Secara historis, sensor bidang industri dulu dan masih dalam banyak kasus analog. Mereka termasuk elemen penginderaan dan beberapa cara untuk mendapatkan data penginderaan ke pengontrol. Data adalah analog searah. Kemudian datang sensor biner, yang menyediakan sinyal on/off digital, dan termasuk elemen penginderaan: induktif, kapasitif, ultrasonik, fotolistrik, dll. Semikonduktor elemen beralih. Outputnya bisa berupa switching sisi tinggi (HS) (PNP) atau switching sisi rendah (LS) (NPN) atau push-pull (PP). Tetapi data masih terbatas pada komunikasi searah dari Sensor untuk master, tidak memiliki kontrol kesalahan, dan masih membutuhkan teknisi di lantai pabrik untuk tugas-tugas seperti kalibrasi manual.
Solusi yang lebih baik diperlukan untuk memenuhi tuntutan “Industri 4.0”, sensor cerdas, dan lantai pabrik yang dapat dikonfigurasi ulang. Solusinya adalah protokol IO-Link, standar yang relatif baru untuk sensor industri yang menunjukkan lintasan pertumbuhan fenomenal.
Organisasi IO Link memperkirakan bahwa lebih dari 16 juta node yang diaktifkan IO-Link sedang digunakan di lapangan hingga saat ini. Jumlah itu masih terus bertambah.
Gambar 1: Pertumbuhan pesat protokol IO-Link (Gambar: Konsorsium IO-Link)
IO-Link adalah standar teknologi (IEC 61131-9) yang mengatur bagaimana sensor dan aktuator dalam sistem industri berinteraksi dengan pengontrol. IO-Link adalah tautan komunikasi point-to-point dengan konektor, kabel, dan protokol standar. Sistem IO-Link dirancang untuk bekerja dalam sensor 3-kabel dan infrastruktur aktuator standar industri dan terdiri dari master IO-Link dan produk perangkat IO-Link.
Komunikasi IO-Link adalah antara satu master dan satu perangkat (sensor atau aktuator). Komunikasi adalah biner (setengah dupleks) dan dibatasi hingga 20 m, menggunakan kabel tanpa pelindung. Komunikasi memerlukan antarmuka 3-kawat (L+. C/Q, dan L-). Rentang suplai dalam sistem IO-Link adalah 20 V hingga 30 V untuk master dan 18 hingga 30 V untuk perangkat (sensor atau aktuator).
pepatahbuku pegangan IO-Link1 menguraikan keunggulan IO-Link sebagai berikut:
“IO-Link adalah teknologi yang memungkinkan sensor biner atau analog tradisional menjadi sensor cerdas yang tidak lagi hanya mengumpulkan data tetapi memungkinkan pengguna untuk mengubah pengaturannya dari jarak jauh berdasarkan umpan balik waktu nyata yang diperoleh tentang kesehatan dan status sensor lain. di telepon, serta operasi manufaktur yang perlu dilakukan. Teknologi IO-Link memungkinkan sensor menjadi dapat dipertukarkan melalui antarmuka fisik umum yang menggunakan tumpukan protokol dan file IO Device Description (IODD) untuk mengaktifkan port sensor yang dapat dikonfigurasi. Ini benar-benar siap plug-and-play sambil memberikan kemampuan untuk mengonfigurasi ulang parameter dengan cepat.”
Dalam hierarki jaringan pabrik, protokol IO-Link berada di tepi, yang biasanya berupa sensor dan aktuator seperti yang ditunjukkan pada Ara. 2. Sering kali, perangkat tepi berkomunikasi ke gateway yang menerjemahkan protokol IO-Link ke fieldbus pilihan.
Gbr. 2: Protokol IO-Link digunakan untuk menghubungkan perangkat intelligent edge ke jaringan pabrik. (Gambar: Maxim Terintegrasi)
Untuk informasi lebih lanjut tentang bagaimana IO-Link memungkinkan lingkungan manufaktur generasi berikutnya atau Industrial IoT (seperti yang kadang-kadang disebut), lihat artikel sebelumnya yang menjelaskan hal ini secara rinci2.
Merancang sensor IO-Link
Sensor medan industri harus kokoh, kecil, dan sangat hemat energi sehingga pembuangan panas dijaga seminimal mungkin. Sebagian besar sensor IO-Link memiliki komponen berikut:
- Elemen penginderaan dengan ujung depan analog (AFE) terkait
- Mikrokontroler yang memproses data, dan dalam kasus sensor IO-Link, juga menjalankan tumpukan protokol yang ringan.
- Transceiver IO-Link yang merupakan lapisan fisik.
- Catu daya dan dalam banyak kasus perlindungan (TVS untuk lonjakan, EFT/burst, ESD, dll.).
Direkomendasikan
Kecerdasan di tepi pabrik: Meningkatkan produktivitas dan biaya
Disipasi panas (efisiensi daya)
Setelah kita memahami komponen tipikal, kita dapat melihat bagaimana daya sensor hipotetis dianggarkan. Lihat Ara. 3. Semua angka ini adalah perkiraan. Mereka menunjukkan bahwa konsumsi daya transceiver (tahap keluaran) penting ketika menganggarkan total konsumsi daya sistem dari sebuah sensor.
Mari kita mulai dari sisi paling kiri, yang menentukan generasi sensor IO-Link yang lebih tua. Dengan cara itu menjadi lebih jelas bagaimana kemajuan teknologi dalam mikrokontroler (MCU) dan tahap keluaran (yaitu, transceiver) telah berkontribusi pada penurunan daya sistem total selama bertahun-tahun.
Transceiver IO-Link generasi pertama atau asli mengkonsumsi 400 mW atau lebih tinggi. Transceiver Maxim IO-Link berdaya rendah terbaru mengkonsumsi kurang dari 100 mW. Juga, MCU telah membantu. MCU lawas mengkonsumsi sebanyak 180 mW, tetapi MCU berdaya rendah yang lebih baru dapat turun hingga 50 mW.
Transceiver tautan IO canggih yang digabungkan dengan MCU berdaya rendah dapat menjaga anggaran daya sensor total dalam kisaran 400 mW hingga 500 mW.
Disipasi daya berhubungan langsung dengan disipasi panas. Semakin kecil sensor, semakin ketat spesifikasi disipasi daya. Dengan beberapa perkiraan, sensor IO-Link silinder tertutup berdiameter 8 mm (M8) akan menentukan disipasi daya maksimum 400 mW dan sensor IO-Link silinder tertutup berdiameter 12 mm (M12) akan menentukan disipasi daya maksimum 600 mW.
Dan teknologi terus menjadi lebih baik. Salah satu transceiver IO-Link baru dari Maxim Integrated, MAX14827A, menghilangkan 70 mW yang sangat rendah saat mengemudikan beban 100 mA. Hal ini dicapai dengan mengoptimalkan teknologi untuk menghasilkan 2.3 (typ.) R . yang sangat rendahON (pada resistensi).
Gambar 3: Anggaran daya sensor industri IO-Link hipotetis. (Gambar: Produk Terintegrasi Maxim)
Untuk sensor yang menggunakan arus operasi yang sangat rendah, katakanlah 3 hingga 5mA, dan memerlukan suplai 3.3-V dan/atau 5-V; daya yang diatur dapat bersumber melalui LDO. Dan memang, transceiver IO-Link Maxim telah menyertakan LDO terintegrasi. Tetapi karena permintaan saat ini meningkat hingga katakanlah 30 mA, LDO akan segera menjadi sumber daya/pembuangan panas yang dominan dalam sistem. Untuk membandingkan pada 30 mA, konsumsi daya LDO dapat mencapai 600 mW.
Daya LDO @30 mA = (24-3.3) x 30 mA = 621 mW
Sebagai perbandingan, dolar DC-DC Converter memasok sensor 30 mA dengan output 3-V tegangan akan menghilang hanya 90 mW. Dengan asumsi konverter 90% efisien (hanya kehilangan daya 9 mW), konsumsi daya keseluruhan hanya 90 + 9 = 99 mW 3.
Transceiver IO-Link terbaru dari Maxim telah mengintegrasikan DC-DC efisiensi tinggi pengatur seperti yang ditunjukkan pada Ara. 4.
Gambar 4: Transceiver MAX22513 IO-Link terbaru Maxim menggabungkan regulator DC-DC efisiensi tinggi yang terintegrasi. (Gambar: Produk Terintegrasi Maxim)
Ukuran sensor IO-Link
Setelah pembuangan panas, ukuran menjadi perhatian terbesar berikutnya untuk semua sensor industri, dan ini juga berlaku untuk sensor IO-Link baru. Ruang dewan menjadi semakin premium saat kami bermigrasi ke faktor bentuk yang lebih kecil.
Ara. 5 menunjukkan bahwa untuk housing berdiameter 12 mm, transceiver dalam wafer level package (WLP) dan DC-DC dapat duduk berdampingan pada PCB biasa yang memiliki lebar 10.5 mm. Masih ada ruang untuk vias dan kabel di sisi yang sama. Jika rumah sensor 6 mm, maka lebar PCB turun menjadi 4.5 mm. Kemudian chip harus dipasang di kedua sisi PCB bahkan dengan paket WLP kecil.
Gambar 5: Ukuran adalah masalah besar lainnya dalam desain sensor IO-Link terbaru. (Gambar: Produk Terintegrasi Maxim)
Untuk mengaktifkan ukuran tersebut, transceiver harus tersedia dalam WLP yang memungkinkan untuk ukuran terkecil. Keterbatasan ukuran ini juga merupakan salah satu alasan kami telah mengintegrasikan DC-DC di dalam transceiver IO-Link terbaru kami seperti yang ditunjukkan sebelumnya.
Tetapi sebagian besar sensor industri juga harus dirancang untuk bekerja di lingkungan yang kasar, yang berarti mereka harus menggabungkan sirkuit perlindungan seperti dioda TVS, yang tidak ditampilkan dalam gambar. Ara. 5. Di sinilah penting untuk memperhatikan spesifikasi peringkat maksimum mutlak untuk transceiver IO-Link.
Mari kita uraikan: Mengapa peringkat maksimum absolut 65-V pada IO mengurangi ukuran subsistem sensor? Biasanya, sensor perlu bertahan dari lonjakan pulsa antara 4-pin: GND, C/Q, DI, dan DO. Transceiver IO-Link Maxim memiliki spesifikasi peringkat maksimum absolut 65-V. Jika kita mengambil contoh lonjakan 1 KV pada 24 V antara C/Q dan GND.
Tegangan antara C/Q dan GND = tegangan penjepit TVS + tegangan maju TVS
Dengan spesifikasi peringkat maksimum absolut yang lebih tinggi, perancang dapat menggunakan dioda TVS kecil seperti SMAJ33 yang tegangan penjepitnya 60 V pada 24 A dan tegangan maju TVS adalah 1 V pada 24 A.
Tegangan antara C/Q dan GND = 61V
Nilai di atas berada dalam spesifikasi peringkat maksimum absolut dari transceiver Maxim.
Namun, jika spesifikasi peringkat maksimum absolut lebih rendah, biasanya di industri sekitar 45 V, maka dioda TVS yang jauh lebih besar seperti SMCJ33 diperlukan untuk menjepit tegangan ke tingkat yang dapat diterima. Dioda ini berukuran lebih dari 3× dari yang dibutuhkan untuk transceiver Maxim.
Dampak ukuran dioda TVS yang lebih besar dalam desain sensor keseluruhan signifikan jika spesifikasi peringkat maksimum mutlak transceiver lebih rendah. Tabel 1 menunjukkan perkiraan perbedaan di area PCB. Asumsi disini adalah sensor harus mampu menahan lonjakan level tinggi ±1 KV/24 A.
Tabel 1: Keuntungan dari rating maksimum absolut 65-V pada ukuran sensor (Gambar: Maxim Integrated Products)
Generasi berikutnya dari transceiver IO-Link bahkan telah meningkatkan ini. Transceiver IO-Link terbaru dari Maxim kini memiliki fitur perlindungan terintegrasi pada pin antarmuka saluran IO-Link (V24, C/Q, DI, dan GND). Semua pin memiliki fitur perlindungan lonjakan ±1.2 kV/500 terintegrasi. Selain itu, semua pin juga dilindungi tegangan balik, perlindungan hubung singkat, dan steker panas.
Bahkan dengan semua fitur perlindungan terintegrasi serta regulator arus DC-DC terintegrasi, perangkat ini tersedia dalam paket WLP kecil (4.1 x 2.1 mm); memungkinkan desain sensor IO-Link kecil.
Kesimpulan
Teknologi transceiver IO-Link generasi pertama hadir dalam paket TQFN yang mudah digunakan dengan LDO terintegrasi yang akan memenuhi kebutuhan desain sensor kecil. Saat pertimbangan daya dan ukuran dipasang, teknologi transceiver generasi kedua mengoptimalkan konsumsi daya dengan beralih ke teknologi yang memberi kami R lebih rendahON untuk lebih mengurangi konsumsi daya dan tersedia dalam paket WLP yang lebih kecil.
Transceiver generasi terbaru menyadari kebutuhan untuk mengintegrasikan perlindungan dan pengatur arus DC-DC efisiensi tinggi untuk lebih mengurangi ukuran dan pembuangan panas dari subsistem sensor. Ara. 6 menunjukkan perkembangan tingkat tinggi dari teknologi transceiver IO-Link dari Maxim Integrated.
Gambar 6: Perkembangan teknologi transceiver IO-Link (Gambar: Maxim Integrated Products)
Karena teknologi IO-Link diterapkan di lebih banyak sensor industri, spesifikasi perangkat ini adalah kunci untuk menerapkan sensor kecil, kokoh, dan hemat daya.
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
Tentang Maxim IntegratedMaxim Integrated Products