Historisch gezien waren en zijn industriële veldsensoren in veel gevallen analoog. Ze bevatten een detectie-element en een manier om de detectiegegevens naar een controller te krijgen. Gegevens waren unidirectioneel analoog. Toen kwamen binaire sensoren, die een digitaal aan/uit-signaal gaven, en een detectie-element bevatten: inductief, capacitief, ultrasoon, foto-elektrisch, enz. met een Halfgeleider schakelelement. De output kan high-side (HS) switching (PNP) of low-side (LS) switching (NPN) of push-pull (PP) zijn. Maar de gegevens waren nog steeds beperkt tot unidirectionele communicatie van de sensor naar de master, had geen foutcontrole en had nog steeds een technicus op de fabrieksvloer nodig voor taken zoals handmatige kalibratie.
Er was een betere oplossing nodig om te voldoen aan de eisen van "Industrie 4.0", slimme sensoren en herconfigureerbare fabrieksvloeren. De oplossing is het IO-Link-protocol, een relatief nieuwe standaard voor industriële sensoren die een fenomenaal groeitraject laat zien.
De IO Link-organisatie schat dat er tot nu toe meer dan 16 miljoen IO-Link-enabled nodes in het veld worden gebruikt. Dat aantal groeit nog steeds.
Fig. 1: De snelle groei van het IO-Link-protocol (Afbeelding: IO-Link Consortium)
IO-Link is een gestandaardiseerd technologie (IEC 61131-9) dat regelt hoe sensoren en actuatoren in industriële systemen omgaan met een controller. IO-Link is een point-to-point communicatieverbinding met gestandaardiseerde connectoren, kabels en protocollen. Het IO-Link-systeem is ontworpen om te werken binnen de industriestandaard 3-draads sensor- en actuatorinfrastructuur en bestaat uit een IO-Link-master en IO-Link-apparaatproducten.
IO-Link-communicatie is tussen één master en één apparaat (sensor of actuator). De communicatie is binair (half-duplex) en is beperkt tot 20 m, bij gebruik van niet-afgeschermde kabels. Communicatie vereist een 3-draads interface (L+. C/Q en L-). Het voedingsbereik in een IO-Link-systeem is 20 V tot 30 V voor de master en 18 tot 30 V voor het apparaat (sensor of actuator).
Maxim's IO-Link-handboek1 werkt de voordelen van IO-Link als volgt uit:
“IO-Link is een technologie waarmee een traditionele binaire of analoge sensor een intelligente sensor kan worden die niet langer alleen gegevens verzamelt, maar waarmee een gebruiker op afstand zijn instellingen kan wijzigen op basis van realtime feedback die is verkregen over de gezondheid en status van andere sensoren. op de lijn, evenals de productiehandeling die het moet uitvoeren. Met IO-Link-technologie kunnen sensoren uitwisselbaar worden via een gemeenschappelijke fysieke interface die een protocolstack en een IO Device Description (IODD)-bestand gebruikt om een configureerbare sensorpoort mogelijk te maken. Het is echt plug-and-play klaar en biedt de mogelijkheid om parameters on-the-fly opnieuw te configureren.”
Binnen de fabrieksnetwerkhiërarchie bevindt het IO-Link-protocol zich aan de rand, wat meestal sensoren en actuatoren zijn, zoals weergegeven in Fig 2. Vaak communiceren de edge-apparaten met een gateway die het IO-Link-protocol vertaalt naar de veldbus naar keuze.
Afb. 2: IO-Link-protocol wordt gebruikt om intelligente edge-apparaten aan te sluiten op het fabrieksnetwerk. (Afbeelding: Maxim geïntegreerd)
Voor meer informatie over hoe IO-Link productieomgevingen van de volgende generatie of Industrial IoT (zoals het soms wordt genoemd) mogelijk maakt, raadpleegt u een eerder artikel waarin dit in detail wordt uitgelegd2.
IO-Link-sensoren ontwerpen
Industriële veldsensoren moeten robuust, klein en zeer energiezuinig zijn, zodat de warmteafvoer tot een minimum wordt beperkt. De meeste IO-Link-sensoren hebben de volgende componenten:
- Sensorelement met het bijbehorende analoge front-end (AFE)
- Een microcontroller die gegevens verwerkt en in het geval van een IO-Link-sensor ook de lichtgewicht protocolstack uitvoert.
- Een IO-Link-transceiver die de fysieke laag vormt.
- Voeding en in veel gevallen bescherming (TVS voor overspanning, EFT/burst, ESD, etc.).
Aanbevolen
Intelligentie aan de rand van de fabriek: verhoog de productiviteit en verlaag de kosten
Warmteafvoer (energie-efficiëntie)
Zodra we de typische componenten begrijpen, kunnen we kijken hoe een hypothetisch sensorvermogen wordt gebudgetteerd. Zien Fig 3. Al deze cijfers zijn schattingen. Ze laten zien dat het energieverbruik van de zendontvanger (uitgangstrap) van belang is bij het budgetteren van het totale systeemverbruik van een sensor.
Laten we beginnen aan de meest linkse kant, die een oudere generatie IO-Link-sensor aangeeft. Op die manier wordt duidelijker hoe technologische vooruitgang in de microcontroller (MCU) en de eindtrap (dwz de transceiver) heeft bijgedragen aan de verlaging van het totale systeemvermogen door de jaren heen.
Originele of eerste generatie IO-Link transceivers verbruikten 400 mW of meer. De nieuwste energiezuinige Maxim IO-Link-tranceivers verbruiken minder dan 100 mW. Ook de MCU's hebben geholpen. Een legacy MCU verbruikt maar liefst 180 mW, maar de nieuwere low-power MCU kan dalen tot 50 mW.
Een ultramoderne IO-link-transceiver in combinatie met een low-power MCU kan het totale sensorvermogensbudget binnen het bereik van 400 mW tot 500 mW houden.
Vermogensdissipatie is direct gerelateerd aan warmtedissipatie. Hoe kleiner de sensor, hoe strenger de vermogensdissipatiespecificatie. Volgens sommige schattingen geeft een ingesloten cilindrische IO-Link-sensor met een diameter van 8 mm (M8) een maximale vermogensdissipatie van 400 mW en een ingesloten cilindrische IO-Link-sensor met een diameter van 12 mm (M12) een maximale vermogensdissipatie van 600 mW.
En de technologie wordt steeds beter. Een van de nieuwe IO-Link-transceivers van Maxim Integrated, de MAX14827A, dissipeert een opmerkelijk lage 70 mW bij het aandrijven van een belasting van 100 mA. Dit wordt bereikt door de technologie te optimaliseren om een zeer lage 2.3 Ω (typ.) R . te leverenON (op weerstand).
Fig. 3: Een hypothetisch IO-Link industrieel sensorvermogensbudget. (Afbeelding: Maxim geïntegreerde producten)
Voor sensoren die een zeer lage bedrijfsstroom gebruiken, zeg 3 tot 5 mA, en een voeding van 3.3 V en/of 5 V nodig hebben; de gereguleerde stroom kan worden verkregen via een LDO. En inderdaad, de IO-Link-transceivers van Maxim hebben een geïntegreerde LDO. Maar naarmate de huidige vraag toeneemt tot bijvoorbeeld 30 mA, zal de LDO spoedig de dominante bron van stroom/warmteafvoer in het systeem worden. Ter vergelijking: bij 30 mA kan het stroomverbruik van een LDO oplopen tot 600 mW.
LDO-vermogen @30 mA = (24-3.3) x 30 mA = 621 mW
Ter vergelijking: een DC-DC-bok omvormer voeding van een 30 mA-sensor met een 3-V-uitgang spanning zal slechts 90 mW dissiperen. Ervan uitgaande dat de converter 90% efficiënt is (slechts 9 mW vermogensverlies), is het totale stroomverbruik slechts 90 + 9 = 99 mW 3.
De nieuwste IO-Link-transceivers van Maxim hebben een hoogefficiënte DC-DC geïntegreerd regelaar zoals getoond in Fig 4.
Fig 4: Maxim's nieuwste MAX22513 IO-Link-transceiver bevat een geïntegreerde, zeer efficiënte DC-DC-regelaar. (Afbeelding: Maxim geïntegreerde producten)
Grootte van de IO-Link-sensor
Na warmteafvoer is de grootte de op een na grootste zorg voor alle industriële sensoren, en dit geldt ook voor de nieuwe IO-Link-sensoren. Bordruimte wordt steeds belangrijker naarmate we migreren naar een kleinere vormfactor.
Fig 5 laat zien dat voor een behuizing met een diameter van 12 mm de transceiver in een wafer level package (WLP) en de DC-DC naast elkaar kunnen zitten op een gewone PCB met een breedte van 10.5 mm. Er is nog ruimte voor via's en draden aan dezelfde kant. Als de sensorbehuizing 6 mm is, is de PCB-breedte beperkt tot 4.5 mm. Dan moeten de chips ook bij kleine WLP-pakketten aan beide zijden van de print worden gemonteerd.
Fig 5: Grootte is een ander groot probleem in de nieuwste IO-Link-sensorontwerpen. (Afbeelding: Maxim geïntegreerde producten)
Om deze formaten mogelijk te maken, moet de transceiver beschikbaar zijn in een WLP die de kleinste maat toelaat. Deze beperking van de grootte is ook een van de redenen waarom we een DC-DC hebben geïntegreerd in onze nieuwste IO-Link-transceiver, zoals eerder getoond.
Maar de meeste industriële sensoren moeten ook zijn ontworpen om in een ruige omgeving te werken, wat betekent dat ze beveiligingsschakelingen moeten bevatten, zoals TVS-diodes, die niet worden weergegeven in Fig 5. Dit is waar het belangrijk is om aandacht te besteden aan de absolute maximale classificatiespecificatie voor de IO-Link-transceivers.
Laten we het uitleggen: waarom verminderen de absolute maximumwaarden van 65 V op de IO's de grootte van het sensorsubsysteem? Doorgaans moet de sensor piekpulsen tussen de 4-pins overleven: GND, C/Q, DI en DO. Maxim's IO-Link-transceivers hebben een specificatie van 65-V absolute maximale classificaties. Als we een voorbeeld nemen van een piek van 1 KV bij 24 V tussen C/Q en GND.
Spanning tussen C/Q en GND = TVS-klemspanning + TVS-voorwaartse spanning
Met de hogere absolute maximale classificatiespecificatie kan de ontwerper een kleine TVS-diode gebruiken, zoals de SMAJ33, waarvan de klemspanning 60 V is bij 24 A en de TVS-doorlaatspanning 1 V is bij 24 A.
Spanning tussen C/Q en GND = 61V
Deze waarde hierboven valt binnen de absolute maximale classificatiespecificatie van de Maxim-transceiver.
Als de absolute maximale nominale specificatie echter lager is, meestal in de industrie rond de 45 V, dan is een veel grotere TVS-diode zoals de SMCJ33 vereist om de spanning tot een acceptabel niveau te beperken. Deze diode is meer dan 3× zo groot als die nodig is voor de Maxim-transceiver.
De grootte-impact van een grotere TVS-diode in het algehele sensorontwerp is aanzienlijk als de absolute maximale classificatiespecificatie van de transceiver lager is. Tabel 1 toont een geschat verschil in het PCB-gebied. De aanname hierbij is dat de sensor bestand moet zijn tegen een piekspanning van ±1 KV/24 A.
Tabel 1: Voordelen van een absoluut maximumvermogen van 65 V op sensorgrootte (Afbeelding: Maxim Integrated Products)
De volgende generatie IO-Link-transceivers is hierin zelfs verbeterd. De nieuwere IO-Link-transceivers van Maxim hebben nu een geïntegreerde beveiliging op IO-Link-lijninterfacepinnen (V24, C/Q, DI en GND). Alle pinnen zijn voorzien van een geïntegreerde ±1.2 kV/500 overspanningsbeveiliging. Bovendien zijn alle pinnen ook beveiligd tegen sperspanning, kortsluiting en hot-pluggable.
Zelfs met alle geïntegreerde beschermingsfuncties en de geïntegreerde DC-DC buck-regelaar, zijn deze apparaten verkrijgbaar in een klein WLP-pakket (4.1 x 2.1 mm); waardoor een klein IO-Link-sensorontwerp mogelijk is.
Conclusie
De IO-Link-transceivertechnologie van de eerste generatie kwam in gebruiksvriendelijke TQFN-pakketten met geïntegreerde LDO's die zouden voldoen aan de behoeften van een klein sensorontwerp. Naarmate de overwegingen op het gebied van vermogen en grootte groter werden, optimaliseerde de zendontvangertechnologie van de tweede generatie het stroomverbruik door over te stappen op een technologie die ons een lagere R gaf.ON om het stroomverbruik verder te verminderen en werden beschikbaar gesteld in nog kleinere WLP-pakketten.
De nieuwste generatie transceivers erkent de noodzaak om zowel de bescherming als een zeer efficiënte DC-DC buck-regelaar te integreren om de grootte en de warmteafvoer van het sensorsubsysteem verder te verminderen. Fig 6 toont een vooruitgang op hoog niveau van de IO-Link-transceivertechnologie van Maxim Integrated.
Fig. 6: Vooruitgang van de IO-Link-transceivertechnologie (Afbeelding: Maxim Integrated Products)
Naarmate IO-Link-technologie wordt ingezet in nog meer industriële sensoren, zijn deze apparaatspecificaties essentieel om kleine, robuuste, energiezuinige sensoren te implementeren.
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
over Maxim IntegratedMaxim Integrated Products