Tarihsel olarak, endüstriyel saha sensörleri çoğu durumda analogdu ve hala da analogdur. Bir algılama elemanı ve algılama verilerini bir kontrol cihazına ulaştırmanın bir yolunu içerirler. Veriler tek yönlü analogdu. Daha sonra dijital açma/kapama sinyali sağlayan ve bir algılama elemanı içeren ikili sensörler geldi: endüktif, kapasitif, ultrasonik, fotoelektrik vb. Yarıiletken anahtarlama elemanı. Çıkış, yüksek taraf (HS) anahtarlama (PNP) veya düşük taraf (LS) anahtarlama (NPN) veya itme-çekme (PP) olabilir. Ancak veriler hâlâ tek yönlü iletişimle sınırlıydı. algılayıcı ustaya bağlıydı, hata kontrolü yoktu ve manuel kalibrasyon gibi görevler için hâlâ fabrikada bir teknisyene ihtiyaç duyuluyordu.
"Endüstri 4.0", akıllı sensörler ve yeniden yapılandırılabilir fabrika zeminlerinin taleplerini karşılamak için daha iyi bir çözüme ihtiyaç vardı. Çözüm, olağanüstü bir büyüme yörüngesi gösteren endüstriyel sensörler için nispeten yeni bir standart olan IO-Link protokolüdür.
IO Link organizasyonu bugüne kadar sahada 16 milyondan fazla IO-Link özellikli düğümün kullanıldığını tahmin ediyor. Bu sayı hâlâ artıyor.
Şekil 1: IO-Link protokolünün hızlı büyümesi (Resim: IO-Link Konsorsiyumu)
IO-Link standartlaştırılmış bir teknoloji (IEC 61131-9), endüstriyel sistemlerdeki sensörlerin ve aktüatörlerin bir kontrolörle nasıl etkileşime girdiğini düzenler. IO-Link, standartlaştırılmış konektörler, kablolar ve protokoller içeren noktadan noktaya bir iletişim bağlantısıdır. IO-Link sistemi, endüstri standardı 3 kablolu sensör ve aktüatör altyapısıyla çalışacak şekilde tasarlanmıştır ve bir IO-Link ana ve IO-Link cihaz ürünlerinden oluşur.
IO-Link iletişimi bir ana cihaz ile bir cihaz (sensör veya aktüatör) arasındadır. İletişim ikili (yarı çift yönlü) olup, korumasız kablolar kullanılarak 20 m ile sınırlıdır. İletişim 3 kablolu bir arayüz gerektirir (L+. C/Q ve L-). Bir IO-Link sistemindeki besleme aralığı master için 20 V - 30 V ve cihaz (sensör veya aktüatör) için 18 - 30 V'tur.
ÖzdeyişIO-Link el kitabı1 IO-Link avantajlarını şu şekilde detaylandırıyor:
“IO-Link, geleneksel bir ikili veya analog sensörün artık yalnızca veri toplamakla kalmayıp aynı zamanda diğer sensörlerin sağlığı ve durumu hakkında elde edilen gerçek zamanlı geri bildirime dayalı olarak kullanıcının ayarlarını uzaktan değiştirmesine olanak tanıyan akıllı bir sensör haline gelmesini sağlayan bir teknolojidir. hatta gerçekleştirmesi gereken üretim işleminin yanı sıra. IO-Link teknolojisi, yapılandırılabilir bir sensör bağlantı noktasını etkinleştirmek için bir protokol yığını ve bir IO Cihaz Açıklaması (IODD) dosyası kullanan ortak bir fiziksel arayüz aracılığıyla sensörlerin değiştirilebilir olmasını sağlar. Parametreleri anında yeniden yapılandırma olanağı sağlarken gerçek anlamda tak ve çalıştır özelliğindedir."
Fabrika ağ hiyerarşisinde IO-Link protokolü, aşağıda gösterildiği gibi tipik olarak sensörler ve aktüatörler olan uçta yer alır. İncir. 2. Çoğu zaman uç cihazlar, IO-Link protokolünü tercih edilen fieldbus'a çeviren bir ağ geçidiyle iletişim kurar.
Şekil 2: IO-Link protokolü, akıllı uç cihazlarını fabrika ağına bağlamak için kullanılır. (Resim: Maxim Entegre)
IO-Link'in yeni nesil üretim ortamlarını veya Endüstriyel IoT'yi (bazen adlandırıldığı şekliyle) nasıl mümkün kıldığına dair daha fazla bilgi için, bunu ayrıntılı olarak açıklayan önceki bir makaleye bakın.2.
IO-Link sensörlerinin tasarlanması
Isı yayılımının minimumda tutulması için endüstriyel saha sensörlerinin sağlam, küçük ve enerji açısından oldukça verimli olması gerekir. Çoğu IO-Link sensörü aşağıdaki bileşenlere sahiptir:
- İlgili analog ön uca (AFE) sahip algılama elemanı
- Verileri işleyen bir mikro denetleyici ve IO-Link sensörü durumunda hafif protokol yığınını da çalıştırır.
- Fiziksel katman olan bir IO-Link alıcı-vericisi.
- Güç kaynağı ve çoğu durumda koruma (dalgalanma, EFT/patlama, ESD vb. için TVS).
Tavsiye edilen
Fabrika sınırında zeka: Üretkenliği artırın ve maliyetleri iyileştirin
Isı dağıtımı (güç verimliliği)
Tipik bileşenleri anladıktan sonra, varsayımsal bir sensör gücünün nasıl bütçelendirildiğine bakabiliriz. Görmek İncir. 3. Bu rakamların tamamı tahmindir. Bir sensörün toplam sistem güç tüketimini bütçelendirirken alıcı-verici (çıkış aşaması) güç tüketiminin önemli olduğunu göstermektedir.
Eski nesil IO-Link sensörünü belirten en sol taraftan başlayalım. Böylece mikrokontrolör (MCU) ve çıkış aşamasındaki (yani alıcı-verici) teknolojideki ilerlemelerin yıllar içinde toplam sistem gücünün azalmasına nasıl katkıda bulunduğu daha net hale geliyor.
Orijinal veya birinci nesil IO-Link alıcı-vericileri 400 mW veya daha fazlasını tüketiyordu. En yeni düşük güçlü Maxim IO-Link alıcı-vericileri 100 mW'tan daha az enerji tüketir. Ayrıca MCU'lar da yardımcı oldu. Eski bir MCU 180 mW'a kadar enerji tüketir, ancak daha yeni düşük güçlü MCU 50 mW'a kadar düşebilir.
Düşük güçlü bir MCU ile birleştirilmiş son teknoloji ürünü bir IO link alıcı-vericisi, toplam sensör güç bütçesini 400 mW ila 500 mW aralığında tutabilir.
Güç dağıtımı doğrudan ısı dağıtımıyla ilgilidir. Sensör ne kadar küçük olursa, güç dağıtımı spesifikasyonu da o kadar sıkı olur. Bazı tahminlere göre, 8 mm çaplı (M8) kapalı silindirik IO-Link sensörü, 400 mW'lık maksimum güç dağılımını belirleyecek ve 12 mm çaplı (M12) kapalı silindirik IO-Link sensörü, 600 mW'lık maksimum güç dağılımını belirtecektir. mW.
Ve teknoloji gelişmeye devam ediyor. Maxim Integrated'in yeni IO-Link alıcı-vericilerinden biri olan MAX14827A, 70 mA'lik bir yükü çalıştırırken oldukça düşük bir 100 mW'lık enerji harcar. Bu, teknolojinin çok düşük 2.3 Ω (tip.) R sağlayacak şekilde optimize edilmesiyle elde edilir.ON (direnç açık).
Şekil 3: Varsayımsal bir IO-Link endüstriyel sensör güç bütçesi. (Resim: Maxim Entegre Ürünler)
3 ila 5 mA gibi çok düşük çalışma akımı kullanan ve 3.3 V ve/veya 5 V besleme gerektiren sensörler için; düzenlenmiş güç bir LDO aracılığıyla sağlanabilir. Ve gerçekten de Maxim'in IO-Link alıcı-vericileri entegre bir LDO içeriyor. Ancak mevcut talep 30 mA'ya kadar arttığında, LDO yakında sistemdeki baskın güç/ısı dağılımı kaynağı haline gelecektir. 30 mA ile karşılaştırmak gerekirse, bir LDO'nun güç tüketimi 600 mW'a kadar çıkabilir.
LDO Gücü @30 mA = (24-3.3) x 30 mA = 621 mW
Buna karşılık, bir DC-DC parası Dönüştürücü 30 V çıkışlı 3 mA sensör beslemesi Voltaj sadece 90 mW enerji tüketecek. Dönüştürücünün %90 verimli olduğunu varsayarsak (yalnızca 9 mW güç kaybı), genel güç tüketimi yalnızca 90 + 9 = 99 mW olur 3.
Maxim'in en yeni IO-Link alıcı-vericileri yüksek verimli bir DC-DC'yi entegre etti regülatör da gösterildiği gibi İncir. 4.
Şekil 4: Maxim'in en yeni MAX22513 IO-Link alıcı-vericisi, entegre yüksek verimli bir DC-DC regülatörü içerir. (Resim: Maxim Entegre Ürünler)
IO-Link sensörünün boyutu
Isı dağıtımından sonra boyut, tüm endüstriyel sensörler için bir sonraki en büyük sorundur ve bu, yeni IO-Link sensörleri için de geçerlidir. Daha küçük bir form faktörüne geçiş yaptıkça anakart alanı giderek daha değerli hale geliyor.
İncir. 5 12 mm çaplı bir mahfaza için, levha seviye paketindeki (WLP) alıcı-vericinin ve DC-DC'nin, 10.5 mm genişliğe sahip normal bir PCB üzerinde yan yana oturabileceğini gösterir. Aynı tarafta vialar ve kablolar için hala yer var. Sensör muhafazası 6 mm ise PCB genişliği 4.5 mm'ye düşer. Daha sonra çipler, küçük WLP paketlerinde bile PCB'nin her iki tarafına da monte edilmelidir.
Şekil 5: Boyut, en yeni IO-Link sensör tasarımlarındaki bir diğer büyük sorundur. (Resim: Maxim Entegre Ürünler)
Bu boyutları etkinleştirmek için alıcı-vericinin en küçük boyuta izin veren bir WLP'de mevcut olması gerekir. Bu boyut sınırlaması aynı zamanda daha önce gösterildiği gibi en yeni IO-Link alıcı-vericimize bir DC-DC entegre etmemizin nedenlerinden biridir.
Ancak çoğu endüstriyel sensör aynı zamanda zorlu bir ortamda çalışacak şekilde tasarlanmalıdır; bu, TVS diyotları gibi, şekilde gösterilmeyen koruma devrelerini içermeleri gerektiği anlamına gelir. İncir. 5. IO-Link alıcı-vericileri için mutlak maksimum derecelendirme spesifikasyonuna dikkat etmenin önemli olduğu yer burasıdır.
Biraz detaylandıralım: Neden IO'lardaki 65 V mutlak maksimum değerler sensör alt sisteminin boyutunu küçültüyor? Tipik olarak sensörün 4 pin arasındaki dalgalanma darbelerine dayanması gerekir: GND, C/Q, DI ve DO. Maxim'in IO-Link alıcı-vericileri 65-V mutlak maksimum değerlere sahiptir. C/Q ile GND arasında 1 V'luk bir dalgalanma örneğini ele alırsak.
C/Q ve GND arasındaki voltaj = TVS kelepçe voltajı + TVS ileri voltajı
Daha yüksek mutlak maksimum değer spesifikasyonuyla tasarımcı, kelepçe voltajı 33 A'da 60 V ve TVS ileri voltajı 24 A'da 1 V olan SMAJ24 gibi küçük bir TVS diyotu kullanabilir.
C/Q ve GND arasındaki voltaj = 61V
Yukarıdaki bu değer, Maxim alıcı-vericinin mutlak maksimum derecelendirme spesifikasyonu dahilindedir.
Bununla birlikte, mutlak maksimum derecelendirme spesifikasyonu daha düşükse, yani endüstride tipik olarak 45 V civarındaysa, voltajı kabul edilebilir bir seviyeye sıkıştırmak için SMCJ33 gibi çok daha büyük bir TVS diyotu gerekir. Bu diyot, Maxim alıcı-verici için gerekli olanın 3 katından daha büyüktür.
Alıcı-vericinin mutlak maksimum derecelendirme spesifikasyonu daha düşükse, daha büyük bir TVS diyotunun genel sensör tasarımındaki boyut etkisi önemlidir. Tablo 1 PCB alanında tahmini bir fark gösterir. Buradaki varsayım, sensörün ±1 KV/24 A yüksek seviyeli dalgalanmaya dayanabilmesi gerektiğidir.
Tablo 1: Sensör boyutunda 65 V mutlak maksimum değerin avantajları (Resim: Maxim Integrated Products)
Yeni nesil IO-Link alıcı-vericileri bunu daha da geliştirdi. Maxim'in daha yeni IO-Link alıcı-vericileri artık IO-Link hat arayüzü pinlerinde (V24, C/Q, DI ve GND) entegre bir korumaya sahiptir. Tüm pinler entegre ±1.2 kV/500 Ω aşırı gerilim korumasına sahiptir. Ayrıca tüm pinler ters voltaj korumalı, kısa devre korumalı ve çalışırken takılmaya karşı korumalıdır.
Tüm entegre koruma özelliklerinin yanı sıra entegre DC-DC buck regülatörüne rağmen bu cihazlar küçük bir WLP paketinde (4.1 x 2.1 mm) mevcuttur; küçük bir IO-Link sensör tasarımına olanak tanır.
Sonuç
Birinci nesil IO-Link alıcı-verici teknolojisi, küçük sensör tasarımının ihtiyaçlarını karşılayacak entegre LDO'lara sahip, kullanımı kolay TQFN paketleriyle geldi. Güç ve boyut hususları arttıkça, ikinci nesil alıcı-verici teknolojisi bize daha düşük R sağlayan bir teknolojiye geçerek güç tüketimini optimize etti.ON güç tüketimini daha da azaltmak için daha da küçük WLP paketleri halinde kullanıma sunuldu.
En yeni nesil alıcı-vericiler, sensör alt sisteminin boyutunu ve ısı dağılımını daha da azaltmak için hem korumayı hem de yüksek verimli bir DC-DC buck regülatörünü entegre etme ihtiyacının bilincindedir. İncir. 6 Maxim Integrated'in IO-Link alıcı-verici teknolojisinin üst düzey ilerlemesini gösterir.
Şekil 6: IO-Link alıcı-verici teknolojisinin gelişimi (Resim: Maxim Integrated Products)
IO-Link teknolojisi daha da fazla endüstriyel sensörde kullanıldıkça, bu cihaz özellikleri küçük, sağlamlaştırılmış, güç açısından verimli sensörlerin uygulanmasında kilit rol oynuyor.
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
Maxim IntegratedMaxim Entegre Ürünleri hakkında