Trong lịch sử, các cảm biến trường công nghiệp và trong nhiều trường hợp vẫn là tương tự. Chúng bao gồm một phần tử cảm biến và một số cách để đưa dữ liệu cảm biến đến bộ điều khiển. Dữ liệu là tương tự đơn hướng. Sau đó là cảm biến nhị phân, cung cấp tín hiệu bật / tắt kỹ thuật số và bao gồm phần tử cảm biến: cảm ứng, điện dung, siêu âm, quang điện, v.v. với Semiconductor phần tử chuyển mạch. Đầu ra có thể là chuyển mạch phía cao (HS) (PNP) hoặc chuyển mạch phía thấp (LS) (NPN) hoặc đẩy-kéo (PP). Nhưng dữ liệu vẫn bị giới hạn trong giao tiếp một chiều từ cảm biến đối với tổng thể, không có kiểm soát lỗi và vẫn yêu cầu một kỹ thuật viên tại xưởng sản xuất cho các công việc như hiệu chuẩn thủ công.
Cần có một giải pháp tốt hơn để đáp ứng nhu cầu của “Công nghiệp 4.0”, các cảm biến thông minh và các tầng nhà máy có thể cấu hình lại. Giải pháp là giao thức IO-Link, một tiêu chuẩn tương đối mới cho các cảm biến công nghiệp đang cho thấy một quỹ đạo tăng trưởng phi thường.
Tổ chức IO Link ước tính rằng hơn 16 triệu nút hỗ trợ IO-Link đang được sử dụng trong lĩnh vực này cho đến nay. Con số đó vẫn đang tiếp tục tăng lên.
Hình 1: Sự phát triển nhanh chóng của giao thức IO-Link (Ảnh: IO-Link Consortium)
IO-Link là một tiêu chuẩn hóa công nghệ (IEC 61131-9) quy định cách các cảm biến và bộ truyền động trong hệ thống công nghiệp tương tác với bộ điều khiển. IO-Link là liên kết truyền thông điểm-điểm với các đầu nối, cáp và giao thức được tiêu chuẩn hóa. Hệ thống IO-Link được thiết kế để hoạt động trong cơ sở hạ tầng bộ truyền động và cảm biến 3 dây tiêu chuẩn công nghiệp và bao gồm các sản phẩm thiết bị IO-Link chính và IO-Link.
Giao tiếp IO-Link là giữa một thiết bị chính và một thiết bị (cảm biến hoặc thiết bị truyền động). Truyền thông là dạng nhị phân (bán song công) và được giới hạn trong phạm vi 20 m, sử dụng cáp không được che chắn. Giao tiếp yêu cầu giao diện 3 dây (L +. C / Q và L-). Phạm vi cung cấp trong hệ thống IO-Link là 20 V đến 30 V cho chính và 18 đến 30 V cho thiết bị (cảm biến hoặc thiết bị truyền động).
Châm ngônSổ tay IO-Link của1 xây dựng các ưu điểm của IO-Link như sau:
“IO-Link là công nghệ cho phép cảm biến tương tự hoặc nhị phân truyền thống trở thành cảm biến thông minh không chỉ thu thập dữ liệu mà cho phép người dùng thay đổi từ xa cài đặt của nó dựa trên phản hồi thời gian thực thu được về tình trạng và trạng thái của các cảm biến khác trên dây chuyền, cũng như hoạt động sản xuất mà nó cần thực hiện. Công nghệ IO-Link cho phép các cảm biến có thể hoán đổi cho nhau thông qua giao diện vật lý chung sử dụng ngăn xếp giao thức và tệp Mô tả thiết bị IO (IODD) để kích hoạt cổng cảm biến có thể định cấu hình. Nó thực sự sẵn sàng plug-and-play đồng thời cung cấp khả năng cấu hình lại các thông số một cách nhanh chóng. ”
Trong hệ thống phân cấp mạng của nhà máy, giao thức IO-Link nằm ở rìa, thường là các cảm biến và thiết bị truyền động như được hiển thị trong Sung. 2. Nhiều lần, các thiết bị biên giao tiếp với một cổng chuyển giao thức IO-Link sang fieldbus mà bạn lựa chọn.
Hình 2: Giao thức IO-Link được sử dụng để kết nối các thiết bị biên thông minh với mạng nhà máy. (Hình ảnh: Maxim Tích hợp)
Để biết thêm thông tin về cách IO-Link kích hoạt môi trường sản xuất thế hệ tiếp theo hoặc IoT công nghiệp (như nó đôi khi được gọi), hãy tham khảo bài viết trước giải thích chi tiết điều này2.
Thiết kế cảm biến IO-Link
Cảm biến trường công nghiệp phải chắc chắn, nhỏ và rất tiết kiệm năng lượng để sự tản nhiệt được giữ ở mức tối thiểu. Hầu hết các cảm biến IO-Link có các thành phần sau:
- Phần tử cảm biến với giao diện người dùng tương tự được kết hợp (AFE)
- Một bộ vi điều khiển xử lý dữ liệu và trong trường hợp là cảm biến IO-Link, cũng chạy ngăn xếp giao thức nhẹ.
- Một bộ thu phát IO-Link là lớp vật lý.
- Cung cấp điện và trong nhiều trường hợp bảo vệ (TVS chống đột biến, EFT / bùng nổ, ESD, v.v.).
Đề xuất
Thông minh ở cạnh nhà máy: Tăng năng suất và cải thiện chi phí
Tản nhiệt (hiệu quả năng lượng)
Khi chúng ta hiểu các thành phần điển hình, chúng ta có thể xem xét ngân sách sử dụng năng lượng cảm biến giả định như thế nào. Xem Sung. 3. Tất cả những con số này đều là ước tính. Chúng cho thấy rằng mức tiêu thụ điện năng của bộ thu phát (giai đoạn đầu ra) quan trọng khi lập ngân sách cho tổng mức tiêu thụ điện hệ thống của một cảm biến.
Hãy bắt đầu ở phía ngoài cùng bên trái, chỉ định một thế hệ cảm biến IO-Link cũ hơn. Bằng cách đó, chúng ta sẽ thấy rõ hơn những tiến bộ trong công nghệ trong bộ vi điều khiển (MCU) và khâu đầu ra (tức là bộ thu phát) đã góp phần làm giảm tổng công suất hệ thống trong những năm qua.
Bộ thu phát IO-Link nguyên bản hoặc thế hệ đầu tiên tiêu thụ 400 mW hoặc cao hơn. Các máy tranceivers Maxim IO-Link công suất thấp mới nhất tiêu thụ ít hơn 100 mW. Ngoài ra, MCU đã giúp đỡ. MCU cũ tiêu thụ tối đa 180 mW, nhưng MCU công suất thấp mới hơn có thể giảm xuống 50 mW.
Bộ thu phát liên kết IO hiện đại kết hợp với MCU công suất thấp có thể giữ cho tổng ngân sách công suất cảm biến nằm trong khoảng 400 mW đến 500 mW.
Tản nhiệt liên quan trực tiếp đến tản nhiệt. Cảm biến càng nhỏ thì thông số kỹ thuật tiêu tán điện càng nghiêm ngặt. Theo một số ước tính, cảm biến IO-Link hình trụ kèm theo đường kính 8 mm (M8) sẽ chỉ định mức tiêu tán công suất tối đa là 400 mW và cảm biến IO-Link hình trụ có đường kính 12 mm (M12) sẽ chỉ định mức tiêu tán công suất tối đa là 600 mW.
Và công nghệ tiếp tục trở nên tốt hơn. Một trong những bộ thu phát IO-Link mới của Maxim Integrated, MAX14827A, tiêu tán 70 mW thấp đáng kể khi lái tải 100 mA. Điều này đạt được bằng cách tối ưu hóa công nghệ để cung cấp một mức 2.3 Ω (điển hình) R rất thấpON (kháng).
Hình 3: Ngân sách công suất cảm biến công nghiệp IO-Link giả định. (Hình ảnh: Sản phẩm tích hợp Maxim)
Đối với các cảm biến sử dụng dòng điện hoạt động rất thấp, chẳng hạn từ 3 đến 5mA và yêu cầu nguồn cung cấp 3.3-V và / hoặc 5-V; nguồn điện được điều chỉnh có thể được lấy qua LDO. Và thực sự, các bộ thu phát IO-Link của Maxim đã bao gồm một LDO tích hợp. Nhưng khi nhu cầu hiện tại tăng lên ở mức 30 mA, LDO sẽ sớm trở thành nguồn năng lượng / tản nhiệt thống trị trong hệ thống. Để so sánh ở 30 mA, công suất tiêu thụ của LDO có thể lên tới 600 mW.
Công suất LDO @ 30 mA = (24-3.3) x 30 mA = 621 mW
Trong khi đó, một DC-DC buck chuyển đổi cung cấp cảm biến 30 mA với đầu ra 3-V Vôn sẽ tiêu tan chỉ 90 mW. Giả sử bộ chuyển đổi có hiệu suất 90% (chỉ mất công suất 9 mW), công suất tiêu thụ tổng thể chỉ là 90 + 9 = 99 mW 3.
Bộ thu phát IO-Link mới nhất của Maxim đã tích hợp DC-DC hiệu suất cao điều chỉnh như được hiển thị trong Sung. 4.
Hình 4: Bộ thu phát IO-Link MAX22513 mới nhất của Maxim tích hợp bộ điều chỉnh DC-DC hiệu quả cao tích hợp. (Hình ảnh: Sản phẩm tích hợp Maxim)
Kích thước của cảm biến IO-Link
Sau tản nhiệt, kích thước là mối quan tâm lớn nhất tiếp theo đối với tất cả các cảm biến công nghiệp và nó cũng áp dụng cho các cảm biến IO-Link mới. Không gian bảng ngày càng trở nên cao cấp khi chúng tôi chuyển sang hệ số hình thức nhỏ hơn.
Sung. 5 cho thấy rằng đối với vỏ có đường kính 12 mm, bộ thu phát trong gói mức wafer (WLP) và DC-DC có thể nằm cạnh nhau trên một PCB thông thường có chiều rộng 10.5 mm. Vẫn còn chỗ cho vias và dây ở cùng một phía. Nếu vỏ cảm biến là 6 mm, thì chiều rộng PCB giảm xuống còn 4.5 mm. Sau đó, các chip phải được gắn trên cả hai mặt của PCB ngay cả với các gói WLP nhỏ.
Hình 5: Kích thước là một vấn đề lớn khác trong các thiết kế cảm biến IO-Link mới nhất. (Hình ảnh: Sản phẩm tích hợp Maxim)
Để kích hoạt các kích thước này, bộ thu phát phải có sẵn trong một WLP cho phép kích thước nhỏ nhất. Giới hạn kích thước này cũng là một trong những lý do chúng tôi đã tích hợp DC-DC bên trong bộ thu phát IO-Link mới nhất của chúng tôi như được hiển thị trước đây.
Nhưng hầu hết các cảm biến công nghiệp cũng phải được thiết kế để hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, có nghĩa là chúng phải kết hợp mạch bảo vệ như điốt TVS, không được hiển thị trong Sung. 5. Đây là nơi điều quan trọng cần chú ý đến thông số kỹ thuật xếp hạng tối đa tuyệt đối cho các bộ thu phát IO-Link.
Hãy giải thích thêm: Tại sao xếp hạng tối đa tuyệt đối 65-V trên IO làm giảm kích thước của hệ thống con cảm biến? Thông thường, cảm biến cần tồn tại xung đột biến giữa 4 chân: GND, C / Q, DI và DO. Bộ thu phát IO-Link của Maxim có thông số kỹ thuật là xếp hạng tối đa tuyệt đối 65-V. Nếu chúng ta lấy một ví dụ về mức tăng 1 KV ở 24 V giữa C / Q và GND.
Điện áp giữa C / Q và GND = điện áp kẹp TVS + điện áp thuận TVS
Với thông số kỹ thuật xếp hạng tối đa tuyệt đối cao hơn, nhà thiết kế có thể sử dụng một diode TVS nhỏ như SMAJ33 có điện áp kẹp là 60 V ở 24 A và điện áp chuyển tiếp TVS là 1 V ở 24 A.
Điện áp giữa C / Q và GND = 61V
Giá trị trên nằm trong thông số xếp hạng tối đa tuyệt đối của bộ thu phát Maxim.
Tuy nhiên, nếu thông số kỹ thuật xếp hạng tối đa tuyệt đối thấp hơn, thường trong ngành là khoảng 45 V, thì cần có một diode TVS lớn hơn nhiều như SMCJ33 để kẹp điện áp xuống mức có thể chấp nhận được. Đi-ốt này có kích thước hơn 3 lần so với kích thước cần thiết cho bộ thu phát Maxim.
Tác động về kích thước của một diode TVS lớn hơn trong thiết kế cảm biến tổng thể là đáng kể nếu thông số xếp hạng tối đa tuyệt đối của bộ thu phát thấp hơn. Bảng 1 cho thấy sự khác biệt ước tính trong khu vực PCB. Giả thiết ở đây là cảm biến phải có khả năng chịu được mức tăng cao ± 1 KV / 24 A.
Bảng 1: Ưu điểm của xếp hạng tối đa tuyệt đối 65-V trên kích thước cảm biến (Ảnh: Sản phẩm tích hợp Maxim)
Thế hệ tiếp theo của bộ thu phát IO-Link thậm chí còn được cải thiện về điều này. Các bộ thu phát IO-Link mới hơn của Maxim hiện có tính năng bảo vệ tích hợp trên các chân giao diện dòng IO-Link (V24, C / Q, DI và GND). Tất cả các chân đều được tích hợp tính năng chống sét lan truyền ± 1.2 kV / 500 Ω. Ngoài ra, tất cả các chân cũng được bảo vệ ngược áp, bảo vệ ngắn mạch và bảo vệ phích cắm nóng.
Ngay cả với tất cả các tính năng bảo vệ tích hợp cũng như bộ điều chỉnh buck DC-DC tích hợp, các thiết bị này có sẵn trong một gói WLP nhỏ (4.1 x 2.1 mm); cho phép thiết kế cảm biến IO-Link nhỏ.
Kết luận
Công nghệ thu phát IO-Link thế hệ đầu tiên có dạng gói TQFN dễ sử dụng với các LDO tích hợp sẽ đáp ứng nhu cầu của một thiết kế cảm biến nhỏ. Khi cân nhắc về công suất và kích thước được gắn kết, công nghệ thu phát thế hệ thứ hai đã tối ưu hóa mức tiêu thụ điện năng bằng cách chuyển sang công nghệ mang lại cho chúng ta R thấp hơnON để giảm tiêu thụ điện năng hơn nữa và đã được cung cấp trong các gói WLP nhỏ hơn.
Thế hệ bộ thu phát mới nhất nhận ra sự cần thiết phải tích hợp cả tính năng bảo vệ và bộ điều chỉnh DC-DC hiệu suất cao để giảm hơn nữa kích thước và tản nhiệt của hệ thống con cảm biến. Sung. 6 cho thấy một tiến bộ cấp cao của công nghệ thu phát IO-Link từ Maxim Integrated.
Hình 6: Sự phát triển của công nghệ thu phát IO-Link (Hình ảnh: Sản phẩm tích hợp Maxim)
Khi công nghệ IO-Link được triển khai trong nhiều cảm biến công nghiệp hơn nữa, các thông số kỹ thuật của thiết bị này là chìa khóa để triển khai các cảm biến nhỏ, chắc chắn, tiết kiệm điện.
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
về các Sản phẩm Tích hợp Maxim tối đa