Históricamente, los sensores de campo industriales eran y siguen siendo en muchos casos analógicos. Incluyen un elemento sensor y alguna forma de llevar los datos del sensor a un controlador. Los datos fueron análogos unidireccionales. Luego vinieron los sensores binarios, que proporcionaban una señal digital de encendido / apagado e incluían un elemento sensor: inductivo, capacitivo, ultrasónico, fotoeléctrico, etc.con un Semiconductores elemento de conmutación. La salida puede ser conmutación de lado alto (HS) (PNP) o conmutación de lado bajo (LS) (NPN) o push-pull (PP). Pero los datos todavía se limitaban a la comunicación unidireccional desde el sensor al maestro, no tenía control de errores y aún requería un técnico en el piso de la fábrica para tareas como la calibración manual.
Se necesitaba una mejor solución para satisfacer las demandas de la “Industria 4.0”, los sensores inteligentes y las plantas de fábrica reconfigurables. La solución es el protocolo IO-Link, un estándar relativamente nuevo para sensores industriales que está mostrando una trayectoria de crecimiento fenomenal.
La organización IO Link estima que hasta la fecha se están utilizando sobre el terreno más de 16 millones de nodos habilitados para IO-Link. Ese número sigue creciendo.
Fig.1: El rápido crecimiento del protocolo IO-Link (Imagen: Consorcio IO-Link)
IO-Link es un estándar la tecnología (IEC 61131-9) que regula cómo los sensores y actuadores en sistemas industriales interactúan con un controlador. IO-Link es un enlace de comunicación punto a punto con conectores, cables y protocolos estandarizados. El sistema IO-Link está diseñado para funcionar dentro de la infraestructura de actuador y sensor de 3 cables estándar de la industria y comprende un maestro IO-Link y productos de dispositivo IO-Link.
La comunicación IO-Link se realiza entre un maestro y un dispositivo (sensor o actuador). La comunicación es binaria (semidúplex) y está limitada a 20 m, utilizando cables sin blindaje. La comunicación requiere una interfaz de 3 cables (L +. C / Q y L-). El rango de suministro en un sistema IO-Link es de 20 V a 30 V para el maestro y de 18 a 30 V para el dispositivo (sensor o actuador).
MáximaManual de IO-Link1 elabora las ventajas de IO-Link de la siguiente manera:
“IO-Link es una tecnología que permite que un sensor binario o analógico tradicional se convierta en un sensor inteligente que ya no solo recopila datos, sino que permite al usuario cambiar de forma remota su configuración en función de la información en tiempo real obtenida sobre la salud y el estado de otros sensores en la línea, así como la operación de fabricación que necesita realizar. La tecnología IO-Link permite que los sensores se vuelvan intercambiables a través de una interfaz física común que utiliza una pila de protocolos y un archivo IO Device Description (IODD) para habilitar un puerto de sensor configurable. Realmente está listo para conectar y usar y, al mismo tiempo, brinda la capacidad de reconfigurar los parámetros sobre la marcha ".
Dentro de la jerarquía de la red de fábrica, el protocolo IO-Link se encuentra en el borde, que normalmente son sensores y actuadores como se muestra en . Muchas veces, los dispositivos de borde se comunican con una puerta de enlace que traduce el protocolo IO-Link al bus de campo elegido.
Fig.2: El protocolo IO-Link se utiliza para conectar dispositivos de borde inteligente a la red de fábrica. (Imagen: Maxim Integrated)
Para obtener más información sobre cómo IO-Link habilita entornos de fabricación de próxima generación o IoT industrial (como a veces se le llama), consulte un artículo anterior que explica esto en detalle.2.
Diseño de sensores IO-Link
Los sensores de campo industriales deben ser resistentes, pequeños y muy eficientes desde el punto de vista energético para que la disipación de calor se mantenga al mínimo. La mayoría de los sensores IO-Link tienen los siguientes componentes:
- Elemento sensor con la interfaz analógica asociada (AFE)
- Un microcontrolador que procesa datos y, en el caso de un sensor IO-Link, también ejecuta la pila de protocolos livianos.
- Un transceptor IO-Link que es la capa física.
- Fuente de alimentación y en muchos casos protección (TVS para sobretensión, EFT / burst, ESD, etc.).
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Disipación de calor (eficiencia energética)
Una vez que entendemos los componentes típicos, podemos ver cómo se presupuesta la potencia de un sensor hipotético. Ver . Todos estos números son estimaciones. Muestran que el consumo de energía del transceptor (etapa de salida) es importante cuando se calcula el consumo de energía total del sistema de un sensor.
Comencemos en el lado más a la izquierda, que especifica una generación anterior de sensor IO-Link. De esa manera, queda más claro cómo los avances tecnológicos en el microcontrolador (MCU) y la etapa de salida (es decir, el transceptor) han contribuido a reducir la potencia total del sistema a lo largo de los años.
Los transceptores IO-Link originales o de primera generación consumían 400 mW o más. Los transceptores Maxim IO-Link de bajo consumo más nuevos consumen menos de 100 mW. Además, las MCU han ayudado. Una MCU heredada consume hasta 180 mW, pero la MCU más nueva de bajo consumo puede bajar a 50 mW.
Un transceptor de enlace IO de última generación junto con una MCU de baja potencia puede mantener el presupuesto total de energía del sensor en el rango de 400 mW a 500 mW.
La disipación de energía está directamente relacionada con la disipación de calor. Cuanto más pequeño sea el sensor, más estricta será la especificación de disipación de potencia. Según algunas estimaciones, un sensor IO-Link cilíndrico cerrado de 8 mm de diámetro (M8) especificará una disipación de potencia máxima de 400 mW y un sensor IO-Link cilíndrico cerrado de 12 mm de diámetro (M12) especificará una disipación de potencia máxima de 600 mW. mW.
Y la tecnología sigue mejorando. Uno de los nuevos transceptores IO-Link de Maxim Integrated, el MAX14827A, disipa unos 70 mW notablemente bajos cuando conduce una carga de 100 mA. Esto se logra optimizando la tecnología para ofrecer una R muy baja de 2.3 Ω (típ.)ON (en resistencia).
Fig. 3: Presupuesto de potencia hipotético de un sensor industrial IO-Link. (Imagen: Maxim Integrated Products)
Para sensores que usan una corriente de operación muy baja, digamos de 3 a 5 mA, y requieren un suministro de 3.3 V y / o 5 V; la energía regulada puede obtenerse a través de un LDO. Y de hecho, los transceptores IO-Link de Maxim han incluido un LDO integrado. Pero a medida que la demanda de corriente aumenta a, digamos, 30 mA, el LDO pronto se convertirá en la fuente dominante de disipación de energía / calor en el sistema. Para comparar a 30 mA, el consumo de energía de un LDO puede llegar a 600 mW.
Potencia LDO a 30 mA = (24-3.3) x 30 mA = 621 mW
En comparación, un dólar DC-DC convertidor suministro de un sensor de 30 mA con una salida de 3 V voltaje disipará solo 90 mW. Suponiendo que el convertidor tiene una eficiencia del 90% (solo 9 mW de pérdida de energía), el consumo total de energía es solo 90 + 9 = 99 mW 3.
Los transceptores IO-Link más nuevos de Maxim han integrado un DC-DC de alta eficiencia organismo regulador como se muestra en .
Fig 4: El transceptor IO-Link MAX22513 más nuevo de Maxim incorpora un regulador CC-CC integrado de alta eficiencia. (Imagen: Maxim Integrated Products)
Tamaño del sensor IO-Link
Después de la disipación de calor, el tamaño es la siguiente gran preocupación para todos los sensores industriales y también se aplica a los nuevos sensores IO-Link. El espacio en la placa se vuelve cada vez más importante a medida que migramos a un factor de forma más pequeño.
muestra que para una carcasa de 12 mm de diámetro, el transceptor en un paquete de nivel de oblea (WLP) y el DC-DC pueden colocarse uno al lado del otro en una PCB normal que tiene un ancho de 10.5 mm. Todavía hay espacio para vías y cables en el mismo lado. Si la carcasa del sensor es de 6 mm, entonces el ancho de la PCB es de 4.5 mm. Luego, los chips deben montarse en ambos lados de la PCB incluso con paquetes pequeños de WLP.
Fig 5: El tamaño es otro gran problema en los diseños de sensores IO-Link más nuevos. (Imagen: Maxim Integrated Products)
Para habilitar estos tamaños, el transceptor debe estar disponible en un WLP que permita el tamaño más pequeño. Esta limitación de tamaño es también una de las razones por las que hemos integrado un DC-DC dentro de nuestro transceptor IO-Link más nuevo como se muestra antes.
Pero la mayoría de los sensores industriales también deben diseñarse para funcionar en un entorno difícil, lo que significa que deben incorporar circuitos de protección como diodos TVS, que no se muestran en . Aquí es donde es importante prestar atención a la especificación de clasificaciones máximas absolutas para los transceptores IO-Link.
Desarrollemos: ¿Por qué las clasificaciones máximas absolutas de 65 V en los IO reducen el tamaño del subsistema del sensor? Normalmente, el sensor necesita sobrevivir a los pulsos de sobretensión entre los 4 pines: GND, C / Q, DI y DO. Los transceptores IO-Link de Maxim tienen una especificación de clasificaciones máximas absolutas de 65 V. Si tomamos un ejemplo de una sobretensión de 1 KV a 24 V entre C / Q y GND.
Voltaje entre C / Q y GND = voltaje de pinza TVS + voltaje directo TVS
Con la especificación de clasificaciones máximas absolutas más altas, el diseñador puede usar un pequeño diodo TVS como el SMAJ33 cuyo voltaje de pinza es de 60 V a 24 A y el voltaje directo de TVS es de 1 V a 24 A.
Voltaje entre C / Q y GND = 61V
Este valor anterior está dentro de la especificación de clasificación máxima absoluta del transceptor Maxim.
Sin embargo, si la especificación de clasificaciones máximas absolutas es más baja, típicamente en la industria es de alrededor de 45 V, entonces se requiere un diodo TVS mucho más grande, como el SMCJ33, para reducir el voltaje a un nivel aceptable. Este diodo tiene más de 3 veces el tamaño del requerido para el transceptor Maxim.
El impacto de tamaño de un diodo TVS más grande en el diseño general del sensor es significativo si la especificación de clasificaciones máximas absolutas del transceptor es menor. Tabla 1 muestra una diferencia estimada en el área de PCB. El supuesto aquí es que el sensor debe poder soportar una sobretensión de alto nivel de ± 1 KV / 24 A.
Tabla 1: Ventajas de una clasificación máxima absoluta de 65 V en el tamaño del sensor (Imagen: Maxim Integrated Products)
La próxima generación de transceptores IO-Link incluso ha mejorado esto. Los transceptores IO-Link más nuevos de Maxim ahora cuentan con una protección integrada en los pines de la interfaz de línea IO-Link (V24, C / Q, DI y GND). Todos los pines cuentan con protección contra sobretensiones integrada de ± 1.2 kV / 500 Ω. Además, todos los pines también están protegidos contra voltaje inverso, protegidos contra cortocircuitos y protegidos contra conexión en caliente.
Incluso con todas las funciones de protección integradas, así como el regulador reductor DC-DC integrado, estos dispositivos están disponibles en un pequeño paquete WLP (4.1 x 2.1 mm); permitiendo un pequeño diseño de sensor IO-Link.
Conclusión
La tecnología de transceptor IO-Link de primera generación venía en paquetes TQFN fáciles de usar con LDO integrados que satisfarían las necesidades de un diseño de sensor pequeño. A medida que aumentaban las consideraciones de potencia y tamaño, la tecnología del transceptor de segunda generación optimizó el consumo de energía al pasar a una tecnología que nos dio una R más baja.ON para reducir aún más el consumo de energía y se pusieron a disposición en paquetes WLP aún más pequeños.
La última generación de transceptores reconoce la necesidad de integrar tanto la protección como un regulador reductor CC-CC de alta eficiencia para reducir aún más el tamaño y la disipación de calor del subsistema del sensor. muestra una progresión de alto nivel de la tecnología de transceptor IO-Link de Maxim Integrated.
Fig.6: Progresión de la tecnología de transceptor IO-Link (Imagen: Maxim Integrated Products)
A medida que la tecnología IO-Link se implementa en aún más sensores industriales, estas especificaciones de dispositivos son clave para implementar sensores pequeños, robustos y energéticamente eficientes.
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
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