Storicamente, i sensori di campo industriali erano e sono ancora in molti casi analogici. Includono un elemento di rilevamento e un modo per trasferire i dati di rilevamento a un controller. I dati erano analogici unidirezionali. Poi sono arrivati i sensori binari, che fornivano un segnale digitale on/off, e includevano un elemento sensibile: induttivo, capacitivo, ultrasonico, fotoelettrico, ecc. con un Semiconduttore elemento di commutazione. L'uscita può essere a commutazione high-side (HS) (PNP) o low-side (LS) (NPN) o push-pull (PP). Ma i dati erano ancora limitati alla comunicazione unidirezionale dal sensore al master, non aveva alcun controllo degli errori e richiedeva comunque un tecnico in fabbrica per compiti come la calibrazione manuale.
Era necessaria una soluzione migliore per soddisfare le esigenze di "Industria 4.0", sensori intelligenti e impianti di fabbrica riconfigurabili. La soluzione è il protocollo IO-Link, uno standard relativamente nuovo per i sensori industriali che sta mostrando una traiettoria di crescita fenomenale.
L'organizzazione IO Link stima che ad oggi sul campo vengano utilizzati oltre 16 milioni di nodi abilitati IO-Link. Quel numero è ancora in crescita.
Fig. 1: La rapida crescita del protocollo IO-Link (Immagine: IO-Link Consortium)
IO-Link è un prodotto standardizzato la tecnologia (IEC 61131-9) che regola il modo in cui sensori e attuatori nei sistemi industriali interagiscono con un controller. IO-Link è un collegamento di comunicazione punto a punto con connettori, cavi e protocolli standardizzati. Il sistema IO-Link è progettato per funzionare all'interno dell'infrastruttura di sensori e attuatori a 3 fili standard del settore e comprende un master IO-Link e prodotti per dispositivi IO-Link.
La comunicazione IO-Link avviene tra un master e un dispositivo (sensore o attuatore). La comunicazione è binaria (half-duplex) ed è limitata a 20 m, utilizzando cavi non schermati. La comunicazione richiede un'interfaccia a 3 fili (L+. C/Q e L-). L'intervallo di alimentazione in un sistema IO-Link va da 20 V a 30 V per il master e da 18 a 30 V per il dispositivo (sensore o attuatore).
Massimail manuale di IO-Link1 elabora i vantaggi di IO-Link come segue:
“IO-Link è una tecnologia che consente a un sensore binario o analogico tradizionale di diventare un sensore intelligente che non raccoglie più solo dati, ma consente all'utente di modificare in remoto le sue impostazioni in base al feedback in tempo reale ottenuto sullo stato di salute e sullo stato di altri sensori sulla linea, nonché l'operazione di fabbricazione che deve eseguire. La tecnologia IO-Link consente ai sensori di diventare intercambiabili attraverso un'interfaccia fisica comune che utilizza uno stack di protocollo e un file IO Device Description (IODD) per abilitare una porta del sensore configurabile. È veramente pronto per il plug-and-play e offre la possibilità di riconfigurare i parametri al volo".
All'interno della gerarchia della rete di fabbrica, il protocollo IO-Link si trova ai margini, che sono tipicamente sensori e attuatori come mostrato in Fig. 2. Molte volte, i dispositivi periferici comunicano con un gateway che traduce il protocollo IO-Link nel bus di campo prescelto.
Fig. 2: Il protocollo IO-Link viene utilizzato per collegare i dispositivi periferici intelligenti alla rete di fabbrica. (Immagine: Maxim integrato)
Per ulteriori informazioni su come IO-Link abilita gli ambienti di produzione di nuova generazione o l'IoT industriale (come a volte viene chiamato), fare riferimento a un articolo precedente che lo spiega in dettaglio2.
Progettazione di sensori IO-Link
I sensori di campo industriali devono essere robusti, piccoli e molto efficienti dal punto di vista energetico in modo che la dissipazione del calore sia ridotta al minimo. La maggior parte dei sensori IO-Link ha i seguenti componenti:
- Elemento sensibile con il relativo front-end analogico (AFE)
- Un microcontrollore che elabora i dati e, nel caso di un sensore IO-Link, esegue anche lo stack di protocollo leggero.
- Un ricetrasmettitore IO-Link che è il livello fisico.
- Alimentazione e in molti casi protezione (TVS per sovratensioni, EFT/burst, ESD, ecc.).
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Dissipazione del calore (efficienza energetica)
Una volta compresi i componenti tipici, possiamo guardare come viene preventivata la potenza di un ipotetico sensore. Vedere Fig. 3. Tutti questi numeri sono stime. Mostrano che il consumo energetico del ricetrasmettitore (stadio di uscita) è importante quando si calcola il consumo energetico totale del sistema di un sensore.
Iniziamo dal lato più a sinistra, che specifica una generazione precedente di sensore IO-Link. In questo modo diventa più chiaro come i progressi della tecnologia nel microcontrollore (MCU) e nello stadio di uscita (cioè il ricetrasmettitore) abbiano contribuito all'abbassamento della potenza totale del sistema nel corso degli anni.
I ricetrasmettitori IO-Link originali o di prima generazione consumavano 400 mW o più. I più recenti ricetrasmettitori Maxim IO-Link a bassa potenza consumano meno di 100 mW. Inoltre, gli MCU hanno aiutato. Un MCU legacy consuma fino a 180 mW, ma il nuovo MCU a bassa potenza può scendere a 50 mW.
Un ricetrasmettitore di collegamento IO allo stato dell'arte accoppiato a un MCU a bassa potenza può mantenere il budget energetico totale del sensore nell'intervallo da 400 mW a 500 mW.
La dissipazione di potenza è direttamente correlata alla dissipazione del calore. Più piccolo è il sensore, più rigorose sono le specifiche di dissipazione di potenza. Secondo alcune stime, un sensore IO-Link cilindrico chiuso di diametro 8 mm (M8) specificherà una dissipazione di potenza massima di 400 mW e un sensore IO-Link cilindrico chiuso di diametro 12 mm (M12) specificherà una dissipazione di potenza massima di 600 mW.
E la tecnologia continua a migliorare. Uno dei nuovi ricetrasmettitori IO-Link di Maxim Integrated, il MAX14827A, dissipa 70 mW notevolmente bassi quando si pilota un carico di 100 mA. Ciò si ottiene ottimizzando la tecnologia per fornire un valore molto basso di 2.3 Ω (tip.) RON (su resistenza).
Fig. 3: Un ipotetico budget di potenza del sensore industriale IO-Link. (Immagine: prodotti integrati Maxim)
Per i sensori che utilizzano una corrente di esercizio molto bassa, diciamo da 3 a 5 mA, e richiedono un'alimentazione di 3.3 V e/o 5 V; l'alimentazione regolata può essere fornita tramite un LDO. E infatti, i ricetrasmettitori IO-Link di Maxim hanno incluso un LDO integrato. Ma con l'aumentare della richiesta di corrente, ad esempio 30 mA, l'LDO diventerà presto la fonte dominante di dissipazione di energia/calore nel sistema. Per fare un confronto a 30 mA, il consumo energetico di un LDO può raggiungere i 600 mW.
Potenza LDO @30 mA = (24-3.3) x 30 mA = 621 mW
In confronto, un dollaro DC-DC convertitore alimentazione di un sensore da 30 mA con uscita a 3 V voltaggio dissiperà solo 90 mW. Supponendo che il convertitore sia efficiente al 90% (perdita di potenza di soli 9 mW), il consumo energetico complessivo è di soli 90 + 9 = 99 mW 3.
I più recenti ricetrasmettitori IO-Link di Maxim hanno integrato un DC-DC ad alta efficienza regolatore Come mostrato in Fig. 4.
Fig 4: Il nuovissimo ricetrasmettitore IO-Link MAX22513 di Maxim incorpora un regolatore DC-DC integrato ad alta efficienza. (Immagine: prodotti integrati Maxim)
Dimensioni del sensore IO-Link
Dopo la dissipazione del calore, la dimensione è la preoccupazione più grande per tutti i sensori industriali e si applica anche ai nuovi sensori IO-Link. Lo spazio sulla scheda diventa sempre più prezioso man mano che migriamo a un fattore di forma più piccolo.
Fig. 5 mostra che per un alloggiamento di 12 mm di diametro, il ricetrasmettitore in un pacchetto a livello di wafer (WLP) e il DC-DC possono sedersi fianco a fianco su un PCB normale che ha una larghezza di 10.5 mm. C'è ancora spazio per via e fili sullo stesso lato. Se l'alloggiamento del sensore è di 6 mm, la larghezza del PCB è ridotta a 4.5 mm. Quindi i chip devono essere montati su entrambi i lati del PCB anche con piccoli pacchetti WLP.
Fig 5: Le dimensioni sono un altro grosso problema nei nuovi design dei sensori IO-Link. (Immagine: prodotti integrati Maxim)
Per abilitare queste dimensioni, il ricetrasmettitore deve essere disponibile in un WLP che consenta le dimensioni più piccole. Questa limitazione delle dimensioni è anche uno dei motivi per cui abbiamo integrato un DC-DC all'interno del nostro nuovissimo ricetrasmettitore IO-Link, come mostrato in precedenza.
Ma la maggior parte dei sensori industriali deve anche essere progettata per funzionare in un ambiente difficile, il che significa che devono incorporare circuiti di protezione come i diodi TVS, che non sono mostrati in Fig. 5. È qui che è importante prestare attenzione alle specifiche dei valori massimi assoluti per i ricetrasmettitori IO-Link.
Approfondiamo: perché i valori massimi assoluti di 65 V sugli IO riducono le dimensioni del sottosistema di sensori? In genere, il sensore deve sopravvivere agli impulsi di picco tra i 4 pin: GND, C/Q, DI e DO. I ricetrasmettitori IO-Link di Maxim hanno una specifica di valori massimi assoluti di 65 V. Se prendiamo un esempio di un picco di 1 KV a 24 V tra C/Q e GND.
Tensione tra C/Q e GND = tensione morsetto TVS + tensione diretta TVS
Con la specifica dei valori massimi assoluti più elevati, il progettista può utilizzare un piccolo diodo TVS come SMAJ33 la cui tensione di clamp è 60 V a 24 A e la tensione diretta TVS è 1 V a 24 A.
Tensione tra C/Q e GND = 61V
Questo valore sopra è all'interno della specifica di rating massimi assoluti del ricetrasmettitore Maxim.
Tuttavia, se la specifica dei valori massimi assoluti è inferiore, in genere nel settore è di circa 45 V, è necessario un diodo TVS molto più grande come SMCJ33 per ridurre la tensione a un livello accettabile. Questo diodo è più di 3 volte la dimensione di quella richiesta per il ricetrasmettitore Maxim.
L'impatto sulle dimensioni di un diodo TVS più grande nel design complessivo del sensore è significativo se la specifica di valutazione massima assoluta del ricetrasmettitore è inferiore. Tabella 1 mostra una differenza stimata nell'area del PCB. Il presupposto qui è che il sensore deve essere in grado di sopportare un picco di alto livello di ±1 KV/24 A.
Tabella 1: Vantaggi di un valore nominale massimo assoluto di 65 V sulla dimensione del sensore (Immagine: Maxim Integrated Products)
La prossima generazione di ricetrasmettitori IO-Link ha persino migliorato questo. I nuovi ricetrasmettitori IO-Link di Maxim ora dispongono di una protezione integrata sui pin dell'interfaccia di linea IO-Link (V24, C/Q, DI e GND). Tutti i pin sono dotati di protezione da sovratensione ±1.2 kV/500 Ω integrata. Inoltre, tutti i pin sono anche protetti da inversione di tensione, cortocircuito e hot plug.
Anche con tutte le funzioni di protezione integrate e il regolatore buck DC-DC integrato, questi dispositivi sono disponibili in un minuscolo contenitore WLP (4.1 x 2.1 mm); consentendo un piccolo design del sensore IO-Link.
Conclusione
La tecnologia del ricetrasmettitore IO-Link di prima generazione è disponibile in pacchetti TQFN di facile utilizzo con LDO integrati che soddisfano le esigenze di un design di sensori di piccole dimensioni. Man mano che aumentavano le considerazioni sulla potenza e sulle dimensioni, la tecnologia del ricetrasmettitore di seconda generazione ha ottimizzato il consumo energetico passando a una tecnologia che ci ha fornito un R più bassoON per ridurre ulteriormente il consumo energetico e sono stati resi disponibili in pacchetti WLP ancora più piccoli.
L'ultima generazione di ricetrasmettitori riconosce la necessità di integrare sia la protezione che un regolatore buck DC-DC ad alta efficienza per ridurre ulteriormente le dimensioni e la dissipazione del calore del sottosistema di sensori. Fig. 6 mostra una progressione di alto livello della tecnologia del ricetrasmettitore IO-Link di Maxim Integrated.
Fig. 6: Progressione della tecnologia del ricetrasmettitore IO-Link (Immagine: Maxim Integrated Products)
Man mano che la tecnologia IO-Link viene implementata in un numero ancora maggiore di sensori industriali, queste specifiche del dispositivo sono fondamentali per implementare sensori piccoli, robusti ed efficienti dal punto di vista energetico.
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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