Historisch gesehen waren und sind industrielle Feldsensoren in vielen Fällen analog. Sie umfassen ein Sensorelement und eine Möglichkeit, die Sensordaten an einen Controller zu übertragen. Die Daten waren unidirektional analog. Dann kamen binäre Sensoren, die ein digitales Ein/Aus-Signal lieferten und ein Sensorelement enthielten: induktiv, kapazitiv, Ultraschall, Lichtschranke usw. mit a Halbleiter Schaltelement. Der Ausgang könnte High-Side-(HS)-Schaltung (PNP) oder Low-Side-(LS)-Schaltung (NPN) oder Gegentakt (PP) sein. Aber die Daten waren immer noch auf die unidirektionale Kommunikation von der Sensor an den Meister, hatte keine Fehlerkontrolle und benötigte dennoch einen Techniker in der Fabrikhalle für Aufgaben wie die manuelle Kalibrierung.
Um den Anforderungen von „Industrie 4.0“, intelligenten Sensoren und rekonfigurierbaren Fabrikhallen gerecht zu werden, war eine bessere Lösung gefragt. Die Lösung ist das IO-Link-Protokoll, ein relativ neuer Standard für Industriesensoren, der einen phänomenalen Wachstumskurs aufweist.
Die IO-Link-Organisation schätzt, dass bis heute über 16 Millionen IO-Link-fähige Knoten im Feld eingesetzt werden. Diese Zahl wächst noch.
Abb. 1: Das schnelle Wachstum des IO-Link-Protokolls (Bild: IO-Link Consortium)
IO-Link ist ein standardisierter Technologie (IEC 61131-9), die regelt, wie Sensoren und Aktoren in industriellen Systemen mit einer Steuerung interagieren. IO-Link ist eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsverbindung mit standardisierten Steckern, Kabeln und Protokollen. Das IO-Link-System ist für den Betrieb innerhalb der branchenüblichen 3-Draht-Sensor- und Aktor-Infrastruktur konzipiert und umfasst einen IO-Link-Master und IO-Link-Geräteprodukte.
Die IO-Link-Kommunikation erfolgt zwischen einem Master und einem Gerät (Sensor oder Aktor). Die Kommunikation ist binär (Halbduplex) und auf 20 m begrenzt, wobei ungeschirmte Kabel verwendet werden. Die Kommunikation erfordert eine 3-Draht-Schnittstelle (L+. C/Q und L-). Der Versorgungsbereich in einem IO-Link-System beträgt 20 V bis 30 V für den Master und 18 bis 30 V für das Gerät (Sensor oder Aktor).
Maxime's IO-Link-Handbuch1 erläutert die Vorteile von IO-Link wie folgt:
„IO-Link ist eine Technologie, die es einem herkömmlichen binären oder analogen Sensor ermöglicht, zu einem intelligenten Sensor zu werden, der nicht mehr nur Daten sammelt, sondern es einem Benutzer ermöglicht, seine Einstellungen basierend auf Echtzeit-Feedback zum Zustand und Status anderer Sensoren aus der Ferne zu ändern change an der Linie sowie den Fertigungsvorgang, den sie durchführen muss. Die IO-Link-Technologie ermöglicht es, Sensoren über eine gemeinsame physikalische Schnittstelle auszutauschen, die einen Protokollstapel und eine IO-Gerätebeschreibungsdatei (IODD) verwendet, um einen konfigurierbaren Sensorport zu aktivieren. Es ist wirklich Plug-and-Play-fähig und bietet gleichzeitig die Möglichkeit, Parameter im laufenden Betrieb neu zu konfigurieren.“
Innerhalb der Werksnetzwerkhierarchie sitzt das IO-Link-Protokoll am Rand, das sind typischerweise Sensoren und Aktoren, wie in . gezeigt Abb.. 2. Oft kommunizieren die Edge-Geräte mit einem Gateway, das das IO-Link-Protokoll in den Feldbus der Wahl übersetzt.
Abb. 2: Das IO-Link-Protokoll dient zur Anbindung von intelligenten Edge-Geräten an das Fabriknetzwerk. (Bild: Maxim Integrated)
Weitere Informationen dazu, wie IO-Link Fertigungsumgebungen der nächsten Generation oder Industrial IoT (wie es manchmal genannt wird) ermöglicht, finden Sie in einem früheren Artikel, der dies detailliert erklärt explains2.
Entwicklung von IO-Link-Sensoren
Industrielle Feldsensoren müssen robust, klein und sehr energieeffizient sein, damit die Wärmeableitung möglichst gering ist. Die meisten IO-Link-Sensoren haben folgende Komponenten:
- Sensorelement mit zugehörigem analogem Frontend (AFE)
- Ein Mikrocontroller, der Daten verarbeitet und im Falle eines IO-Link-Sensors auch den leichten Protokollstack betreibt.
- Ein IO-Link-Transceiver, der die physikalische Schicht darstellt.
- Stromversorgung und in vielen Fällen Schutz (TVS für Überspannung, EFT/Burst, ESD usw.).
Empfohlen
Intelligenz am Fabrikrand: Steigern Sie die Produktivität und verbessern Sie die Kosten
Wärmeableitung (Leistungseffizienz)
Sobald wir die typischen Komponenten verstanden haben, können wir uns ansehen, wie eine hypothetische Sensorleistung budgetiert wird. Sehen Abb.. 3. Alle diese Zahlen sind Schätzungen. Sie zeigen, dass der Stromverbrauch des Transceivers (Endstufe) bei der Budgetierung des gesamten Systemstromverbrauchs eines Sensors eine Rolle spielt.
Beginnen wir ganz links, die eine ältere Generation von IO-Link-Sensoren angibt. Auf diese Weise wird deutlicher, wie technologische Fortschritte beim Mikrocontroller (MCU) und der Endstufe (also dem Transceiver) über die Jahre zur Senkung der Gesamtsystemleistung beigetragen haben.
Ursprüngliche oder IO-Link-Transceiver der ersten Generation verbrauchten 400 mW oder mehr. Die neuesten stromsparenden Maxim IO-Link-Transceiver verbrauchen weniger als 100 mW. Auch die MCUs haben geholfen. Eine ältere MCU verbraucht bis zu 180 mW, aber die neuere MCU mit geringem Stromverbrauch kann auf 50 mW heruntergefahren werden.
Ein hochmoderner IO-Link-Transceiver in Verbindung mit einer Low-Power-MCU kann das gesamte Sensorleistungsbudget im Bereich von 400 mW bis 500 mW halten.
Die Verlustleistung steht in direktem Zusammenhang mit der Wärmeableitung. Je kleiner der Sensor, desto strenger ist die Spezifikation der Verlustleistung. Nach einigen Schätzungen spezifiziert ein gekapselter zylindrischer IO-Link-Sensor mit 8 mm Durchmesser (M8) eine maximale Verlustleistung von 400 mW und ein gekapselter zylindrischer IO-Link-Sensor mit 12 mm Durchmesser (M12) eine maximale Verlustleistung von 600 . mW.
Und die Technik wird immer besser. Einer der neuen IO-Link-Transceiver von Maxim Integrated, der MAX14827A, verbraucht beim Ansteuern einer 70-mA-Last bemerkenswert niedrige 100 mW. Dies wird durch die Optimierung der Technologie erreicht, um einen sehr niedrigen 2.3 Ω (typ.) R . zu liefernON (An-Widerstand).
Abb. 3: Ein hypothetisches IO-Link-Leistungsbudget für industrielle Sensoren. (Bild: Maxim Integrated Products)
Für Sensoren, die einen sehr niedrigen Betriebsstrom verwenden, beispielsweise 3 bis 5 mA, und eine 3.3-V- und/oder 5-V-Versorgung benötigen; die geregelte Leistung kann über ein LDO bezogen werden. Und tatsächlich verfügen die IO-Link-Transceiver von Maxim über ein integriertes LDO. Aber wenn der Strombedarf beispielsweise auf 30 mA ansteigt, wird der LDO bald die dominierende Energie-/Wärmeableitungsquelle im System werden. Zum Vergleich bei 30 mA kann die Leistungsaufnahme eines LDO bis zu 600 mW betragen.
LDO-Leistung @30 mA = (24-3.3) x 30 mA = 621 mW
Im Vergleich dazu ein DC-DC-Buck Konverter Versorgung eines 30 mA Sensors mit 3-V-Ausgang Spannung verbraucht nur 90 mW. Unter der Annahme, dass der Wandler einen Wirkungsgrad von 90 % hat (nur 9 mW Verlustleistung), beträgt die Gesamtleistungsaufnahme nur 90 + 9 = 99 mW 3.
Die neuesten IO-Link-Transceiver von Maxim verfügen über einen hocheffizienten DC-DC Regler wie gezeigt in Abb.. 4.
Abb. 4: Der neueste MAX22513 IO-Link-Transceiver von Maxim enthält einen integrierten hocheffizienten DC-DC-Regler. (Bild: Maxim Integrated Products)
Größe des IO-Link-Sensors
Nach der Wärmeableitung steht bei allen Industriesensoren die Größe im Vordergrund, und das gilt auch für die neuen IO-Link-Sensoren. Der Platz auf der Leiterplatte wird immer wichtiger, da wir zu einem kleineren Formfaktor migrieren.
Abb.. 5 zeigt, dass bei einem Gehäuse mit 12 mm Durchmesser der Transceiver in einem Wafer Level Package (WLP) und der DC-DC nebeneinander auf einer normalen Leiterplatte mit 10.5 mm Breite sitzen können. Auf derselben Seite ist noch Platz für Vias und Drähte. Bei einem Sensorgehäuse von 6 mm beträgt die Leiterplattenbreite nur 4.5 mm. Dann müssen die Chips auch bei kleinen WLP-Packages auf beiden Seiten der Leiterplatte montiert werden.
Abb. 5: Größe ist ein weiteres großes Thema bei den neuesten IO-Link-Sensordesigns. (Bild: Maxim Integrated Products)
Um diese Größen zu ermöglichen, muss der Transceiver in einem WLP verfügbar sein, das die kleinste Größe zulässt. Diese Größenbeschränkung ist auch einer der Gründe, warum wir wie zuvor gezeigt einen DC-DC in unseren neuesten IO-Link-Transceiver integriert haben.
Die meisten Industriesensoren müssen jedoch auch für den Betrieb in einer rauen Umgebung ausgelegt sein, was bedeutet, dass sie Schutzschaltungen wie TVS-Dioden enthalten müssen, die in . nicht gezeigt sind Abb.. 5. Hier ist es wichtig, auf die absolute Höchstleistungs-Angabe der IO-Link-Transceiver zu achten.
Lassen Sie es uns genauer erklären: Warum reduzieren die absoluten Höchstwerte von 65 V auf den IOs die Größe des Sensor-Subsystems? Normalerweise muss der Sensor Stoßimpulse zwischen den 4 Pins überstehen: GND, C/Q, DI und DO. Die IO-Link-Transceiver von Maxim haben eine Spezifikation von 65 V absoluten Höchstwerten. Nehmen wir als Beispiel einen 1 KV bei 24 V Stoß zwischen C/Q und GND.
Spannung zwischen C/Q und GND = TVS-Klemmspannung + TVS-Durchlassspannung
Mit der höheren absoluten maximalen Nennleistung kann der Entwickler eine kleine TVS-Diode wie die SMAJ33 verwenden, deren Klemmspannung 60 V bei 24 A und die TVS-Durchlassspannung 1 V bei 24 A beträgt.
Spannung zwischen C/Q und GND = 61V
Dieser obige Wert liegt innerhalb der absoluten maximalen Nennleistungsspezifikation des Maxim-Transceivers.
Wenn jedoch die absolute maximale Nennleistung niedriger ist, liegt sie in der Regel in der Industrie bei etwa 45 V, dann ist eine viel größere TVS-Diode wie die SMCJ33 erforderlich, um die Spannung auf ein akzeptables Niveau zu senken. Diese Diode ist mehr als dreimal so groß wie die für den Maxim-Transceiver erforderliche.
Der Einfluss einer größeren TVS-Diode auf die Größe des gesamten Sensordesigns ist signifikant, wenn die absolute maximale Nennleistung des Transceivers niedriger ist. Tabelle 1 zeigt einen geschätzten Unterschied im PCB-Bereich. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Sensor einem Hochspannungsstoß von ±1 KV/24 A standhalten muss.
Tabelle 1: Vorteile einer absoluten Höchstleistung von 65 V in Bezug auf die Sensorgröße (Bild: Maxim Integrated Products)
Die nächste Generation von IO-Link-Transceivern hat dies noch verbessert. Die neueren IO-Link-Transceiver von Maxim verfügen jetzt über einen integrierten Schutz an den Pins der IO-Link-Leitungsschnittstelle (V24, C/Q, DI und GND). Alle Pins verfügen über einen integrierten ±1.2 kV/500 Ω Überspannungsschutz. Darüber hinaus sind alle Pins auch verpolungssicher, kurzschlussfest und Hot-Plug-geschützt.
Trotz aller integrierten Schutzfunktionen sowie des integrierten DC-DC-Abwärtsreglers sind diese Geräte in einem winzigen WLP-Gehäuse (4.1 x 2.1 mm) erhältlich; ermöglicht ein kleines IO-Link-Sensordesign.
Fazit
Die IO-Link-Transceiver-Technologie der ersten Generation wurde in benutzerfreundlichen TQFN-Gehäusen mit integrierten LDOs geliefert, die die Anforderungen eines kleinen Sensordesigns erfüllen. Angesichts der Überlegungen zu Leistung und Größe optimierte die Transceiver-Technologie der zweiten Generation den Stromverbrauch, indem sie zu einer Technologie wechselte, die uns einen niedrigeren R . ermöglichteON zur weiteren Reduzierung des Stromverbrauchs und wurden in noch kleineren WLP-Paketen angeboten.
Die neueste Generation von Transceivern erkennt die Notwendigkeit, sowohl den Schutz als auch einen hocheffizienten DC-DC-Abwärtsregler zu integrieren, um die Größe und die Wärmeableitung des Sensor-Subsystems weiter zu reduzieren. Abb.. 6 zeigt eine Weiterentwicklung der IO-Link-Transceiver-Technologie von Maxim Integrated auf hohem Niveau.
Abb. 6: Fortschritt der IO-Link-Transceiver-Technologie (Bild: Maxim Integrated Products)
Da die IO-Link-Technologie in noch mehr industriellen Sensoren eingesetzt wird, sind diese Gerätespezifikationen der Schlüssel zur Implementierung kleiner, robuster und energieeffizienter Sensoren.
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
über Maxim IntegratedMaxim Integrated Produkte