מבחינה היסטורית חיישני שדה תעשייתיים היו ועודם במקרים רבים אנלוגיים. הם כוללים אלמנט חישה ודרך כלשהי להביא את נתוני החישה לבקר. הנתונים היו אנלוגיים חד כיווניים. ואז הגיעו חיישנים בינאריים, שסיפקו אות הפעלה / כיבוי דיגיטלי, וכללו אלמנט חישה: אינדוקטיבי, קיבולי, קולי, פוטו-אלקטרי וכו 'עם סמיקונדקטור אלמנט מיתוג. הפלט יכול להיות מיתוג בצד גבוה (HS) (PNP) או מיתוג בצד נמוך (LS) (NPN) או משיכת דחיפה (PP). אך הנתונים עדיין היו מוגבלים לתקשורת חד כיוונית מה- חיישן לאדון, לא הייתה לו בקרת שגיאות, ועדיין דרש טכנאי בקומת המפעל למשימות כמו כיול ידני.
היה צורך בפתרון טוב יותר כדי לענות על הדרישות של "תעשיה 4.0", חיישנים חכמים ורצפות מפעל הניתנות להגדרה מחדש. הפיתרון הוא פרוטוקול IO-Link, תקן חדש יחסית לחיישנים תעשייתיים המציג מסלול צמיחה פנומנלי.
בארגון IO Link מעריכים כי עד היום משתמשים בתחום ביותר מ -16 מיליון צמתים המותאמים ל- IO-Link. המספר הזה עדיין גדל.
איור 1: הצמיחה המהירה של פרוטוקול IO-Link (תמונה: IO-Link Consortium)
IO-Link הוא סטנדרטי טֶכנוֹלוֹגִיָה (IEC 61131-9) המווסת את האופן שבו חיישנים ומפעילים במערכות תעשייתיות מתקשרים עם בקר. IO-Link הוא קישור תקשורת מנקודה לנקודה עם מחברים, כבלים ופרוטוקולים סטנדרטיים. מערכת ה-IO-Link מתוכננת לעבוד בתוך תשתית החיישנים והמפעילים הסטנדרטיים של 3 חוטים בתעשייה וכוללת מוצרי IO-Link מאסטר ו-IO-Link.
תקשורת IO-Link היא בין מאסטר אחד למכשיר אחד (חיישן או מפעיל). התקשורת היא בינארית (חצי דופלקס) ומוגבלת ל -20 מ ', באמצעות כבלים לא מוגנים. תקשורת דורשת ממשק בעל 3 חוטים (L +. C / Q ו- L-). טווח האספקה במערכת IO-Link הוא 20 וולט עד 30 וולט עבור המאסטר ו- 18 עד 30 וולט למכשיר (חיישן או מפעיל).
אמרהמדריך IO-Link1 מפרט יתרונות IO-Link כדלקמן:
"IO-Link היא טכנולוגיה המאפשרת לחיישן בינארי או אנלוגי מסורתי להפוך לחיישן אינטליגנטי שכבר לא אוסף רק נתונים אלא מאפשר למשתמש לשנות מרחוק את הגדרותיו על סמך משוב בזמן אמת המתקבל על מצבם ומצבם של חיישנים אחרים. על הקו, כמו גם את פעולת הייצור שהוא צריך לבצע. טכנולוגיית IO-Link מאפשרת להחלפה של חיישנים באמצעות ממשק פיזי משותף המשתמש במחסנית פרוטוקול ובקובץ IODD (IOD Device Description) כדי לאפשר יציאת חיישן הניתנת להגדרה. הוא באמת מוכן לחיבור ופעל תוך מתן אפשרות להגדיר מחדש את הפרמטרים תוך כדי טיסה. "
בתוך היררכיית הרשת המפעלית, פרוטוקול IO-Link יושב בקצה, שהם בדרך כלל חיישנים ומפעילים כפי שמוצג האיור 2. פעמים רבות, התקני הקצה מתקשרים לשער המתרגם את פרוטוקול IO-Link לתחום השדה הנבחר.
איור 2: פרוטוקול IO-Link משמש לחיבור התקני קצה חכמים לרשת המפעל. (תמונה: Maxim Integrated)
למידע נוסף על האופן שבו IO-Link מאפשר סביבות ייצור מהדור הבא או IoT תעשייתי (כפי שהוא מכונה לפעמים), עיין במאמר קודם שמסביר זאת בפירוט.2.
תכנון חיישני IO-Link
חיישני שדה תעשייתיים חייבים להיות מחוספסים, קטנים וחסכוניים מאוד באנרגיה כדי שפיזור החום יישמר למינימום. לרוב חיישני ה- IO-Link יש את המרכיבים הבאים:
- אלמנט חישה עם הקצה הקדמי האנלוגי המשויך (AFE)
- מיקרו-בקר שמעבד נתונים, ובמקרה של חיישן IO-Link, מריץ גם את מחסנית הפרוטוקולים הקלה.
- מקלט IO-Link שהוא הרובד הפיזי.
- ספק כוח ובמקרים רבים הגנה (TVS לגל, EFT / burst, ESD וכו ').
מוּמלָץ
מודיעין בקצה המפעל: הגדל את הפרודוקטיביות ושיפר עלויות
פיזור חום (יעילות הספק)
ברגע שנבין את הרכיבים האופייניים, נוכל לבדוק כיצד מתוקצב כוח חיישן היפותטי. לִרְאוֹת האיור 3. כל המספרים הללו הם אומדנים. הם מראים כי צריכת החשמל של המקלט (שלב הפלט) חשובה כאשר מתקצבים את צריכת החשמל הכוללת של המערכת של חיישן.
נתחיל מהצד השמאלי ביותר, המציין דור ישן יותר של חיישן IO-Link. באופן זה מתברר כיצד התקדמות הטכנולוגיה במיקרו-בקר (MCU) ובשלב הפלט (כלומר המקלט) תרמה להפחתת הספק המערכת הכולל לאורך השנים.
מקלט מקלט IO-Link המקורי או הראשון נצרך 400 מגה-וואט ומעלה. הטראנס-טרנסברים החדשים ביותר של Maxim IO-Link צורכים פחות מ -100 מגוואט. כמו כן, MCUs עזרו. MCU מדור קודם גוזל עד 180 מגוואט, אך ה- MCU הספק נמוך יותר יכול לרדת ל -50 מגוואט.
מקלט קישור IO משוכלל יחד עם MCU בעל הספק נמוך יכול לשמור על תקציב ההספק הכולל של החיישן בטווח של 400 mW עד 500 mW.
פיזור כוח קשור ישירות לפיזור חום. ככל שהחיישן קטן יותר, מפרט פיזור החשמל מחמיר יותר. לפי הערכות מסוימות, חיישן IO-Link גלילי סגור בקוטר 8 מ"מ (M8) יפרט פיזור הספק מרבי של 400 מ"ג וחיישן IO-Link גלילי סגור בקוטר 12 מ"מ (M12) יפרט פיזור הספק מרבי של 600 mW.
והטכנולוגיה ממשיכה להשתפר. אחד ממקבלי ה- IO-Link החדשים מבית Maxim Integrated, ה- MAX14827A, מפזר 70 מוואט נמוכים להפליא בעת נהיגה בעומס של 100 מיליאמפר. זה מושג על ידי אופטימיזציה של הטכנולוגיה כדי לספק 2.3 Ω נמוך מאוד (טיפוסי)ON (התנגדות נגד).
איור 3: תקציב כוח חיישן תעשייתי של IO-Link היפותטי. (תמונה: מוצרים משולבים מקסים)
לחיישנים המשתמשים בזרם הפעלה נמוך מאוד, נניח 3 עד 5 mA, ודורשים אספקת 3.3 וולט ו / או 5 וולט; ניתן להשיג את הכוח המווסת באמצעות LDO. ואכן, משדרי ה- IO-Link של מקסים כללו LDO משולב. אך ככל שהביקוש הנוכחי יגדל ואומר 30 mA, ה- LDO יהפוך בקרוב למקור הדומיננטי של פיזור כוח / חום במערכת. כדי להשוות ב 30 mA, צריכת החשמל של LDO יכולה להיות גבוהה עד 600 mW.
הספק LDO @ 30 mA = (24-3.3) x 30 mA = 621 mW
לשם השוואה, דולר DC-DC מֵמִיר המספק חיישן 30 mA עם פלט 3-V מתח יתפזר רק 90 mW. בהנחה שהממיר יעיל ב 90% (רק הפסד חשמל של 9 מוואט), צריכת החשמל הכוללת היא רק 90 + 9 = 99 מוואט. 3.
מקלטי ה-IO-Link החדשים ביותר של מקסים שילבו DC-DC בעל יעילות גבוהה וסת כמו שמוצג ב האיור 4.
איור 4: משדר ה- IO-Link החדש של Maxim MAX22513 משלב רגולטור DC-DC יעיל ומשופר. (תמונה: מקסימום מוצרים משולבים)
גודל חיישן ה- IO-Link
לאחר פיזור החום, הגודל הוא החשש הגדול ביותר הבא עבור כל החיישנים התעשייתיים, והוא חל גם על חיישני IO-Link החדשים. שטח הלוח הופך להיות יותר ויותר פרימיום ככל שאנו עוברים לגורם צורה קטן יותר.
האיור 5 מראה כי עבור בית בקוטר 12 מ"מ, המקלט בחבילה ברמת רקיק (WLP) ו- DC-DC יכולים לשבת זה לצד זה על גבי PCB רגיל שרוחבו 10.5 מ"מ. יש עדיין מקום לוויות וחוטים מאותו צד. אם בית החיישן הוא 6 מ"מ, רוחב ה- PCB יורד ל -4.5 מ"מ. אז השבבים חייבים להיות מותקנים משני צידי ה- PCB גם עם חבילות WLP קטנות.
איור 5: גודל הוא עוד נושא גדול בתכנוני חיישני IO-Link החדשים. (תמונה: מקסימום מוצרים משולבים)
כדי לאפשר גדלים אלה, המקלט צריך להיות זמין ב- WLP המאפשר את הגודל הקטן ביותר. הגבלת גודל זו היא גם אחת הסיבות לכך ששילבנו DC-DC בתוך מקלט ה- IO-Link החדש שלנו כפי שמוצג קודם.
אך רוב החיישנים התעשייתיים חייבים גם להיות מתוכננים לעבודה בסביבה מחוספסת, מה שאומר שהם חייבים לשלב מעגלי הגנה כגון דיודות TVS, שאינן מוצגות האיור 5. כאן חשוב לשים לב למפרט הרייטינג המקסימלי המוחלט עבור מקמ"ש IO-Link.
בואו נפרט: מדוע דירוגים מקסימליים של 65 וולט ב- IO מפחיתים את גודל תת-מערכת החיישן? בדרך כלל, חיישן צריך לשרוד פעימות נחשול בין 4 פינים: GND, C / Q, DI ו- DO. למקלט IO-Link של מקסים יש מפרט של דירוג מקסימלי מוחלט של 65 וולט. אם ניקח דוגמה של 1 קילוואט ב 24 וולט נחשול בין C / Q ו- GND.
מתח בין C / Q ו- GND = מתח מהדק TVS + מתח קדימה של TVS
עם מפרט הרייטינג המקסימלי הגבוה יותר, המעצב יכול להשתמש בדיודת TVS קטנה כגון SMAJ33 שמתח המהדק שלה הוא 60 וולט ב 24 A ומתח קדימה TVS הוא 1 וולט ב 24 A.
מתח בין C / Q ו- GND = 61V
ערך זה לעיל נמצא במפרט הרייטינג המקסימלי המוחלט של מקלט ה- Maxim.
עם זאת, אם מפרט הדירוגים המקסימלי המוחלט נמוך יותר, בדרך כלל בענף הוא סביב 45 וולט, אז נדרשת דיודת TVS גדולה בהרבה כמו SMCJ33 כדי להדק את המתח לרמה מקובלת. דיודה זו היא בגודל של יותר מ -3 × מזו הנדרשת למקבל מקסים.
השפעת הגודל של דיודת TVS גדולה יותר בעיצוב החיישן הכללי משמעותית אם מפרט הרייטינג המקסימלי של המקמ"ש נמוך יותר. לוח 1 מראה הבדל משוער באזור ה- PCB. ההנחה כאן היא שהחיישן צריך להיות מסוגל לעמוד בפני נחשול ברמה גבוהה של ± 1 KV / 24 A.
טבלה 1: יתרונות לדירוג מקסימלי של 65 וולט על גודל חיישן (תמונה: מוצרים משולבים מקסים)
הדור הבא של מקמ"ש IO-Link אף השתפר בכך. משדרי ה- IO-Link החדשים יותר מבית Maxim כוללים כעת הגנה משולבת על סיכות ממשק קו IO-Link (V24, C / Q, DI ו- GND). כל הפינים כוללים משולב ± 1.2 קילו וולט / 500 Ω. בנוסף, כל הפינים מוגנים גם במתח הפוך, מוגנים בקצר חשמלי ומוגנים בתקע חם.
גם עם כל תכונות ההגנה המשולבות כמו גם הרגולטור המשולב של DC-DC, התקנים אלה זמינים באריזת WLP זעירה (4.1 x 2.1 מ"מ); המאפשר תכנון קטן של חיישני IO-Link.
סיכום
הטכנולוגיה של משדר מקלט IO-Link מהדור הראשון הגיעה בחבילות TQFN קלות לשימוש עם LDO משולבות שיענו על הצרכים של עיצוב חיישנים קטן. עם התגברות שיקולי ההספק והגודל, הטכנולוגיה של הדור השני של המקמ"ש מיטבה את צריכת החשמל על ידי מעבר לטכנולוגיה שהעניקה לנו R נמוך יותרON כדי להפחית עוד יותר את צריכת החשמל והיו זמינים בחבילות WLP קטנות עוד יותר.
הדור החדש של מקמ"שים מכיר בצורך לשלב הן את ההגנה והן את מווסת ה- DC-DC היעיל ביותר כדי לצמצם עוד יותר את הגודל ופיזור החום של תת מערכת החיישן. האיור 6 מראה התקדמות ברמה גבוהה של טכנולוגיית המקמ"ש IO-Link מבית Maxim Integrated.
איור 6: התקדמות טכנולוגיית המקמ"ש IO-Link (תמונה: Maxim Products Integrated)
ככל שטכנולוגיית IO-Link מתפרסת בחיישנים תעשייתיים עוד יותר, מפרטי המכשירים הללו הם המפתח ליישום חיישנים קטנים, מחוספסים וחסכוניים.
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
אודות Maxim IntegratedMaxim מוצרים משולבים