การใช้เซ็นเซอร์ภาคสนามอุตสาหกรรมขนาดเล็กที่ประหยัดพลังงานด้วย IO-Link

ในอดีต เซ็นเซอร์ภาคสนามอุตสาหกรรมเคยเป็นและยังคงเป็นแบบอะนาล็อกในหลายกรณี ประกอบด้วยองค์ประกอบการตรวจจับและวิธีรับข้อมูลการตรวจจับไปยังตัวควบคุม ข้อมูลเป็นแบบแอนะล็อกทิศทางเดียว จากนั้นมีเซ็นเซอร์ไบนารีซึ่งให้สัญญาณเปิด/ปิดแบบดิจิทัล และรวมองค์ประกอบการตรวจจับ: อุปนัย คาปาซิทีฟ อัลตราโซนิก โฟโตอิเล็กทริก ฯลฯ ด้วย สารกึ่งตัวนำ องค์ประกอบการสลับ เอาต์พุตอาจเป็นสวิตชิ่งด้านสูง (HS) (PNP) หรือสวิตช์ด้านต่ำ (LS) (NPN) หรือแบบกดดึง (PP) แต่ข้อมูลยังคงจำกัดอยู่เพียงการสื่อสารทางเดียวจาก from เซ็นเซอร์ ถึงเจ้านาย ไม่มีการควบคุมข้อผิดพลาด และยังต้องการช่างที่พื้นโรงงานสำหรับงานต่างๆ เช่น การสอบเทียบด้วยตนเอง

จำเป็นต้องมีโซลูชันที่ดีกว่าเพื่อตอบสนองความต้องการของ "Industry 4.0", เซ็นเซอร์อัจฉริยะ และพื้นโรงงานที่กำหนดค่าใหม่ได้ โซลูชันคือโปรโตคอล IO-Link ซึ่งเป็นมาตรฐานที่ค่อนข้างใหม่สำหรับเซ็นเซอร์อุตสาหกรรมที่แสดงวิถีการเติบโตอย่างมหัศจรรย์

องค์กร IO Link ประมาณการว่ามีการใช้งานโหนดที่เปิดใช้งาน IO-Link มากกว่า 16 ล้านโหนดจนถึงปัจจุบัน จำนวนนั้นยังคงเพิ่มขึ้น

IO-Link เป็นมาตรฐาน เทคโนโลยี (IEC 61131-9) ซึ่งควบคุมวิธีที่เซ็นเซอร์และตัวกระตุ้นในระบบอุตสาหกรรมโต้ตอบกับตัวควบคุม IO-Link คือลิงก์การสื่อสารแบบจุดต่อจุดพร้อมตัวเชื่อมต่อ สายเคเบิล และโปรโตคอลที่ได้มาตรฐาน ระบบ IO-Link ได้รับการออกแบบมาเพื่อทำงานภายในโครงสร้างพื้นฐานเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์แบบ 3 สายมาตรฐานอุตสาหกรรม และประกอบด้วยผลิตภัณฑ์หลัก IO-Link และอุปกรณ์ IO-Link

การสื่อสาร IO-Link อยู่ระหว่างอุปกรณ์หลักหนึ่งเครื่องและหนึ่งอุปกรณ์ (เซ็นเซอร์หรือตัวกระตุ้น) การสื่อสารเป็นแบบไบนารี (ฮาล์ฟดูเพล็กซ์) และจำกัดไว้ที่ 20 ม. โดยใช้สายเคเบิลที่ไม่หุ้มฉนวน การสื่อสารต้องใช้อินเทอร์เฟซ 3 สาย (L+. C/Q และ L-) ช่วงการจ่ายไฟในระบบ IO-Link คือ 20 V ถึง 30 V สำหรับมาสเตอร์และ 18 ถึง 30 V สำหรับอุปกรณ์ (เซ็นเซอร์หรือแอคทูเอเตอร์)

สูงสุดคู่มือ IO-Link ของ¹ อธิบายข้อดีของ IO-Link ดังนี้:

“IO-Link เป็นเทคโนโลยีที่ช่วยให้เซ็นเซอร์ไบนารีหรืออะนาล็อกแบบดั้งเดิมกลายเป็นเซ็นเซอร์อัจฉริยะที่ไม่เพียงรวบรวมข้อมูลอีกต่อไป แต่ยังช่วยให้ผู้ใช้เปลี่ยนการตั้งค่าจากระยะไกลตามความคิดเห็นแบบเรียลไทม์ที่ได้รับเกี่ยวกับสุขภาพและสถานะของเซ็นเซอร์อื่น ๆ ในสายการผลิต รวมถึงการดำเนินการด้านการผลิตที่จำเป็นต้องดำเนินการ เทคโนโลยี IO-Link ช่วยให้เซ็นเซอร์สามารถเปลี่ยนแทนกันได้ผ่านอินเทอร์เฟซทางกายภาพทั่วไปที่ใช้โปรโตคอลสแต็กและไฟล์ IO Device Description (IODD) เพื่อเปิดใช้งานพอร์ตเซ็นเซอร์ที่กำหนดค่าได้ ใช้งานได้จริงพร้อมเสียบปลั๊กและให้ความสามารถในการกำหนดค่าพารามิเตอร์ใหม่ได้ทันที”

ภายในลำดับชั้นเครือข่ายของโรงงาน โปรโตคอล IO-Link จะอยู่ที่ขอบ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเป็นเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์ดังที่แสดงใน มะเดื่อ. 2. หลายครั้ง อุปกรณ์ Edge จะสื่อสารกับเกตเวย์ที่แปลโปรโตคอล IO-Link เป็น fieldbus ที่ต้องการ

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีที่ IO-Link เปิดใช้งานสภาพแวดล้อมการผลิตยุคหน้าหรือ IoT ทางอุตสาหกรรม (ตามที่บางครั้งเรียกว่า) โปรดดูบทความก่อนหน้าที่อธิบายรายละเอียดนี้².

การออกแบบเซ็นเซอร์ IO-Link

เซ็นเซอร์ภาคสนามอุตสาหกรรมต้องมีความทนทาน ขนาดเล็ก และประหยัดพลังงานมาก เพื่อให้มีการกระจายความร้อนน้อยที่สุด เซ็นเซอร์ IO-Link ส่วนใหญ่มีส่วนประกอบดังต่อไปนี้:

• องค์ประกอบการตรวจจับที่มีส่วนหน้าแบบอะนาล็อกที่เกี่ยวข้อง (AFE)
• ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ประมวลผลข้อมูล และในกรณีของเซ็นเซอร์ IO-Link จะรันสแต็กโปรโตคอลที่มีน้ำหนักเบาด้วย
• ตัวรับส่งสัญญาณ IO-Link ที่เป็นฟิสิคัลเลเยอร์
• แหล่งจ่ายไฟและการป้องกันในหลายกรณี (TVS สำหรับไฟกระชาก, EFT/ระเบิด, ESD ฯลฯ)

---

แนะนำ
ความชาญฉลาดที่ขอบโรงงาน: เพิ่มผลผลิตและปรับปรุงต้นทุน

---

การกระจายความร้อน (ประสิทธิภาพพลังงาน)

เมื่อเราเข้าใจส่วนประกอบทั่วไปแล้ว เราสามารถดูว่ากำลังของเซ็นเซอร์สมมุติฐานถูกตั้งงบประมาณไว้อย่างไร ดู มะเดื่อ. 3. ตัวเลขทั้งหมดนี้เป็นค่าประมาณ พวกเขาแสดงให้เห็นว่าการใช้พลังงานของตัวรับส่งสัญญาณ (ระยะเอาต์พุต) มีความสำคัญเมื่อจัดทำงบประมาณการใช้พลังงานของระบบทั้งหมดของเซ็นเซอร์

เริ่มกันที่ด้านซ้ายสุดซึ่งระบุเซ็นเซอร์ IO-Link รุ่นเก่ากว่า ด้วยวิธีนี้จะชัดเจนขึ้นว่าความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) และขั้นตอนการส่งออก (เช่น ตัวรับส่งสัญญาณ) มีส่วนทำให้กำลังของระบบทั้งหมดลดลงในช่วงหลายปีที่ผ่านมาได้อย่างไร

ตัวรับส่งสัญญาณ IO-Link ดั้งเดิมหรือรุ่นแรกใช้ 400 mW หรือสูงกว่า Maxim IO-Link tranceivers พลังงานต่ำใหม่ล่าสุดกินไฟน้อยกว่า 100 mW นอกจากนี้ MCU ยังได้ช่วย MCU รุ่นเก่าใช้พลังงานมากถึง 180 mW แต่ MCU ที่ใช้พลังงานต่ำรุ่นใหม่กว่าสามารถลดลงได้ถึง 50 mW

ตัวรับส่งสัญญาณลิงค์ IO ที่ล้ำสมัยควบคู่ไปกับ MCU ที่ใช้พลังงานต่ำสามารถรักษางบประมาณพลังงานเซ็นเซอร์ทั้งหมดไว้ได้ในช่วง 400 mW ถึง 500 mW

การกระจายพลังงานเกี่ยวข้องโดยตรงกับการกระจายความร้อน ยิ่งเซ็นเซอร์มีขนาดเล็กเท่าใด ข้อกำหนดในการกระจายพลังงานก็จะยิ่งเข้มงวดมากขึ้นเท่านั้น จากการประมาณการบางอย่าง เซ็นเซอร์ IO-Link ทรงกระบอกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 มม. (M8) จะระบุการกระจายพลังงานสูงสุดที่ 400 mW และเส้นผ่านศูนย์กลาง 12 มม. (M12) เซ็นเซอร์ IO-Link ทรงกระบอกที่ปิดล้อมจะระบุการกระจายพลังงานสูงสุดที่ 600 มิลลิวัตต์

และเทคโนโลยีก็ดีขึ้นเรื่อยๆ หนึ่งในตัวรับส่งสัญญาณ IO-Link ใหม่จาก Maxim Integrated คือ MAX14827A กระจายพลังงานต่ำอย่างน่าทึ่ง 70 mW เมื่อขับโหลด 100 mA ซึ่งทำได้โดยการปรับเทคโนโลยีให้เหมาะสมเพื่อให้ได้ค่า R . ที่ต่ำมาก 2.3 Ω (typ.)_ON (บนความต้านทาน).

สำหรับเซ็นเซอร์ที่ใช้กระแสไฟในการทำงานต่ำมาก ให้พูดว่า 3 ถึง 5mA และต้องใช้แหล่งจ่ายไฟ 3.3-V และ/หรือ 5-V แหล่งพลังงานที่มีการควบคุมสามารถหาได้จาก LDO และแน่นอน ตัวรับส่งสัญญาณ IO-Link ของ Maxim ได้รวม LDO ในตัวด้วย แต่เมื่อความต้องการในปัจจุบันเพิ่มขึ้นถึง 30 mA ในไม่ช้า LDO ก็จะกลายเป็นแหล่งพลังงาน/การกระจายความร้อนที่โดดเด่นในระบบ ในการเปรียบเทียบที่ 30 mA การสิ้นเปลืองพลังงานของ LDO อาจสูงถึง 600 mW

พลังงาน LDO @30 mA = (24-3.3) x 30 mA = 621 mW

ในการเปรียบเทียบ DC-DC buck Converter จ่ายเซ็นเซอร์ 30 mA พร้อมเอาต์พุต 3-V แรงดันไฟฟ้า จะกระจายไปเพียง 90 mW สมมติว่าตัวแปลงมีประสิทธิภาพ 90% (สูญเสียพลังงานเพียง 9 mW) การใช้พลังงานโดยรวมเพียง 90 + 9 = 99 mW ³.

ตัวรับส่งสัญญาณ IO-Link ใหม่ล่าสุดของ Maxim ได้รวม DC-DC ประสิทธิภาพสูงเข้าด้วยกัน เครื่องควบคุม ดังแสดงใน มะเดื่อ. 4.

ขนาดของเซ็นเซอร์ IO-Link

หลังจากการระบายความร้อน ขนาดเป็นปัญหาใหญ่รองลงมาสำหรับเซ็นเซอร์อุตสาหกรรมทั้งหมด และมีผลกับเซ็นเซอร์ IO-Link ใหม่ด้วยเช่นกัน พื้นที่บอร์ดมีคุณภาพสูงขึ้นเรื่อยๆ เมื่อเราย้ายไปยังฟอร์มแฟกเตอร์ที่มีขนาดเล็กลง

มะเดื่อ. 5 แสดงให้เห็นว่าสำหรับตัวเรือนขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 12 มม. ตัวรับส่งสัญญาณในแพ็คเกจระดับเวเฟอร์ (WLP) และ DC-DC สามารถวางเคียงข้างกันบน PCB ปกติซึ่งมีความกว้าง 10.5 มม. ยังมีที่ว่างสำหรับจุดแวะและสายไฟที่ด้านเดียวกัน หากตัวเรือนเซ็นเซอร์ 6 มม. ความกว้างของ PCB จะลดลงเหลือ 4.5 มม. จากนั้นชิปจะต้องติดตั้งที่ทั้งสองด้านของ PCB แม้จะมีแพ็คเกจ WLP ขนาดเล็กก็ตาม

ในการเปิดใช้งานขนาดเหล่านี้ ตัวรับส่งสัญญาณต้องมีอยู่ใน WLP ที่อนุญาตให้มีขนาดที่เล็กที่สุด ข้อจำกัดขนาดนี้เป็นหนึ่งในเหตุผลที่เราได้รวม DC-DC ไว้ในตัวรับส่งสัญญาณ IO-Link ใหม่ล่าสุดของเราดังที่แสดงไว้ก่อนหน้านี้

แต่เซ็นเซอร์อุตสาหกรรมส่วนใหญ่ยังต้องได้รับการออกแบบให้ทำงานในสภาพแวดล้อมที่สมบุกสมบัน ซึ่งหมายความว่าจะต้องรวมวงจรป้องกัน เช่น ไดโอด TVS ซึ่งไม่แสดงใน มะเดื่อ. 5. นี่คือสิ่งสำคัญที่ต้องให้ความสนใจกับข้อกำหนดการให้คะแนนสูงสุดที่แน่นอนสำหรับตัวรับส่งสัญญาณ IO-Link

มาอธิบายกันอย่างละเอียดว่าทำไมการให้คะแนนสูงสุดแบบสัมบูรณ์ 65-V บน IO จึงลดขนาดของระบบย่อยของเซ็นเซอร์ โดยปกติ เซ็นเซอร์จะต้องเอาชีวิตรอดจากไฟกระชากระหว่าง 4 พิน: GND, C/Q, DI และ DO ตัวรับส่งสัญญาณ IO-Link ของ Maxim มีข้อกำหนดการให้คะแนนสูงสุด 65-V สัมบูรณ์ ถ้าเรายกตัวอย่าง 1 KV ที่ไฟกระชาก 24 V ระหว่าง C/Q และ GND

แรงดันไฟระหว่าง C/Q และ GND = แรงดันแคลมป์ TVS + แรงดันไฟไปข้างหน้า TVS

ด้วยข้อกำหนดการให้คะแนนสูงสุดสัมบูรณ์ที่สูงกว่า ผู้ออกแบบสามารถใช้ไดโอด TVS ขนาดเล็ก เช่น SMAJ33 ที่มีแรงดันแคลมป์อยู่ที่ 60 V ที่ 24 A และแรงดันส่งต่อ TVS คือ 1 V ที่ 24 A

แรงดันไฟฟ้าระหว่าง C/Q และ GND = 61V

ค่าข้างต้นนี้อยู่ในข้อกำหนดการให้คะแนนสูงสุดของตัวรับส่งสัญญาณ Maxim

อย่างไรก็ตาม หากข้อกำหนดการให้คะแนนสูงสุดแบบสัมบูรณ์ต่ำกว่า โดยทั่วไปในอุตสาหกรรมจะอยู่ที่ประมาณ 45 V แสดงว่าต้องใช้ไดโอด TVS ที่ใหญ่กว่ามาก เช่น SMCJ33 เพื่อปรับแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ในระดับที่ยอมรับได้ ไดโอดนี้มีขนาดมากกว่า 3 เท่าของขนาดที่จำเป็นสำหรับตัวรับส่งสัญญาณ Maxim

ผลกระทบของขนาดของไดโอด TVS ที่ใหญ่กว่าในการออกแบบเซ็นเซอร์โดยรวมนั้นมีความสำคัญหากข้อกำหนดการให้คะแนนสูงสุดของตัวรับส่งสัญญาณต่ำกว่า 1 ตาราง แสดงความแตกต่างโดยประมาณในพื้นที่ PCB ข้อสันนิษฐานในที่นี้คือ เซ็นเซอร์ต้องสามารถทนต่อไฟกระชากในระดับสูงที่ ±1 KV/24 A

ตัวรับส่งสัญญาณ IO-Link รุ่นต่อไปได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นกว่านี้ ตัวรับส่งสัญญาณ IO-Link รุ่นใหม่กว่าจาก Maxim มีการป้องกันแบบบูรณาการบนพินอินเทอร์เฟซ IO-Link (V24, C/Q, DI และ GND) หมุดทั้งหมดมีการป้องกันไฟกระชากในตัว ±1.2 kV/500 Ω นอกจากนี้ พินทั้งหมดยังได้รับการป้องกันแรงดันย้อนกลับ ป้องกันการลัดวงจร และป้องกันปลั๊กร้อน

แม้จะมีคุณสมบัติการป้องกันแบบบูรณาการทั้งหมด เช่นเดียวกับตัวควบคุมบั๊ก DC-DC ในตัว อุปกรณ์เหล่านี้ก็มีให้ในแพ็คเกจ WLP ขนาดเล็ก (4.1 x 2.1 มม.) เปิดใช้งานการออกแบบเซ็นเซอร์ IO-Link ขนาดเล็ก

สรุป

เทคโนโลยีตัวรับส่งสัญญาณ IO-Link รุ่นแรกมาในแพ็คเกจ TQFN ที่ใช้งานง่ายพร้อม LDO ในตัวที่จะตอบสนองความต้องการของการออกแบบเซ็นเซอร์ขนาดเล็ก เมื่อพิจารณาเรื่องพลังงานและขนาดแล้ว เทคโนโลยีตัวรับส่งสัญญาณรุ่นที่สองจะปรับการใช้พลังงานให้เหมาะสมที่สุดโดยการย้ายไปยังเทคโนโลยีที่ให้ค่า R ที่ต่ำลง_ON เพื่อลดการใช้พลังงานเพิ่มเติมและมีให้ในแพ็คเกจ WLP ที่เล็กกว่า

ตัวรับส่งสัญญาณรุ่นใหม่ล่าสุดตระหนักถึงความจำเป็นในการบูรณาการทั้งการป้องกันและตัวควบคุมบั๊ก DC-DC ที่มีประสิทธิภาพสูงเพื่อลดขนาดและการกระจายความร้อนของระบบย่อยของเซ็นเซอร์ มะเดื่อ. 6 แสดงความก้าวหน้าระดับสูงของเทคโนโลยีตัวรับส่งสัญญาณ IO-Link จาก Maxim Integrated

เมื่อเทคโนโลยี IO-Link ถูกปรับใช้ในเซ็นเซอร์อุตสาหกรรมมากขึ้น ข้อมูลจำเพาะของอุปกรณ์เหล่านี้เป็นกุญแจสำคัญในการปรับใช้เซ็นเซอร์ขนาดเล็ก ทนทาน และประหยัดพลังงาน  

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

เกี่ยวกับ Maxim IntegratedMaxim Integrated Products