Исторически промышленные датчики поля были и остаются во многих случаях аналоговыми. Они включают в себя сенсорный элемент и способ передачи сенсорных данных контроллеру. Данные были однонаправленными аналогами. Затем появились бинарные датчики, которые обеспечивали цифровой сигнал включения / выключения и включали в себя чувствительный элемент: индуктивный, емкостной, ультразвуковой, фотоэлектрический и т. Д. Полупроводниковое переключающий элемент. Выход может быть переключением стороны высокого (HS) (PNP) или низкого (LS) переключением (NPN) или двухтактным (PP). Но данные по-прежнему ограничивались однонаправленной связью от датчик к мастеру, не имел контроля ошибок и по-прежнему требовал технического специалиста на заводе для выполнения таких задач, как ручная калибровка.
Требовалось лучшее решение, отвечающее требованиям «Индустрии 4.0», интеллектуальных датчиков и реконфигурируемых производственных цехов. Решением является протокол IO-Link, относительно новый стандарт для промышленных датчиков, демонстрирующий феноменальную траекторию роста.
По оценкам организации IO Link, на сегодняшний день в полевых условиях используется более 16 миллионов узлов с поддержкой IO-Link. Это число продолжает расти.
Рис.1: Быстрый рост протокола IO-Link (Изображение: Консорциум IO-Link)
IO-Link — это стандартизированный technology (IEC 61131-9), который регулирует взаимодействие датчиков и исполнительных механизмов в промышленных системах с контроллером. IO-Link — это канал связи «точка-точка» со стандартизированными разъемами, кабелями и протоколами. Система IO-Link предназначена для работы в рамках стандартной 3-проводной инфраструктуры датчиков и исполнительных механизмов и включает в себя ведущее устройство IO-Link и устройства IO-Link.
Связь IO-Link осуществляется между одним главным устройством и одним устройством (датчиком или исполнительным механизмом). Связь является двоичной (полудуплексной) и ограничена до 20 м с использованием неэкранированных кабелей. Для связи требуется 3-проводный интерфейс (L +. C / Q и L-). Диапазон питания в системе IO-Link составляет от 20 до 30 В для ведущего устройства и от 18 до 30 В для устройства (датчика или исполнительного механизма).
СентенцияСправочник по IO-Link1 описывает преимущества IO-Link следующим образом:
«IO-Link - это технология, которая позволяет традиционному двоичному или аналоговому датчику стать интеллектуальным датчиком, который больше не просто собирает данные, но позволяет пользователю удаленно изменять свои настройки на основе обратной связи в реальном времени, полученной о состоянии и состоянии других датчиков. на линии, а также производственную операцию, которую необходимо выполнить. Технология IO-Link позволяет датчикам стать взаимозаменяемыми через общий физический интерфейс, который использует стек протоколов и файл описания устройства ввода-вывода (IODD) для включения настраиваемого порта датчика. Он действительно готов к работе в режиме plug-and-play, но при этом дает возможность изменять параметры на лету ».
В заводской сетевой иерархии протокол IO-Link находится на периферии, обычно это датчики и исполнительные механизмы, как показано на Рис 2. Часто граничные устройства связываются со шлюзом, который транслирует протокол IO-Link в выбранную полевую шину.
Рис. 2: Протокол IO-Link используется для подключения интеллектуальных периферийных устройств к заводской сети. (Изображение: Maxim Integrated)
Для получения дополнительной информации о том, как IO-Link обеспечивает производственные среды нового поколения или Industrial IoT (как его иногда называют), обратитесь к предыдущей статье, в которой это подробно объясняется.2.
Разработка датчиков IO-Link
Датчики промышленного поля должны быть прочными, компактными и очень энергоэффективными, чтобы тепловыделение было минимальным. Большинство датчиков IO-Link имеют следующие компоненты:
- Чувствительный элемент с соответствующим аналоговым интерфейсом (AFE)
- Микроконтроллер, обрабатывающий данные, а в случае датчика IO-Link также запускает облегченный стек протоколов.
- Приемопередатчик IO-Link, который является физическим уровнем.
- Источник питания и во многих случаях защита (TVS для перенапряжения, EFT / всплеска, ESD и т. Д.).
Рекомендованные
Интеллект на периферии предприятия: повышение производительности и снижение затрат
Рассеивание тепла (энергоэффективность)
Как только мы разберемся с типичными компонентами, мы сможем посмотреть, как заложена гипотетическая мощность сенсора. Видеть Рис 3. Все эти цифры являются приблизительными. Они показывают, что потребляемая мощность приемопередатчика (выходного каскада) имеет значение при составлении бюджета общей потребляемой мощности системой датчика.
Начнем с крайней левой стороны, которая указывает на датчик IO-Link более старого поколения. Таким образом, становится яснее, каким образом развитие технологий в области микроконтроллера (MCU) и выходного каскада (то есть приемопередатчика) способствовало снижению общей мощности системы с годами.
Первоначальные трансиверы IO-Link или первого поколения потребляли 400 мВт или выше. Новейшие маломощные трансиверы Maxim IO-Link потребляют менее 100 мВт. Также помогли MCU. Устаревший MCU потребляет до 180 мВт, но более новый маломощный MCU может снизиться до 50 мВт.
Современный приемопередатчик канала ввода-вывода в сочетании с маломощным микроконтроллером может поддерживать общий бюджет мощности датчика в диапазоне от 400 мВт до 500 мВт.
Рассеивание мощности напрямую связано с рассеиванием тепла. Чем меньше размер датчика, тем более строгие требования к рассеиваемой мощности. По некоторым оценкам, закрытый цилиндрический датчик IO-Link диаметром 8 мм (M8) будет иметь максимальную рассеиваемую мощность 400 мВт, а закрытый цилиндрический датчик IO-Link диаметром 12 мм (M12) будет указывать максимальную рассеиваемую мощность 600 мВт.
И технологии продолжают совершенствоваться. Один из новых трансиверов IO-Link от Maxim Integrated, MAX14827A, рассеивает исключительно низкие 70 мВт при работе нагрузки 100 мА. Это достигается за счет оптимизации технологии для обеспечения очень низкого сопротивления 2.3 Ом (тип.).ON (на сопротивление).
Рис. 3: Гипотетический бюджет мощности промышленного датчика IO-Link. (Изображение: Maxim Integrated Products)
Для датчиков, которые используют очень низкий рабочий ток, скажем от 3 до 5 мА, и требуют питания 3.3 В и / или 5 В; регулируемая мощность может быть получена через LDO. И действительно, трансиверы Maxim IO-Link имеют встроенный LDO. Но по мере увеличения текущего потребления до 30 мА, LDO скоро станет доминирующим источником рассеивания мощности / тепла в системе. Для сравнения при 30 мА потребляемая мощность LDO может достигать 600 мВт.
Мощность LDO при 30 мА = (24-3.3) x 30 мА = 621 мВт
Для сравнения, понижающий преобразователь DC-DC Преобразователь питание датчика 30 мА с выходом 3 В напряжение рассеивает всего 90 мВт. Предполагая, что преобразователь имеет КПД 90% (потеря мощности всего 9 мВт), общая потребляемая мощность составит всего 90 + 9 = 99 мВт. 3.
Новейшие трансиверы IO-Link компании Maxim оснащены высокоэффективным преобразователем постоянного тока. регулятор как показано в Рис 4.
Рис. 4. Новейший приемопередатчик MAX22513 IO-Link от Maxim включает в себя интегрированный высокоэффективный стабилизатор постоянного и переменного тока. (Изображение: Maxim Integrated Products)
Размер датчика IO-Link
После рассеивания тепла размер является следующей самой большой проблемой для всех промышленных датчиков, и это также относится к новым датчикам IO-Link. По мере перехода на меньший форм-фактор пространство на плате становится все более дорогостоящим.
Рис 5 показывает, что для корпуса диаметром 12 мм приемопередатчик в корпусе уровня пластины (WLP) и DC-DC могут располагаться рядом на обычной печатной плате шириной 10.5 мм. На той же стороне все еще есть место для переходных отверстий и проводов. Если корпус датчика составляет 6 мм, то ширина печатной платы уменьшается до 4.5 мм. Затем микросхемы должны быть установлены с обеих сторон печатной платы даже в небольших корпусах WLP.
Рис. 5. Размер - еще одна большая проблема новейших датчиков IO-Link. (Изображение: Maxim Integrated Products)
Чтобы использовать эти размеры, трансивер должен быть доступен в WLP, допускающем наименьший размер. Это ограничение размера также является одной из причин, по которой мы интегрировали DC-DC в наш новейший трансивер IO-Link, как показано ранее.
Но большинство промышленных датчиков также должны быть спроектированы для работы в суровых условиях, что означает, что они должны включать схемы защиты, такие как TVS-диоды, которые не показаны на рисунке. Рис 5. Здесь важно обратить внимание на абсолютные максимальные характеристики трансиверов IO-Link.
Давайте уточним: почему абсолютные максимальные значения 65 В для входов-выходов уменьшают размер сенсорной подсистемы? Обычно датчику необходимо выдерживать импульсные перенапряжения между 4 контактами: GND, C / Q, DI и DO. Приемопередатчики Maxim IO-Link имеют абсолютный максимум номинального напряжения 65 В. Если мы возьмем пример 1 кВ при скачке напряжения 24 В между C / Q и GND.
Напряжение между C / Q и GND = напряжение зажима TVS + прямое напряжение TVS
При более высоком абсолютном максимальном номинальном значении разработчик может использовать небольшой TVS-диод, такой как SMAJ33, напряжение фиксации которого составляет 60 В при 24 A, а прямое напряжение TVS составляет 1 В при 24 A.
Напряжение между C / Q и GND = 61 В
Приведенное выше значение находится в пределах абсолютных максимальных номинальных характеристик приемопередатчика Maxim.
Однако, если спецификация абсолютных максимальных номинальных значений ниже, обычно в промышленности оно составляет около 45 В, то требуется гораздо больший TVS-диод, такой как SMCJ33, для ограничения напряжения до приемлемого уровня. Этот диод более чем в 3 раза больше, чем тот, который требуется для трансивера Maxim.
Влияние размера TVS-диода большего размера на общую конструкцию сенсора существенно, если абсолютные максимальные характеристики трансивера ниже. Таблица 1 показывает примерную разницу в площади печатной платы. Предполагается, что датчик должен выдерживать скачок напряжения ± 1 кВ / 24 А.
Таблица 1: Преимущества абсолютного максимального напряжения 65 В для размера сенсора (Изображение: Maxim Integrated Products)
Следующее поколение трансиверов IO-Link даже улучшило это. Новые трансиверы IO-Link от Maxim теперь имеют встроенную защиту на выводах линейного интерфейса IO-Link (V24, C / Q, DI и GND). Все выводы имеют встроенную защиту от перенапряжения ± 1.2 кВ / 500 Ом. Кроме того, все контакты также защищены от обратного напряжения, короткого замыкания и горячего подключения.
Даже со всеми встроенными функциями защиты, а также со встроенным понижающим стабилизатором постоянного тока, эти устройства доступны в крошечном корпусе WLP (4.1 x 2.1 мм); возможность создания небольшой конструкции датчика IO-Link.
Заключение
Технология приемопередатчиков IO-Link первого поколения поставлялась в простых в использовании пакетах TQFN со встроенными LDO-датчиками, которые отвечали потребностям небольшой конструкции датчика. С учетом соображений мощности и размера приемопередатчики второго поколения оптимизировали энергопотребление за счет перехода на технологию, которая дала нам более низкий коэффициент сопротивления RON для дальнейшего снижения энергопотребления и были доступны в еще меньших пакетах WLP.
В новейшем поколении трансиверов признается необходимость интеграции как защиты, так и высокоэффективного понижающего стабилизатора постоянного тока, чтобы еще больше уменьшить размер и тепловыделение подсистемы сенсора. Рис 6 демонстрирует высокий уровень развития технологии трансиверов IO-Link от Maxim Integrated.
Рис.6: Развитие технологии приемопередатчиков IO-Link (Изображение: Maxim Integrated Products)
По мере того, как технология IO-Link применяется в еще большем количестве промышленных датчиков, эти характеристики устройств становятся ключевыми для реализации небольших, надежных и энергоэффективных датчиков.
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
о Maxim IntegratedMaxim Integrated Products