Dari segi sejarah, sensor medan perindustrian adalah dan masih dalam banyak kes analog. Mereka merangkumi elemen penginderaan dan beberapa cara untuk mendapatkan data penginderaan kepada pengawal. Data adalah analog searah. Kemudian datang sensor binari, yang memberikan isyarat hidup / mati digital, dan termasuk elemen penginderaan: induktif, kapasitif, ultrasonik, fotolistrik, dan lain-lain dengan Semikonduktor elemen beralih. Outputnya dapat beralih (HS) sisi tinggi (PNP) atau beralih sisi rendah (LS) (NPN) atau push-pull (PP). Tetapi data masih terbatas pada komunikasi searah dari sensor kepada tuan, tidak mempunyai kawalan kesalahan, dan masih memerlukan juruteknik di lantai kilang untuk tugas seperti penentukuran manual.
Penyelesaian yang lebih baik diperlukan untuk memenuhi tuntutan "Industri 4.0", sensor pintar, dan lantai kilang yang dapat dikonfigurasi ulang. Penyelesaiannya adalah protokol IO-Link, standard yang agak baru untuk sensor industri yang menunjukkan lintasan pertumbuhan yang luar biasa.
Organisasi IO Link menganggarkan bahawa lebih daripada 16 juta nod yang diaktifkan IO-Link sedang digunakan di lapangan sehingga kini. Jumlah itu masih bertambah.
Rajah 1: Pertumbuhan protokol IO-Link yang pesat (Imej: IO-Link Consortium)
IO-Link adalah standard teknologi (IEC 61131-9) yang mengawal selia cara penderia dan penggerak dalam sistem perindustrian berinteraksi dengan pengawal. IO-Link ialah pautan komunikasi titik ke titik dengan penyambung, kabel dan protokol piawai. Sistem IO-Link direka bentuk untuk berfungsi dalam infrastruktur penderia 3 wayar dan penggerak standard industri dan terdiri daripada produk peranti induk IO-Link dan IO-Link.
Komunikasi IO-Link adalah antara satu master dan satu peranti (sensor atau penggerak). Komunikasi bersifat binari (half-duplex) dan terhad kepada 20 m, menggunakan kabel yang tidak dilindungi. Komunikasi memerlukan antara muka 3 wayar (L +. C / Q, dan L-). Julat bekalan dalam sistem IO-Link adalah 20 V hingga 30 V untuk master dan 18 hingga 30 V untuk peranti (sensor atau penggerak).
MaximBuku panduan IO-Link1 menghuraikan kelebihan IO-Link seperti berikut:
"IO-Link adalah teknologi yang membolehkan sensor binari atau analog tradisional menjadi sensor pintar yang tidak lagi hanya mengumpulkan data tetapi membolehkan pengguna mengubah tetapannya dari jauh berdasarkan maklum balas masa nyata yang diperoleh mengenai kesihatan dan status sensor lain di talian, serta operasi pembuatan yang perlu dilakukannya. Teknologi IO-Link membolehkan sensor dapat ditukar ganti melalui antara muka fizikal biasa yang menggunakan timbunan protokol dan fail Perihalan Peranti IO (IODD) untuk mengaktifkan port sensor yang boleh dikonfigurasi. Ini benar-benar siap untuk digunakan sambil memberikan kemampuan untuk mengkonfigurasi semula parameter dalam perjalanan. ”
Dalam hierarki rangkaian kilang, protokol IO-Link berada di tepi, yang biasanya merupakan sensor dan penggerak seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2. Berkali-kali, peranti tepi berkomunikasi ke pintu gerbang yang menerjemahkan protokol IO-Link ke medan pilihan.
Gambar 2: Protokol IO-Link digunakan untuk menyambungkan peranti tepi pintar ke rangkaian kilang. (Imej: Bersepadu Maxim)
Untuk maklumat lebih lanjut mengenai bagaimana IO-Link membolehkan persekitaran pembuatan generasi seterusnya atau IoT Industri (seperti yang kadang-kadang disebut), rujuk artikel sebelumnya yang menjelaskan perkara ini secara terperinci2.
Merancang sensor IO-Link
Sensor medan perindustrian mesti kasar, kecil, dan sangat cekap tenaga supaya pelesapan haba dikurangkan minimum. Sebilangan besar sensor IO-Link mempunyai komponen berikut:
- Elemen penginderaan dengan hujung depan analog (AFE)
- Mikrokontroler yang memproses data, dan dalam hal sensor IO-Link, juga menjalankan tumpukan protokol ringan.
- Transceiver IO-Link yang merupakan lapisan fizikal.
- Bekalan kuasa dan dalam banyak kes perlindungan (TVS untuk lonjakan, EFT / pecah, ESD, dll.).
Disyorkan
Kepintaran di kilang: Meningkatkan produktiviti dan meningkatkan kos
Pelesapan haba (kecekapan kuasa)
Setelah kita memahami komponen khas, kita dapat melihat bagaimana kuasa sensor hipotetikal dianggarkan. Lihat Rajah 3. Semua nombor ini adalah anggaran. Mereka menunjukkan bahawa penggunaan kuasa transceiver (tahap output) penting ketika menganggarkan jumlah penggunaan kuasa sensor.
Mari kita mulakan di bahagian paling kiri, yang menentukan generasi lama sensor IO-Link. Dengan cara itu menjadi lebih jelas bagaimana kemajuan teknologi dalam mikrokontroler (MCU) dan tahap output (iaitu, transceiver) telah menyumbang kepada penurunan total kuasa sistem selama bertahun-tahun.
Transceiver IO-Link generasi asli atau pertama menggunakan 400 mW atau lebih tinggi. Tranceivers Maxim IO-Link berkuasa rendah terbaru menggunakan kurang daripada 100 mW. Juga, MCU telah membantu. MCU lama menggunakan sebanyak 180 mW, tetapi MCU kuasa rendah yang lebih baru boleh turun hingga 50 mW.
Transceiver pautan IO canggih yang digabungkan dengan MCU berkuasa rendah dapat mengekalkan jumlah anggaran daya sensor dalam julat 400 mW hingga 500 mW.
Pelesapan daya secara langsung berkaitan dengan pelesapan haba. Semakin kecil sensor, semakin ketat spesifikasi pelesapan daya. Dengan beberapa anggaran, sensor IO-Link silinder tertutup diameter 8 mm (M8) akan menentukan pelesapan daya maksimum 400 mW dan sensor IO-Link silinder tertutup diameter 12 mm (M12) akan menentukan pelesapan daya maksimum 600 mW.
Dan teknologi terus bertambah baik. Salah satu transceiver IO-Link baru dari Maxim Integrated, MAX14827A, menghilangkan 70 mW yang sangat rendah ketika membawa muatan 100 mA. Ini dicapai dengan mengoptimumkan teknologi untuk memberikan R 2.3 Ω (tip.) R yang sangat rendahON (pada rintangan).
Rajah 3: Anggaran kuasa sensor industri IO-Link hipotesis. (Imej: Produk Bersepadu Maxim)
Untuk sensor yang menggunakan arus operasi yang sangat rendah, katakan 3 hingga 5mA, dan memerlukan bekalan 3.3-V dan / atau 5-V; kuasa terkawal dapat diperoleh melalui LDO. Dan sememangnya, transceiver IO-Link Maxim telah memasukkan LDO bersepadu. Tetapi apabila permintaan semasa meningkat menjadi 30 mA, LDO akan segera menjadi sumber penyebaran tenaga / haba yang dominan dalam sistem. Untuk membandingkan pada 30 mA, penggunaan kuasa LDO boleh setinggi 600 mW.
Daya LDO @ 30 mA = (24-3.3) x 30 mA = 621 mW
Sebagai perbandingan, wang DC-DC Penukar membekalkan sensor 30 mA dengan output 3-V voltan akan hilang hanya 90 mW. Dengan andaian penukar adalah 90% cekap (hanya kehilangan kuasa 9 mW), penggunaan kuasa keseluruhan hanya 90 + 9 = 99 mW 3.
Transceiver IO-Link terbaru Maxim telah menyepadukan DC-DC berkecekapan tinggi pengatur seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.
Gambar 4: Transceiver MAX22513 MAO terbaru Maxim menggabungkan pengatur DC-DC kecekapan tinggi bersepadu. (Imej: Produk Bersepadu Maxim)
Saiz sensor IO-Link
Selepas pelesapan haba, ukuran adalah perhatian terbesar berikutnya untuk semua sensor industri, dan ia juga berlaku untuk sensor IO-Link baru. Ruang papan menjadi semakin premium kerana kami berpindah ke faktor bentuk yang lebih kecil.
Rajah 5 menunjukkan bahawa untuk perumahan berdiameter 12 mm, transceiver dalam paket level wafer (WLP) dan DC-DC boleh duduk berdampingan pada PCB biasa yang mempunyai lebar 10.5 mm. Masih ada ruang untuk vias dan wayar di sisi yang sama. Sekiranya perumahan sensor 6 mm, maka lebar PCB turun menjadi 4.5 mm. Kemudian cip mesti dipasang di kedua-dua sisi PCB walaupun dengan pakej WLP kecil.
Gambar 5: Ukuran adalah satu lagi masalah besar dalam reka bentuk sensor IO-Link terbaru. (Imej: Produk Bersepadu Maxim)
Untuk mengaktifkan saiz ini, pemancar mesti tersedia dalam WLP yang memungkinkan untuk ukuran terkecil. Batasan ukuran ini juga merupakan salah satu sebab kami menggabungkan DC-DC di dalam transceiver IO-Link terbaru kami seperti yang ditunjukkan sebelumnya.
Tetapi kebanyakan sensor industri juga mesti dirancang untuk berfungsi dalam persekitaran yang lasak, yang bermaksud mereka mesti memasukkan litar perlindungan seperti dioda TVS, yang tidak ditunjukkan dalam Rajah 5. Di sinilah penting untuk memperhatikan spesifikasi penilaian maksimum mutlak untuk transceiver IO-Link.
Mari kita jelaskan: Mengapa penarafan maksimum mutlak 65-V pada IO mengurangkan ukuran subsistem sensor? Biasanya, sensor perlu bertahan dengan denyutan lonjakan antara 4-pin: GND, C / Q, DI, dan DO. Transceiver IO-Link Maxim mempunyai spesifikasi penarafan maksimum mutlak 65-V. Sekiranya kita mengambil contoh lonjakan 1 KV pada 24 V antara C / Q dan GND.
Voltan antara C / Q dan GND = voltan pengapit TVS + voltan hadapan TVS
Dengan spesifikasi penarafan maksimum mutlak yang lebih tinggi, pereka dapat menggunakan dioda TVS kecil seperti SMAJ33 yang voltan pengapitnya adalah 60 V pada 24 A dan voltan hadapan TVS adalah 1 V pada 24 A.
Voltan antara C / Q dan GND = 61V
Nilai di atas berada dalam spesifikasi penarafan maksimum mutlak pemancar Maxim.
Namun, jika spesifikasi penarafan maksimum mutlak lebih rendah, biasanya di industri sekitar 45 V, maka dioda TVS yang jauh lebih besar seperti SMCJ33 diperlukan untuk menjepit voltan ke tahap yang dapat diterima. Diod ini lebih besar daripada ukuran 3 × daripada yang diperlukan untuk pemancar Maxim.
Kesan ukuran dioda TVS yang lebih besar dalam reka bentuk sensor keseluruhan adalah signifikan jika spesifikasi penarafan maksimum mutlak transceiver lebih rendah. Jadual 1 menunjukkan anggaran perbezaan di kawasan PCB. Andaian di sini adalah bahawa sensor mesti dapat menahan lonjakan tahap tinggi ± 1 KV / 24 A.
Jadual 1: Kelebihan penarafan maksimum mutlak 65-V pada ukuran sensor (Imej: Produk Bersepadu Maxim)
Generasi seterusnya transceiver IO-Link semakin bertambah baik. Transceiver IO-Link yang lebih baru dari Maxim kini menampilkan perlindungan bersepadu pada pin antara muka talian IO-Link (V24, C / Q, DI, dan GND). Semua pin mempunyai perlindungan lonjakan ± 1.2 kV / 500 Ω bersepadu. Selain itu, semua pin juga dilindungi voltan terbalik, dilindungi litar pintas, dan dilindungi palam panas.
Walaupun dengan semua ciri perlindungan bersepadu serta pengatur buck DC-DC bersepadu, peranti ini tersedia dalam pakej WLP kecil (4.1 x 2.1 mm); membolehkan reka bentuk sensor IO-Link kecil.
Kesimpulan
Teknologi transceiver IO-Link generasi pertama hadir dalam pakej TQFN yang mudah digunakan dengan LDO bersepadu yang akan memenuhi keperluan reka bentuk sensor kecil. Sebagai pertimbangan kuasa dan ukuran, teknologi transceiver generasi kedua mengoptimumkan penggunaan kuasa dengan beralih ke teknologi yang memberi kita R yang lebih rendahON untuk mengurangkan penggunaan tenaga dan disediakan dalam pakej WLP yang lebih kecil.
Generasi transceiver terbaru menyedari keperluan untuk menggabungkan perlindungan dan pengatur daya DC-DC kecekapan tinggi untuk mengurangkan lagi ukuran dan pelesapan haba subsistem sensor. Rajah 6 menunjukkan kemajuan tahap tinggi teknologi transceiver IO-Link dari Maxim Integrated.
Rajah 6: Kemajuan teknologi transceiver IO-Link (Imej: Produk Bersepadu Maxim)
Oleh kerana teknologi IO-Link digunakan dalam lebih banyak sensor industri, spesifikasi peranti ini adalah kunci untuk melaksanakan sensor kecil, kasar dan cekap kuasa.
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
mengenai Produk Bersepadu Maxim IntegratedMaxim