Cum să utilizați IO-Link pentru a adapta cu ușurință conectivitatea RTD la fabricile inteligente

Detectoarele de temperatură de rezistență (RTD) sunt utilizate pe scară largă ca traductoare datorită preciziei, domeniului larg de detecție, robusteții lor, precum și altor atribute dezirabile. În implementările anterioare, o tensiune proporțională cu temperatura era detectată pe un RTD acționat de curent, transformată într-un curent analogic de la 4 mA până la 20 mA și trimisă către sistemul de citire sau către operator prin intermediul unui „emițător” cu fir.

Deși această abordare este eficientă, directă și avantajoasă, ea nu este compatibilă cu arhitecturile digitale și bazate pe procesoare. O soluție sugerată pentru această problemă a presupus modernizarea emițătorului pentru a digitiza semnalul RTD la sursă cu ajutorul unui convertor analogic-digital (ADC) intern și transmiterea semnalului printr-un format și protocol de intrare/ieșire (I/O) adecvat.

Totuși, aceste modernizări nu sunt suficiente pentru a îndeplini cerințele fabricilor inteligente. Sistemele industriale de astăzi au nevoie de mult mai mult decât o reprezentare digitalizată a semnalului RTD. Acestea necesită o funcționare pe mai multe canale, un grad ridicat de precizie în conversia analogică-digitală și diverse forme de detectare a defecțiunilor și de verificare a erorilor pentru a se asigura că datele primite sunt valide.

Sistemele industriale de astăzi au nevoie și de anumite prevederi pentru reglarea de la distanță a parametrilor cheie ai interfeței cu senzorii. În cele din urmă, acestea au nevoie de un format și o interfață de intrare/ieșire care să fie robuste, să susțină funcții avansate de configurare și raportare a datelor și să asigure integritatea datelor.

Acest articol oferă o prezentare generală a RTD-urilor și a evoluției acestora. Introduce IO-Link ca opțiune de interfață. Articolul explică modul de implementare a unui canal de detectare a temperaturii bazat pe RTD de înaltă performanță, utilizând un front-end analogic (AFE) avansat și un circuit integrat de condiționare a semnalului. Se prezintă un kit adecvat pentru a ajuta la evaluarea unui emițător-receptor IO-Link pentru o implementare RTD.

Noțiuni de bază despre RTD

Un RTD transpune variabila fizică a temperaturii într-un semnal electric și este utilizat în mod obișnuit pentru a măsura temperaturi cuprinse între -200 și +850 °C, cu un răspuns foarte liniar în acest interval de temperatură. Elementele metalice utilizate în mod obișnuit în RTD-uri includ nichel (Ni), cupru (Cu) și platină (Pt), RTD-urile cu platină Pt100 (100 ohmi (Ω)) și Pt1000 (1000 Ω) fiind cele mai comune.

O interfață RTD poate include două, trei sau patru fire, versiunile cu trei și patru fire fiind cele mai populare. Deoarece sunt dispozitive pasive, RTD-urile au nevoie de un curent de excitație pentru a produce o tensiune de ieșire. De obicei, acesta este generat cu ajutorul unei referințe de tensiune, tamponată de un amplificator operațional. Acest lucru conduce curentul în RTD pentru a produce un semnal de tensiune de ieșire pe cele două terminale ale sale, care variază ca răspuns la schimbările de temperatură.

Acest semnal variază de la zeci la sute de milivolți (mV) în funcție de tipul de RTD utilizat și de temperatura măsurată. Acesta este apoi condiționat și trimis către un afișaj analogic, un înregistrator cu bandă, un afișaj digital sau un sistem de control bazat pe procesor.

A început cu o buclă complet analogică

În trecut, interfața electronică de bază pentru sistemele industriale de măsurare și control era o buclă de curent de la 4 până la 20 de miliamperi (mA). Această legătură de interfață poate fi utilizată atât pentru senzori, cât și pentru actuatoare. În cazul senzorilor, semnalul de la traductor este amplificat și condiționat la sursă înainte de a fi transformat într-un semnal cuprins între 4 mA, limita inferioară a domeniului, și 20 mA pentru limita superioară (Figura 1).

Figura 1: Măsurarea temperaturii în mediile industriale s-a bazat în mod tradițional pe o buclă de curent cuprinsă între 4 mA - 20 mA între interfața RTD și cititorul aflat la o anumită distanță. (Sursă imagine: Analog Devices)

Distanța dintre senzor și dispozitivul de citire poate fi de zeci sau sute de metri, astfel că există mai multe motive pentru a utiliza o buclă de curent pentru această legătură:

• Fiind mai degrabă un semnal de curent decât o sursă de tensiune, bucla nu este afectată de distanță; nu există nicio preocupare legată de căderea de tensiune IR, iar curentul nu se poate „pierde” în firele buclei.
• Fiind o legătură cu impedanță redusă, este relativ imună la captarea interferențelor electromagnetice (EMI) și la deteriorarea semnalului, chiar și pe distanțe mari.
• În cele din urmă, bucla de curent se autodiagnostichează: curentul scade la zero dacă bucla se rupe (cel mai frecvent mod de defecțiune). Această cădere de curent este ușor de detectat.

Unitatea electronică care efectuează procesarea semnalului complet analogic se numește emițător. Primele emițătoare pe bază de circuite integrate necesitau o sursă de alimentare locală separată pentru funcționare. Sursa de alimentare era utilizată pentru a excita senzorul (dacă era necesar) și pentru a alimenta circuitele de condiționare. Ulterior, circuitele integrate pentru emițătoare de putere mai mică au adăugat funcționalitate și caracteristici și au adăugat și o capacitate foarte importantă: acestea erau „alimentate în buclă” și puteau extrage curentul de funcționare din cei 4 mA „nefolosiți” ai curentului de buclă, eliminând astfel necesitatea unei surse de alimentare locale.

De exemplu, AD693 de la Analog Devices este un emițător cu senzor de la 4 mA la 20 mA alimentat în buclă care a fost introdus în anii ’80 (Figura 2). Acesta încă este disponibil în capsula sa ceramică originală cu pin dublu în linie (DIP), precum și în noua capsulă pentru montare pe suprafață, ceea ce dovedește longevitatea acestui circuit integrat industrial.

Figura 2: Emițătorul RTD AD693, alimentat în buclă, complet analogic, elimină necesitatea unei surse de alimentare la capătul de interfață RTD al buclei de curent. (Sursă imagine: Analog Devices)

Trecerea la digital

Odată cu standardizarea controlului digital a devenit necesară și digitizarea semnalului analogic al buclei de curent. Pentru a putea realiza acest lucru în ziua de azi, este nevoie de un AFE pentru amplificarea și condiționarea semnalul RTD de amplitudine mică, astfel ca ADC-ul să îl poată digitiza. Semnalul digitizat este apoi trimis la controlerul de proces, cum ar fi o unitate de microcontroler (MCU), prin intermediul unei interfețe de comunicații (Figura 3).

Figura 3: Trecerea la controlul digital a necesitat un AFE cu o ieșire compatibilă cu MCU. (Sursă imagine: Analog Devices)

Din cauza cerințelor tehnice și de procesare a circuitelor integrate conflictuale ale AFE sensibile față de I/O digitale, implementarea AFE-urilor critice și a circuitelor de interfață digitală asociate este o provocare și necesită mai multe circuite integrate. Din fericire, progresele înregistrate în tehnologia CI au făcut posibilă existența unei interfețe RTD cu un singur cip, cu grad ridicat de integrare. În plus, aceste circuite integrate încorporează multe alte funcții și caracteristici necesare pentru un sistem mai sofisticat și fără erori.

Un exemplu de soluție integrată pe un singur cip este AD7124-4, un AFE RTD complet într-o singură capsulă (Figura 4). Acest circuit integrat de 24 de biți cu patru canale, cu zgomot redus și consum redus de energie, include un amplificator de câștig programabil (PGA) și o referință de tensiune. De asemenea, acesta furnizează curentul de excitație pentru RTD, eliminând necesitatea unei surse separate de curent de precizie.

Figura 4: AD7124-4 este o interfață RTD multi-canal completă care include sursa de curent, condiționarea semnalului și digitizarea. (Sursă imagine: Analog Devices)

Pe lângă funcționalitatea de bază încorporată în AD7124-4, dispozitivul oferă și mai multe tipuri și niveluri de funcții de autodiagnosticare și de detectare a erorilor care îi asigură certificarea nivelului de integritate a siguranței (SIL). Această certificare este esențială în aplicațiile de înaltă fiabilitate și în cele critice.

Interfața digitală dintre AD7124-4 și MCU-ul asociat este o interfață serială cu trei sau patru fire care este compatibilă cu SPI, QSPI, MICROWIRE și DSP. Acestea fiind spuse, astfel de interfețe nu sunt adecvate pentru conectarea directă sau pentru utilizarea cu trasee de semnal lungi. În schimb, această legătură lungă trebuie să fie formată prin intermediul unui translator sau adaptor de interfață/format care implementează protocoalele de rețea selectate pentru a se conecta la controlerul de proces. Această interfață va utiliza probabil o rețea industrială, cum ar fi PROFINET sau Ethernet industrial.

Cu toate acestea, utilizarea acestor interfețe specializate prezintă mai multe dezavantaje. De exemplu, adăugarea unui circuit specific rețelei în proiectarea senzorilor crește semnificativ costurile, în special dacă rețelele industriale sunt brevetate. De asemenea, limitează piața pentru un senzor la clienții care utilizează deja rețeaua respectivă. Pentru ca același senzor să funcționeze cu diferite protocoale de rețea, este nevoie de o reproiectare.

O altă complicație frustrantă este faptul că numărul și tipul de caracteristici de diagnosticare variază semnificativ între tipurile de rețele. În funcție de formatul și protocolul de interfață ales, poate fi dificil pentru operatorii din fabrică să identifice și să întrețină senzorii și să rezolve orice probleme de performanță care apar după ce aceștia au fost instalați pe teren.

IO-Link abordează provocările legate de conectivitate

Proiectanții de fabrici inteligente au nevoie de senzori și actuatoare inteligente, flexibile și ușor de implementat, pentru a facilita luarea unor decizii mai bune în vederea unor procese de fabricație mai ușor de optimizat. O abordare viabilă este proiectarea unui senzor independent de diferitele rețele industriale, reducând astfel costurile de dezvoltare și lărgind baza de clienți potențiali. Tehnologia IO-Link permite această abordare, permițând senzorilor tradiționali să devină inteligenți.

Utilizând emițătoarele-receptoarele IO-Link master și pentru dispozitive, proiectanții de sisteme industriale au la dispoziție o modalitate puternică și flexibilă de a muta inteligența de la controlerul logic programabil (PLC) sau de la alt controler de sistem, mai aproape de senzorii din fabrică (Figura 5).

Figura 5: Cu emițătoarele-receptoarele IO-Link master și pentru dispozitiv între MCU-ul unui senzor și un controler de proces, sistemul de date industriale devine mai puternic și mai flexibil. (Sursă imagine: Analog Devices)

IO-Link este o interfață de comunicare de la un punct la altul cu trei fire, cu conectori, cabluri și protocoale standardizate, care leagă senzorii (și actuatoarele) de rețelele de control industrial. În aplicațiile IO-Link, un emițător-receptor acționează ca o interfață a stratului fizic (PHY) către un MCU sau un alt controler care execută protocolul stratului de legătură de date. IO-Link este conceput pentru a funcționa în cadrul infrastructurii de senzori și actuatoare cu trei fire standard din industrie, care cuprinde componente pentru master IO-Link și pentru dispozitive IO-Link (Figura 6).

Figura 6: Interconectarea fizică IO-Link are un master IO-Link și acceptă mai multe componente de dispozitive IO-Link. (Sursă imagine: Analog Devices)

Avantajul utilizării IO-Link este că acesta transportă patru tipuri diferite de date de transmisie: proces, diagnosticare, configurare și evenimente. Acest lucru permite identificarea rapidă a senzorilor, urmărirea și intervenția asupra acestora în cazul unei defecțiuni. De asemenea, IO-Link permite configurarea de la distanță. De exemplu, în cazul în care este necesară modificarea pragului de temperatură pentru declanșarea unei alarme de proces, acest lucru se poate face de la distanță, fără a fi nevoie ca un tehnician să pășească în fabrică.

Conexiunea de la punct la punct dintre master IO-Link (controlerul multiport sau gateway-ul) și dispozitivul IO-Link (senzor sau actuator) utilizează conectori standard obișnuiți pentru sistemele industriale (conectorii M8 și M12 sunt cei mai utilizați) și un cablu neecranat care poate avea o lungime de până la 20 de metri (m). Masterul poate avea mai multe porturi (cel mai adesea patru sau opt).

Fiecare port al masterului se conectează la un dispozitiv IO-Link unic, care poate funcționa fie în modul standard I/O cu o singură intrare/o singură ieșire (SIO), fie în modul de comunicare bidirecțională. IO-Link este conceput pentru a funcționa cu arhitecturi industriale existente, cum ar fi Fieldbus sau Ethernet Industrial. Se conectează la PLC-urile existente sau la interfețele om-mașină (HMI), permițând adoptarea sa rapidă (Figura 7).

Figura 7: IO-Link funcționează cu o serie de arhitecturi industriale existente și poate fi interfațat cu PLC-uri sau HMI-uri existente. (Sursa imaginii: Analog Devices)

Recunoscând realitatea aplicațiilor și instalațiilor industriale, un master sau un controler IO-Link poate scrie automat parametrii unui senzor IO-Link înlocuit pe cel nou. Această caracteristică permite schimbarea rapidă și fără erori a senzorilor și scurtează timpul necesar pentru repornirea funcționării sistemului după înlocuirea senzorului.

Funcționalitatea IO-Link într-un sistem reduce numărul activităților de întreținere, crește timpul de funcționare și transformă o instalare manuală a senzorilor într-una care îi permite utilizatorului să realizeze doar o simplă conectare. Setările parametrilor pot fi descărcate de pe controler pentru a configura (sau reconfigura) un dispozitiv. Acest lucru înseamnă că nu mai este nevoie ca un tehnician să fie prezent în atelier pentru a efectua configurarea inițială, iar timpul de nefuncționare a utilajului este redus atunci când este necesară reconfigurarea dispozitivelor. IO-Link permite diagnosticarea continuă, înregistrarea îmbunătățită a datelor și detectarea sporită a erorilor pentru a reduce și mai mult costurile de operare.

Emițătoarele-receptoarele implementează legătura fizică

Pentru implementarea IO-Link la nivel fizic este nevoie de emițătoare-receptoare. Circuitul integrat de emisie-recepție MAX14828ATG+ pentru dispozitive IO-Link și emițătorul-receptorul master IO-Link complementar MAX14819ATM+ sunt circuite integrate cu grad foarte ridicat de integrare, ceea ce le face potrivite pentru soluții robuste de senzori într-un spațiu restrâns. În plus, există regulatoare cu cădere scăzută (LDO) integrate pentru alimentare și drivere led pentru indicatorii locali.

Emițătorul-receptorul IO-Link MAX14828ATG+ integrează funcțiile de înaltă tensiune care se găsesc în mod obișnuit în senzorii industriali (Figura 8). Acesta dispune de un driver de putere ultra-scăzută cu protecție activă împotriva polarității inverse. Este prevăzută o intrare digitală auxiliară pentru a permite actualizări de firmware prin intermediul unei interfețe UART. Dispozitivul include regulatoare liniare integrate de 3,3 volți și 5 volți pentru șine de alimentare analogică/logică cu zgomot redus.

Figura 8: Circuitul integrat de emisie-recepție IO-Link MAX14828ATG+ asigură interfața critică între MCU-ul senzorului și legătura fizică (conector și cablu). (Sursă imagine: Analog Devices)

MAX14828ATG+ poate fi configurat și monitorizat fie prin interfața SPI, fie prin setarea pinilor de interfață logică. Pentru flexibilitatea și adaptarea aplicațiilor, acesta dispune de mai multe funcții programabile care permit utilizatorului să optimizeze funcționarea și disiparea puterii pentru diferite sarcini și scenarii de aplicații.

Protecția la curenții tranzitorii este îmbunătățită de toleranța la tensiuni înalte, care permite utilizarea dispozitivelor de suprimare a tensiunii tranzitorii (TVS) de dimensiuni mici. Alte caracteristici de protecție includ valori nominale maxime absolute de 65 de volți pe pinii de interfață și de alimentare, filtre de erori pentru o mai bună rezistență la explozie și performanță la zgomot îmbunătățită, închidere termică, protecția alimentării pentru conectarea la cald și protecție la polaritate inversă pentru toate intrările și ieșirile de interfață a senzorilor. Emițătorul-receptorul este disponibil într-o capsulă TQFN cu 24 de pini de 4 × 4 milimetri (mm) sau într-o capsulă la nivel de plăcuță (WLP) de 2,5 × 2,5 mm. Intervalul său de temperatură de funcționare este cuprins între -40 °C și +125 °C.

Proiectat pentru a funcționa cu MAX14828ATG+, dar nefiind limitat doar la acest circuit integrat complementar, MAX14819ATM+ este un emițător-receptor master IO-Link cu două canale, cu consum redus de energie (Figura 9). În plus, acesta oferă controlere de alimentare a senzorilor/actuatoarelor și are două canale de intrare digitală auxiliară. Este complet compatibil cu cele mai recente standarde IO-Link și pentru intrare binară, dar și cu specificațiile de testare precum IEC 61131-2, IEC 61131-9 SDCI și IO-Link 1.1.3.

Figura 9: Emițătorul-receptorul master IO-Link cu două canale MAX14819ATM+ este complet compatibil cu cele mai recente standarde și specificații IO-Link și cu alte standarde și specificații relevante. (Sursă imagine: Analog Devices)

Dispozitivul de încadrare IO-Link integrat al MAX14819ATM+ elimină nevoia de UART-uri externe. Cu toate acestea, poate fi configurat pentru a utiliza UART-uri externe. Pentru a ușura selectarea MCU-ului asociat, emițătorul-receptorul master dispune de programe de gestionare a cadrelor care funcționează cu UART-uri și FIFO-uri. De asemenea, MAX14819ATM+ dispune de temporizatoare de ciclu autonome, reducând astfel nevoia de sincronizare precisă a controlerului. În plus, secvențiatoarele integrate de stabilire a comunicării simplifică gestionarea activării.

Ca și MAX1482828ATG+, MAX14819ATM+ oferă șine de alimentare locale și dispune de protecție suplimentară. Acesta integrează două controlere de alimentare a senzorilor cu putere redusă, cu limitarea avansată a curentului, blocarea curentului invers și capacitate de protecție împotriva polarității inverse pentru a permite soluții robuste de putere redusă. Protecția suplimentară include protecție la polaritate inversă și toleranță la supratensiune pe toți pinii de interfață, valori maxime absolute de 65 de volți pentru flexibilitatea TVS și filtre de erori pentru o rezistență îmbunătățită la explozie. MAX14819ATM+ este disponibil într-o capsulă TQFN cu 48 de pini care măsoară 7 × 7 mm și are o gamă extinsă de temperaturi de funcționare de la -40 °C la +125 °C.

Kit de evaluare pentru dezvoltarea designului IO-Link

Dobândirea unei experiențe practice cu IO-Link în general și cu emițătorul-receptorul MAX14828ATG+ IO-Link în special este un pas important în menținerea unui program de proiectare. În acest scop, kitul de evaluare MAX14828EVKIT# complet asamblat și testat conține un emițător-receptor de dispozitiv compatibil cu IO-Link cu terminale de interfață IO și SPI (Figura 10).

Figura 10: Kitul de evaluare MAX14828EVKIT# permite proiectanților să inițializeze și să evalueze rapid și simplu performanța emițătorului-receptorului IO-Link MAX14828ATG+. (Sursă imagine: Analog Devices)

Operarea acestui kit de evaluare necesită un PC compatibil cu Windows conectat printr-un cablu USB. Cu software-ul asociat și cu adăugarea unei surse de alimentare de 24 volți/500 miliamperi (mA) de curent continuu, a unui multimetru, a unui generator de funcții și a unui osciloscop furnizate de utilizator, kitul permite proiectanților să configureze, să exerseze și să evalueze MAX14828ATG+. Documentația aferentă include instrucțiuni de configurare și operare, o diagramă schematică, o listă completă de materiale (BOM) și imagini ale tuturor straturilor plăcii de circuite imprimate.

Concluzie

Măsurarea eficientă, precisă și fiabilă a temperaturii în mediile industriale cu ajutorul RTD-urilor începe cu un AFE de înaltă performanță pentru condiționarea și digitizarea semnalului. Transferul acestor date către controlerul de sistem necesită o legătură de date adecvată. După cum s-a arătat, interfețele senzorilor bazate pe IO-Link, susținute de circuite integrate adecvate pentru nivelul fizic, oferă funcții de bază, precum și funcții avansate de configurare, detectare și diagnosticare a defecțiunilor și caracteristici de gestionare pentru a simplifica și accelera implementarea fabricilor inteligente RTD.

Lectură recomandată

1. Cum se proiectează și se certifică sistemele bazate pe RTD sigure din punct de vedere funcțional