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8-2022

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Sensoren Implementierung

Sensoren Implementierung von kleinen und energieeffizienten Sensoren mit IO-Link Bild 1: Schnelles Wachstum des IO-Link-Protokolls, nachverfolgt vom IO-Link- Konsortium (https://io-link.com/en/) In der Vergangenheit waren industrielle Sensoren in vielen Fällen analog. Das ist auch heute noch so. Sie umfassen ein Sensorelement und eine Methode zur Übermittlung der Sensordaten an eine Steuerung. Die Datenübertragung erfolgte unidirektional analog. Dann kamen binäre Sensoren auf, die ein digitales Ein/Aus-Signal lieferten und ein induktives, kapazitives, fotoelektrisches oder ultraschallbasiertes Sensorelement sowie ein Halbleiterschaltelement enthielten. Der Ausgang konnte dabei High-Side (HS) schaltend (PNP) oder Low- Side (LS) schaltend (NPN) oder als Push-Pull (PP)-Ausgang ausgeführt sein. Allerdings waren die Daten immer noch auf die unidirektionale Kommunikation vom Sensor zum Master beschränkt, es gab keine Fehlerkontrolle, und für Aufgaben wie die manuelle Kalibrierung war immer noch ein Techniker vor Ort erforderlich. IO-Link-Protokoll als Lösung Um den Anforderungen von „Industrie 4.0“, intelligenten Sensoren und rekonfigurierbaren Fabriken gerecht zu werden, wurde eine bessere Lösung benötigt. Diese Lösung ist das IO-Link-Protokoll, ein relativ neuer Standard für industrielle Sensoren, der ein rasantes Wachstum aufweist. Die IO-Link-Organisation schätzt, dass bis heute mehr als 16 Millionen IO-Link-fähige Knoten in der Praxis eingesetzt werden. Diese Anzahl nimmt kontinuierlich zu (Bild 1). Was ist IO-Link? IO-Link ist eine standardisierte Technologie (IEC 61131-9), die das Zusammenwirken von Sensoren und Aktoren in industriellen Systemen mit einer Steuerung regelt. IO- Link ist eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsverbindung mit standardisierten Steckverbindern, Kabeln und Protokollen. Das IO-Link-System ist für den Einsatz in einer branchenüblichen 3-Leiter-Sensor- und Aktuator-Infrastruktur konzipiert und umfasst einen IO-Link-Master und IO-Link-Geräte. Die IO-Link-Kommunikation findet zwischen einem Master und einem Gerät (Sensor oder Aktuator) statt. Die Kommunikation erfolgt binär (Halbduplex) und ist auf eine Entfernung von 20 m begrenzt, wobei ungeschirmte Kabel verwendet werden. Die Kommunikation erfordert eine 3-Leiter-Schnittstelle (L+, C/Q, und L-). Der Versorgungsspannungsbereich in einem IO-Link-System beträgt 20 bis 30 V für den Master und 18 bis 30 V für das Gerät (Sensor oder Aktuator). Das IO-Link-Handbuch [1] von Analog Devices beschreibt die Vorteile von IO-Link wie folgt: „IO-Link ist eine Technologie, mit der ein herkömmlicher binärer oder analoger Sensor zu einem intelligenten Sensor wird, der nicht mehr nur Daten sammelt, sondern dem Benutzer die Möglichkeit gibt, seine Einstellungen aus der Ferne zu ändern, und zwar auf der Grundlage von Echtzeit-Rückmeldungen über Autor: Suhel Dhanani, Director of Business Development für den Geschäftsbereich Industrial & Healthcare Analog Devices www.analog.com Bild 2: Das IO-Link-Protokoll wird verwendet, um intelligente Edge-Geräte mit dem Fabriknetzwerk zu verbinden 22 PC & Industrie 8/2022

Sensoren Bild 3: Ein hypothetisches Leistungsbudget für industrielle IO-Link-Sensoren den Zustand und den Status anderer Sensoren in der Anlage sowie über den auszuführenden Fertigungsvorgang selbst. Die IO-Link-Technologie ermöglicht die Austauschbarkeit von Sensoren durch eine gemeinsame physische Schnittstelle, die einen Protokollstack und eine IO Device Description (IODD)-Datei verwendet, um einen konfigurierbaren Sensoranschluss zu ermöglichen. Sie ist uneingeschränkt Plugand-Play-fähig und bietet gleichzeitig die Möglichkeit, Parameter im laufenden Betrieb neu zu konfigurieren.“ Innerhalb der Netzwerkhierarchie in der Fabrik befindet sich das IO-Link-Protokoll an den Endpunkten, typischerweise in Sensoren und Aktuatoren, wie in Bild 2 dargestellt. In vielen Fällen kommunizieren die Edge-Geräte mit einem Gateway, das das IO-Link-Protokoll in den Feldbus der Wahl übersetzt. Weitere Informationen darüber, wie IO-Link Fertigungsumgebungen der nächsten Generation oder das industrielle Internet der Dinge (Industrial IoT) ermöglicht, finden sich in einem früheren Artikel, in dem dies ausführlich erläutert wird [2]. Entwurf von IO-Link-Sensoren Sensoren im Industriebereich müssen robust, klein und äußerst energieeffizient sein, damit die Wärmeabgabe auf ein Minimum reduziert wird. Die meisten IO-Link-Sensoren bestehen aus den folgenden Komponenten: • Sensorelement mit zugehörigem Analog Front End (AFE) • Ein Mikrocontroller, der Daten verarbeitet und im Falle eines IO-Link-Sensors auch den leichtgewichtigen Protokollstack ausführt. • Ein IO-Link-Transceiver, der die physikalische Schicht darstellt. • Stromversorgung und in vielen Fällen Schutzeinrichtungen (TVS- Dioden als Schutz gegen Überspannungen, EFT/Burst, ESD, usw.). Wärmeableitung (Wirkungsgrad) Nachdem wir die typischen Komponenten kennen, können wir uns ansehen, wie sich der Leistungsbedarf eines hypothetischen Sensors aufteilt, siehe Bild 3. Alle diese Zahlen sind Abschätzungen. Sie zeigen, dass die Leistungsaufnahme des Transceivers (Ausgangsstufe) bei der Budgetierung der gesamten Leistungsaufnahme eines Sensorsystems eine Rolle spielt. Wir beginnen mit der ganz linken Seite, die eine ältere Generation von Bild 4: Der neueste IO-Link-Transceiver von Analog Devices verfügt über einen integrierten hocheffizienten DC/DC- Regler IO-Link-Sensoren darstellt. Auf diese Weise wird deutlicher, wie die technologischen Fortschritte bei Mikrocontrollern (MCU) und bei der Ausgangsstufe (d. h. dem Transceiver) im Laufe der Jahre zur Senkung der Gesamtleistung des Systems beigetragen haben. Die ursprünglichen IO-Link- Trans ceiver der ersten Generation verbrauchten 400 mW oder mehr. Die neuesten energieeffizienten IO-Link-Transceiver verbrauchen weniger als 100 mW. Dazu haben auch die Mikrocontroller beigetragen. Ältere MCUs verbrauchen bis zu 180 mW, während neuere energieeffiziente MCUs den Verbrauch bis auf 50 mW senken. Ein hochmoderner IO-Link-Transceiver in Verbindung mit einer stromsparenden MCU kann das Gesamtleistungsbudget des Sensors im Bereich von 400 mW bis 500 mW halten. Die Verlustleistung steht in direktem Zusammenhang mit der Wärmeabfuhr. Je kleiner der Sensor ist, desto strenger sind die Vorgaben hinsichtlich der Verlustleistung. Als Schätzwert darf ein geschlossener, zylindrischer IO-Link-Sensor mit 8 mm Durchmesser (M8) eine maximale Verlustleistung von 400 mW und ein geschlossener, zylindrischer IO-Link-Sensor mit 12 mm Durchmesser (M12) eine maximale Verlustleistung von 600 mW aufweisen. Und die Technologie wird ständig besser. Einer der neuen IO- Link-Transceiver hat nur noch eine Verlust leistung von 70 mW bei einer Last von 100 mA. Dies wird durch die Optimierung der Technologie erreicht, die einen äußerst niedrigen On-Widerstand R ON von typischerweise 2,3 Ω ermöglicht. Für Sensoren mit 3,3-V- und/oder 5-V-Versorgungsspannung die einen sehr geringen Betriebsstrom, z. B. im Bereich von 3 bis 5 mA benötigen, kann die Leistung über einen LDO bereitgestellt werden. Der LDO kann bereits in den IO-Link- Transceiver integriert sein. Wenn jedoch der Strombedarf auf beispielsweise 30 mA ansteigt, wird der LDO schnell zur dominierenden Quelle für die Verlustleistung/Abwärme im System. Zum Vergleich: Bei 30 mA kann die Leistungsaufnahme eines LDO bis zu 600 mW betragen. PC & Industrie 8/2022 23

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