Historiquement, les capteurs de terrain industriels étaient et sont encore dans de nombreux cas analogiques. Ils incluent un élément de détection et un moyen de transmettre les données de détection à un contrôleur. Les données étaient analogiques unidirectionnelles. Puis vinrent les capteurs binaires, qui fournissaient un signal numérique marche/arrêt, et incluaient un élément de détection : inductif, capacitif, ultrasonore, photoélectrique, etc. avec un Semi-conducteurs élément de commutation. La sortie peut être une commutation côté haut (HS) (PNP) ou une commutation côté bas (LS) (NPN) ou push-pull (PP). Mais les données étaient encore limitées à la communication unidirectionnelle du capteur au maître, n'avait aucun contrôle d'erreur et avait encore besoin d'un technicien dans l'usine pour des tâches telles que l'étalonnage manuel.
Une meilleure solution était nécessaire pour répondre aux exigences de l'« Industrie 4.0 », des capteurs intelligents et des usines reconfigurables. La solution est le protocole IO-Link, une norme relativement nouvelle pour les capteurs industriels qui affiche une trajectoire de croissance phénoménale.
L'organisation IO Link estime que plus de 16 millions de nœuds compatibles IO-Link sont utilisés sur le terrain à ce jour. Ce nombre continue de croître.
Fig. 1 : Croissance rapide du protocole IO-Link (Image : Consortium IO-Link)
IO-Link est un standardisé sans souci (CEI 61131-9) qui réglemente la manière dont les capteurs et les actionneurs des systèmes industriels interagissent avec un contrôleur. IO-Link est une liaison de communication point à point avec des connecteurs, des câbles et des protocoles standardisés. Le système IO-Link est conçu pour fonctionner au sein de l'infrastructure de capteurs et d'actionneurs à 3 fils standard de l'industrie et comprend un maître IO-Link et des produits de périphérique IO-Link.
La communication IO-Link se fait entre un maître et un appareil (capteur ou actionneur). La communication est binaire (half-duplex) et est limitée à 20 m, en utilisant des câbles non blindés. La communication nécessite une interface à 3 fils (L+. C/Q et L-). La plage d'alimentation dans un système IO-Link est de 20 V à 30 V pour le maître et de 18 à 30 V pour l'appareil (capteur ou actionneur).
maximumle manuel IO-Link de1 développe les avantages IO-Link comme suit :
« IO-Link est une technologie qui permet à un capteur binaire ou analogique traditionnel de devenir un capteur intelligent qui ne se contente plus de collecter des données, mais permet à un utilisateur de modifier à distance ses paramètres en fonction des informations en temps réel obtenues sur la santé et l'état d'autres capteurs. sur la ligne, ainsi que l'opération de fabrication qu'elle doit effectuer. La technologie IO-Link permet aux capteurs de devenir interchangeables via une interface physique commune qui utilise une pile de protocoles et un fichier IO Device Description (IODD) pour activer un port de capteur configurable. Il est vraiment prêt à l'emploi tout en offrant la possibilité de reconfigurer les paramètres à la volée.
Dans la hiérarchie du réseau d'usine, le protocole IO-Link se situe à la périphérie, qui sont généralement des capteurs et des actionneurs, comme indiqué dans Fig. 2. Souvent, les périphériques de périphérie communiquent avec une passerelle qui traduit le protocole IO-Link en bus de terrain de choix.
Fig. 2 : Le protocole IO-Link est utilisé pour connecter des appareils de périphérie intelligents au réseau de l'usine. (Image : Maxim intégré)
Pour plus d'informations sur la façon dont IO-Link active les environnements de fabrication de nouvelle génération ou l'IoT industriel (comme on l'appelle parfois), reportez-vous à un article précédent qui explique cela en détail2.
Conception de capteurs IO-Link
Les capteurs de terrain industriels doivent être robustes, petits et très économes en énergie afin que la dissipation de chaleur soit réduite au minimum. La plupart des capteurs IO-Link ont les composants suivants :
- Élément de détection avec le frontal analogique associé (AFE)
- Un microcontrôleur qui traite les données et, dans le cas d'un capteur IO-Link, exécute également la pile de protocoles légère.
- Un émetteur-récepteur IO-Link qui est la couche physique.
- Alimentation et protection dans de nombreux cas (TVS pour surtension, EFT/burst, ESD, etc.).
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Dissipation thermique (efficacité énergétique)
Une fois que nous comprenons les composants typiques, nous pouvons examiner comment une puissance de capteur hypothétique est budgétisée. Voir Fig. 3. Tous ces chiffres sont des estimations. Ils montrent que la consommation électrique de l'émetteur-récepteur (étage de sortie) est importante lors de la budgétisation de la consommation électrique totale du système d'un capteur.
Commençons par le côté le plus à gauche, qui spécifie une ancienne génération de capteur IO-Link. De cette façon, il devient plus clair comment les progrès technologiques dans le microcontrôleur (MCU) et l'étage de sortie (c'est-à-dire l'émetteur-récepteur) ont contribué à la baisse de la puissance totale du système au fil des ans.
Les émetteurs-récepteurs IO-Link d'origine ou de première génération consommaient 400 mW ou plus. Les derniers émetteurs-récepteurs Maxim IO-Link à faible consommation consomment moins de 100 mW. De plus, les MCU ont aidé. Un MCU hérité consomme jusqu'à 180 mW, mais le nouveau MCU basse consommation peut descendre à 50 mW.
Un émetteur-récepteur de liaison IO de pointe couplé à un MCU à faible consommation peut maintenir le budget de puissance total du capteur dans la plage de 400 mW à 500 mW.
La dissipation de puissance est directement liée à la dissipation thermique. Plus le capteur est petit, plus la spécification de dissipation de puissance est stricte. Selon certaines estimations, un capteur IO-Link cylindrique fermé de 8 mm de diamètre (M8) spécifiera une dissipation de puissance maximale de 400 mW et un capteur IO-Link cylindrique fermé de 12 mm de diamètre (M12) spécifiera une dissipation de puissance maximale de 600 mW.
Et la technologie ne cesse de s'améliorer. L'un des nouveaux émetteurs-récepteurs IO-Link de Maxim Integrated, le MAX14827A, dissipe une puissance remarquablement faible de 70 mW lors de la commande d'une charge de 100 mA. Ceci est réalisé en optimisant la technologie pour fournir un très faible 2.3 Ω (typ.) RON (sur résistance).
Fig. 3 : Un bilan de puissance hypothétique du capteur industriel IO-Link. (Image : Produits intégrés Maxim)
Pour les capteurs qui utilisent un courant de fonctionnement très faible, disons 3 à 5 mA, et nécessitent une alimentation de 3.3 V et/ou de 5 V ; la puissance régulée peut provenir d'un LDO. Et en effet, les émetteurs-récepteurs IO-Link de Maxim ont inclus un LDO intégré. Mais à mesure que la demande de courant augmente pour atteindre 30 mA, le LDO deviendra bientôt la source dominante de dissipation de puissance/chaleur dans le système. Pour comparer à 30 mA, la consommation électrique d'un LDO peut atteindre 600 mW.
Puissance LDO @30 mA = (24-3.3) x 30 mA = 621 mW
En comparaison, un buck DC-DC convertisseur alimentation d'un capteur 30 mA avec une sortie 3 V Tension dissipera seulement 90 mW. En supposant que le convertisseur soit efficace à 90 % (seulement 9 mW de perte de puissance), la consommation électrique globale n'est que de 90 + 9 = 99 mW 3.
Les derniers émetteurs-récepteurs IO-Link de Maxim ont intégré un DC-DC à haut rendement régulateur comme représenté sur la Fig. 4.
Fig 4: Le dernier émetteur-récepteur MAX22513 IO-Link de Maxim intègre un régulateur DC-DC intégré à haute efficacité. (Image : Produits intégrés Maxim)
Taille du capteur IO-Link
Après la dissipation thermique, la taille est la deuxième préoccupation majeure pour tous les capteurs industriels, et elle s'applique également aux nouveaux capteurs IO-Link. L'espace de conseil devient de plus en plus précieux à mesure que nous migrons vers un format plus petit.
Fig. 5 montre que pour un boîtier de 12 mm de diamètre, l'émetteur-récepteur dans un boîtier au niveau de la plaquette (WLP) et le DC-DC peuvent s'asseoir côte à côte sur un PCB ordinaire d'une largeur de 10.5 mm. Il y a encore de la place pour les vias et les fils du même côté. Si le boîtier du capteur mesure 6 mm, la largeur du PCB est réduite à 4.5 mm. Ensuite, les puces doivent être montées des deux côtés du PCB, même avec de petits boîtiers WLP.
Fig 5: La taille est un autre gros problème dans les dernières conceptions de capteurs IO-Link. (Image : Produits intégrés Maxim)
Pour activer ces tailles, l'émetteur-récepteur doit être disponible dans un WLP qui permet la plus petite taille. Cette limitation de taille est également l'une des raisons pour lesquelles nous avons intégré un DC-DC à l'intérieur de notre plus récent émetteur-récepteur IO-Link, comme indiqué précédemment.
Mais la plupart des capteurs industriels doivent également être conçus pour fonctionner dans un environnement difficile, ce qui signifie qu'ils doivent incorporer des circuits de protection tels que des diodes TVS, qui ne sont pas illustrés dans Fig. 5. C'est là qu'il est important de prêter attention à la spécification des valeurs nominales maximales absolues pour les émetteurs-récepteurs IO-Link.
Développons : pourquoi les valeurs nominales maximales absolues de 65 V sur les E/S réduisent-elles la taille du sous-système de capteurs ? En règle générale, le capteur doit survivre aux impulsions de surtension entre les 4 broches : GND, C/Q, DI et DO. Les émetteurs-récepteurs IO-Link de Maxim ont une spécification maximale absolue de 65 V. Prenons l'exemple d'une surtension de 1 KV à 24 V entre C/Q et GND.
Tension entre C/Q et GND = tension de serrage TVS + tension directe TVS
Avec la spécification de valeurs nominales maximales absolues plus élevées, le concepteur peut utiliser une petite diode TVS telle que la SMAJ33 dont la tension de serrage est de 60 V à 24 A et la tension directe TVS est de 1 V à 24 A.
Tension entre C/Q et GND = 61V
Cette valeur ci-dessus est dans la spécification de valeurs nominales maximales absolues de l'émetteur-récepteur Maxim.
Cependant, si la spécification des valeurs nominales maximales absolues est inférieure, généralement dans l'industrie, elle est d'environ 45 V, une diode TVS beaucoup plus grande telle que la SMCJ33 est nécessaire pour réduire la tension à un niveau acceptable. Cette diode fait plus de 3 fois la taille de celle requise pour l'émetteur-récepteur Maxim.
L'impact de la taille d'une diode TVS plus grande dans la conception globale du capteur est significatif si la spécification des valeurs nominales maximales absolues de l'émetteur-récepteur est inférieure. Tableau 1 montre une différence estimée dans la zone de PCB. L'hypothèse ici est que le capteur doit être capable de résister à une surtension élevée de ±1 KV/24 A.
Tableau 1 : Avantages d'une valeur nominale maximale absolue de 65 V sur la taille du capteur (Image : Produits intégrés Maxim)
La prochaine génération d'émetteurs-récepteurs IO-Link a même amélioré cela. Les nouveaux émetteurs-récepteurs IO-Link de Maxim disposent désormais d'une protection intégrée sur les broches d'interface de ligne IO-Link (V24, C/Q, DI et GND). Toutes les broches sont dotées d'une protection intégrée contre les surtensions de ±1.2 kV/500 Ω. De plus, toutes les broches sont également protégées contre les inversions de tension, les courts-circuits et l'enfichage à chaud.
Même avec toutes les fonctions de protection intégrées ainsi que le régulateur abaisseur DC-DC intégré, ces appareils sont disponibles dans un petit boîtier WLP (4.1 x 2.1 mm) ; permettant une petite conception de capteur IO-Link.
Conclusion
La technologie d'émetteur-récepteur IO-Link de première génération était livrée dans des boîtiers TQFN faciles à utiliser avec des LDO intégrés qui répondraient aux besoins d'une conception de petit capteur. Au fur et à mesure que les considérations de puissance et de taille montaient, la technologie d'émetteur-récepteur de deuxième génération a optimisé la consommation d'énergie en passant à une technologie qui nous a donné un R inférieurON pour réduire davantage la consommation d'énergie et ont été rendus disponibles dans des packages WLP encore plus petits.
La dernière génération d'émetteurs-récepteurs reconnaît la nécessité d'intégrer à la fois la protection et un régulateur abaisseur DC-DC à haute efficacité pour réduire davantage la taille et la dissipation thermique du sous-système de capteur. Fig. 6 montre une progression de haut niveau de la technologie d'émetteur-récepteur IO-Link de Maxim Integrated.
Fig. 6 : Progression de la technologie d'émetteur-récepteur IO-Link (Image : Maxim Integrated Products)
Alors que la technologie IO-Link est déployée dans encore plus de capteurs industriels, ces spécifications d'appareils sont essentielles pour mettre en œuvre de petits capteurs robustes et économes en énergie.
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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