تنفيذ مستشعرات المجال الصناعي الصغيرة الموفرة للطاقة باستخدام IO-Link

تاريخيا ، كانت مستشعرات المجال الصناعي ولا تزال في كثير من الحالات تناظرية. وهي تشمل عنصر استشعار وطريقة ما لإيصال بيانات الاستشعار إلى وحدة تحكم. كانت البيانات تناظرية أحادية الاتجاه. ثم جاءت أجهزة الاستشعار الثنائية ، التي قدمت إشارة تشغيل / إيقاف رقمية ، وتضمنت عنصر استشعار: حثي ، سعوي ، فوق صوتي ، كهروضوئي ، إلخ. أشباه الموصلات عنصر التبديل. يمكن أن يكون الإخراج عبارة عن تبديل عالي الجانب (HS) (PNP) أو تبديل الجانب المنخفض (LS) (NPN) أو دفع سحب (PP). لكن البيانات لا تزال مقتصرة على الاتصال أحادي الاتجاه من مدخل بطاقة الذاكرة : نعم إلى السيد ، لم يكن لديه تحكم في الأخطاء ، ولا يزال بحاجة إلى فني في أرض المصنع للقيام بمهام مثل المعايرة اليدوية.

كانت هناك حاجة إلى حل أفضل لتلبية متطلبات "الصناعة 4.0" ، وأجهزة الاستشعار الذكية ، وأرضيات المصنع القابلة لإعادة التشكيل. الحل هو بروتوكول IO-Link ، وهو معيار جديد نسبيًا لأجهزة الاستشعار الصناعية الذي يُظهر مسار نمو هائل.

تقدر منظمة IO Link أنه يتم استخدام أكثر من 16 مليون عقدة تم تمكين IO-Link في هذا المجال حتى الآن. هذا الرقم لا يزال في تزايد.

IO-Link موحد التكنلوجيا (IEC 61131-9) الذي ينظم كيفية تفاعل أجهزة الاستشعار والمحركات في الأنظمة الصناعية مع وحدة التحكم. IO-Link هو رابط اتصال من نقطة إلى نقطة مع موصلات وكابلات وبروتوكولات موحدة. تم تصميم نظام IO-Link للعمل ضمن البنية التحتية القياسية للمستشعرات والمشغلات ثلاثية الأسلاك ويشتمل على منتجات IO-Link الرئيسية وأجهزة IO-Link.

اتصال IO-Link هو بين رئيسي واحد وجهاز واحد (جهاز استشعار أو مشغل). الاتصال ثنائي (نصف مزدوج) ويقتصر على 20 مترًا ، باستخدام كبلات غير محمية. يتطلب الاتصال واجهة ثلاثية الأسلاك (L +. C / Q و L-). نطاق الإمداد في نظام IO-Link هو 3 فولت إلى 20 فولت للسيد و 30 إلى 18 فولت للجهاز (جهاز استشعار أو مشغل).

حكمةكتيب IO-Link الخاص بـ¹ يوضح مزايا IO-Link على النحو التالي:

"IO-Link هي تقنية تمكّن المستشعر الثنائي أو التناظري التقليدي من أن يصبح مستشعرًا ذكيًا لم يعد يجمع البيانات فحسب ، بل يسمح للمستخدم بتغيير إعداداته عن بُعد استنادًا إلى التعليقات في الوقت الفعلي التي يتم الحصول عليها بشأن صحة وحالة أجهزة الاستشعار الأخرى على الخط ، بالإضافة إلى عملية التصنيع التي يتعين القيام بها. تمكّن تقنية IO-Link المستشعرات من أن تصبح قابلة للتبديل من خلال واجهة فعلية شائعة تستخدم مكدس بروتوكول وملف IO Device Description (IODD) لتمكين منفذ مستشعر قابل للتكوين. إنه حقًا جاهز للتوصيل والتشغيل مع توفير القدرة على إعادة تكوين المعلمات أثناء التنقل. "

ضمن التسلسل الهرمي لشبكة المصنع ، يوجد بروتوكول IO-Link على الحافة ، والتي تكون عادةً أجهزة استشعار ومشغلات كما هو موضح في التين 2. في كثير من الأحيان ، تتصل الأجهزة الطرفية ببوابة تترجم بروتوكول IO-Link إلى ناقل المجال المفضل.

لمزيد من المعلومات حول كيفية تمكين IO-Link لبيئات التصنيع من الجيل التالي أو إنترنت الأشياء الصناعي (كما يطلق عليه أحيانًا) ، راجع مقالة سابقة تشرح هذا بالتفصيل².

تصميم مجسات IO-Link

يجب أن تكون مستشعرات المجال الصناعي متينة وصغيرة وذات كفاءة عالية في استخدام الطاقة بحيث يتم تقليل تبديد الحرارة إلى الحد الأدنى. تحتوي معظم مستشعرات IO-Link على المكونات التالية:

• عنصر الاستشعار مع الواجهة الأمامية التناظرية المرتبطة (AFE)
• يعمل المتحكم الدقيق الذي يعالج البيانات ، وفي حالة مستشعر IO-Link ، أيضًا على تشغيل مكدس البروتوكول خفيف الوزن.
• جهاز الإرسال والاستقبال IO-Link الذي يمثل الطبقة المادية.
• مزود الطاقة والحماية في كثير من الحالات (TVS من أجل زيادة التيار ، والتحويل الإلكتروني / الاندفاع ، و ESD ، إلخ).

---

منتجات ينصح بها
ذكاء على حافة المصنع: زيادة الإنتاجية وتحسين التكاليف

---

تبديد الحرارة (كفاءة الطاقة)

بمجرد أن نفهم المكونات النموذجية ، يمكننا النظر في كيفية تخصيص قوة المستشعر الافتراضية في الميزانية. يرى التين 3. كل هذه الأرقام هي تقديرات. لقد أظهروا أن استهلاك الطاقة لجهاز الإرسال والاستقبال (مرحلة الإخراج) مهم عند وضع الميزانية لإجمالي استهلاك طاقة النظام لجهاز الاستشعار.

لنبدأ من أقصى الجانب الأيسر ، والذي يحدد الجيل الأقدم من مستشعر IO-Link. وبهذه الطريقة يصبح من الواضح كيف ساهم التقدم التكنولوجي في الميكروكونترولر (MCU) ومرحلة الإخراج (أي جهاز الإرسال والاستقبال) في خفض إجمالي طاقة النظام على مر السنين.

استهلكت أجهزة الإرسال والاستقبال الأصلية أو من الجيل الأول IO-Link 400 ميغاواط أو أعلى. تستهلك أحدث أجهزة نشوي Maxim IO-Link منخفضة الطاقة أقل من 100 ميغاواط. أيضًا ، ساعدت MCUs. تستهلك وحدة MCU القديمة ما يصل إلى 180 ميجاوات ، ولكن يمكن أن تنخفض وحدة MCU الأحدث منخفضة الطاقة إلى 50 ميجاوات.

يمكن لجهاز الإرسال والاستقبال المتطور IO إلى جانب وحدة MCU منخفضة الطاقة الحفاظ على إجمالي ميزانية طاقة المستشعر في نطاق 400 ميجاوات إلى 500 ميجاوات.

يرتبط تبديد الطاقة بشكل مباشر بتبديد الحرارة. كلما كان المستشعر أصغر كلما زادت صرامة مواصفات تبديد الطاقة. وفقًا لبعض التقديرات ، سيحدد مستشعر IO-Link الأسطواني المغلق بقطر 8 مم (M8) حدًا أقصى لتبديد الطاقة يبلغ 400 ميجاوات وسيحدد مستشعر IO-Link الأسطواني بقطر 12 مم (M12) أقصى تبديد للطاقة يبلغ 600 ميغاواط.

وتستمر التكنولوجيا في التحسن. واحد من أجهزة الإرسال والاستقبال IO-Link الجديدة من Maxim Integrated ، MAX14827A ، يبدد 70 ميجاوات منخفضة بشكل ملحوظ عند قيادة حمولة 100 مللي أمبير. يتم تحقيق ذلك من خلال تحسين التكنولوجيا لتقديم مستوى منخفض جدًا يبلغ 2.3 Ω (نوع) R_ON (على المقاومة).

بالنسبة لأجهزة الاستشعار التي تستخدم تيار تشغيل منخفض للغاية ، قل من 3 إلى 5 مللي أمبير ، وتتطلب 3.3-V و / أو مصدر 5-V ؛ يمكن الحصول على الطاقة المنظمة عبر LDO. وبالفعل ، تضمنت أجهزة الإرسال والاستقبال IO-Link من Maxim LDO مدمجًا. ولكن مع زيادة الطلب الحالي إلى 30 مللي أمبير ، سيصبح LDO قريبًا المصدر المهيمن لتبديد الطاقة / الحرارة في النظام. للمقارنة عند 30 مللي أمبير ، يمكن أن يصل استهلاك الطاقة لـ LDO إلى 600 ميجاوات.

طاقة LDO @ 30 مللي أمبير = (24-3.3) × 30 مللي أمبير = 621 ميجاوات

في المقارنة ، باك DC-DC محول تزويد مستشعر 30 مللي أمبير بإخراج 3 فولت الجهد االكهربى سيتبدد 90 ميغاواط فقط. بافتراض أن المحول فعال بنسبة 90٪ (فقط 9 ميجاوات من فقدان الطاقة) ، فإن إجمالي استهلاك الطاقة هو 90 + 9 = 99 ميجاوات فقط ³.

لقد قامت أحدث أجهزة الإرسال والاستقبال IO-Link من Maxim بدمج DC-DC عالي الكفاءة منظم كما هو موضح في التين 4.

حجم مستشعر IO-Link

بعد تبديد الحرارة ، يعد الحجم هو الشاغل الأكبر التالي لجميع المستشعرات الصناعية ، وينطبق أيضًا على مستشعرات IO-Link الجديدة. تصبح مساحة اللوحة عالية بشكل متزايد مع انتقالنا إلى عامل شكل أصغر.

التين 5 يوضح أنه بالنسبة لمبيت بقطر 12 مم ، يمكن لجهاز الإرسال والاستقبال في حزمة مستوى الرقاقة (WLP) و DC-DC الجلوس جنبًا إلى جنب على ثنائي الفينيل متعدد الكلور العادي الذي يبلغ عرضه 10.5 ملم. لا يزال هناك مجال للفتحات والأسلاك على نفس الجانب. إذا كان غلاف المستشعر 6 مم ، فإن عرض PCB ينخفض ​​إلى 4.5 مم. ثم يجب تركيب الرقائق على جانبي ثنائي الفينيل متعدد الكلور حتى مع حزم WLP الصغيرة.

لتمكين هذه الأحجام ، يجب أن يكون جهاز الإرسال والاستقبال متاحًا في WLP يسمح بالحجم الأصغر. يعد تحديد الحجم هذا أيضًا أحد الأسباب التي دفعتنا إلى دمج DC-DC داخل أحدث جهاز إرسال واستقبال IO-Link كما هو موضح من قبل.

ولكن يجب أيضًا تصميم معظم المستشعرات الصناعية للعمل في بيئة وعرة ، مما يعني أنه يجب عليها دمج دوائر الحماية مثل صمامات TVS الثنائية ، والتي لا تظهر في التين 5. هذا هو المكان الذي من المهم فيه الانتباه إلى مواصفات التصنيف القصوى المطلقة لأجهزة الإرسال والاستقبال IO-Link.

دعنا نوضح: لماذا تقلل التصنيفات القصوى المطلقة البالغة 65 فولت على IOs من حجم نظام الاستشعار الفرعي؟ عادة ، يحتاج المستشعر إلى الصمود في وجه نبضات الاندفاع بين 4 دبابيس: GND و C / Q و DI و DO. تتمتع أجهزة الإرسال والاستقبال IO-Link من Maxim بمواصفات تصل إلى 65 فولت كحد أقصى مطلق. إذا أخذنا مثالاً على 1 KV عند 24 V اندفاع بين C / Q و GND.

الجهد بين C / Q و GND = جهد المشبك TVS + الجهد الأمامي TVS

مع أعلى مواصفات التصنيف القصوى المطلقة ، يمكن للمصمم استخدام الصمام الثنائي TVS الصغير مثل SMAJ33 الذي يبلغ جهده المشبك 60 فولت عند 24 أمبير والجهد الأمامي لـ TVS هو 1 فولت عند 24 أمبير.

الجهد بين C / Q و GND = 61V

هذه القيمة أعلاه هي ضمن مواصفات التصنيف القصوى المطلقة لجهاز الإرسال والاستقبال Maxim.

ومع ذلك ، إذا كانت مواصفات التصنيف القصوى المطلقة أقل ، فعادةً ما تكون في الصناعة حوالي 45 فولت ، فإن الصمام الثنائي TVS الأكبر مثل SMCJ33 مطلوب لضغط الجهد إلى مستوى مقبول. هذا الصمام الثنائي أكبر من 3 × الحجم المطلوب لجهاز الإرسال والاستقبال Maxim.

يكون تأثير حجم الصمام الثنائي TVS الأكبر في تصميم المستشعر العام كبيرًا إذا كانت مواصفات التصنيف القصوى المطلقة لجهاز الإرسال والاستقبال أقل. الجدول 1 يظهر الفرق المقدر في منطقة ثنائي الفينيل متعدد الكلور. الافتراض هنا هو أن المستشعر يجب أن يكون قادرًا على تحمل زيادة عالية المستوى تبلغ ± 1 KV / 24 A.

لقد تحسن الجيل التالي من أجهزة الإرسال والاستقبال IO-Link على هذا. تتميز أجهزة الإرسال والاستقبال الأحدث IO-Link من Maxim الآن بحماية متكاملة على دبابيس واجهة خط IO-Link (V24 و C / Q و DI و GND). تتميز جميع المسامير بحماية مدمجة تبلغ ± 1.2 كيلو فولت / 500 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن جميع المسامير محمية أيضًا بالجهد العكسي ومحمية ضد الدائرة القصيرة ومحمية من المكونات الساخنة.

حتى مع جميع ميزات الحماية المتكاملة بالإضافة إلى منظم باك المدمج DC-DC ، فإن هذه الأجهزة متوفرة في حزمة WLP صغيرة (4.1 × 2.1 مم) ؛ تمكين تصميم مستشعر IO-Link صغير.

وفي الختام

جاء الجيل الأول من تقنية جهاز الإرسال والاستقبال IO-Link في حزم TQFN سهلة الاستخدام مع LDO مدمج يلبي احتياجات تصميم مستشعر صغير. مع تزايد اعتبارات القوة والحجم ، عملت تقنية جهاز الإرسال والاستقبال من الجيل الثاني على تحسين استهلاك الطاقة من خلال الانتقال إلى تقنية أعطتنا R أقل_ON لتقليل استهلاك الطاقة بشكل أكبر وتم توفيرها في حزم WLP أصغر.

يدرك الجيل الأحدث من أجهزة الإرسال والاستقبال الحاجة إلى دمج كل من الحماية ومنظم باك عالي الكفاءة DC-DC لتقليل حجم وتبديد الحرارة لنظام الاستشعار الفرعي. التين 6 يُظهر تقدمًا عالي المستوى لتقنية جهاز الإرسال والاستقبال IO-Link من Maxim Integrated.

نظرًا لنشر تقنية IO-Link في المزيد من المستشعرات الصناعية ، تعد مواصفات الجهاز هذه أساسية لتنفيذ مستشعرات صغيرة ومتينة وموفرة للطاقة.  

¹ https://www.maximintegrated.com/content/dam/files/design/technical-documents/handbooks/io-link-handbook.pdf

² https://www.eletimes.com/io-link-enables-industrial-iot

³ https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/app-notes/6/6908.html

حول منتجات Maxim IntegratedMaxim المتكاملة