此區(qū)間內(nèi)，模塊通訊能夠正常運行。由于輸入電源的上限為28.8V，因此實際上我們要保證的是線纜上的壓降上限低于28.8-20.4=8.4V。影響壓降的兩個因素主要影響線纜壓降的因素是電阻和電流。具體壓降可以參考下圖中的曲線。注意此時的電阻實際上以電纜橫截面積代表。圖1024V線纜計算舉例在進行拓撲規(guī)劃時可以使用下圖幫助進行線纜計算。下圖中縱坐標表示壓降，橫坐標表示線纜長度，水平虛線與斜線段相交處即表示此時的最長傳輸距離。圖11觀察上圖，可以看出在輸入電源為28.8V，電流3A的條件下，使用AWG22規(guī)格的線纜，最長傳輸距離為25米左右（此時壓降達到8.4V）；而如果我們使用2