כיצד להשתמש ב-IO-Link כדי להתאים בקלות חיבוריות RTD עבור מפעלים חכמים

גלאי טמפרטורה מבוססי-התנגדות (RTD) נמצאים בשימוש נרחב כמתמרים הודות לדיוק, תחום החישה הרחב, העמידות ותכונות רצויות אחרות שלהם. ביישומים מהדורות הקודמים, מתח פרופורציונלי לטמפרטורה נמדד על פני RTD נדחף-זרם, הומר לזרם אנלוגי של ‎4 mA עד ‎20 mA, ונשלח לקריאת המערכת או למפעיל באמצעות "משדר" חוטי.

על אף שגישה זו היא יעילה, ישירה ובעלת יתרונות, היא אינה תואמת לארכיטקטורות דיגיטליות ומבוססות מעבד. אחד הפתרונות שהוצע לבעיה זו כלל שדרוג של המשדר לדיגיטליזציה של אות ה-RTD במקור באמצעות ממיר אנלוגי-דיגיטלי (ADC) פנימי ושידור האות באמצעות פורמט ופרוטוקול I/O מתאים.

עם זאת, שדרוגים אלו אינם מספיקים כדי לענות על צורכי המפעל החכם. המערכות התעשייתיות של היום זקוקות להרבה יותר מאשר ייצוג דיגיטלי של אות ה-RTD. הן דורשות פעולה רב-ערוצית, רמה גבוהה של דיוק בהמרה אנלוגית-לדיגיטלית וצורות שונות של זיהוי תקלות ובדיקת שגיאות כדי לוודא שהנתונים המתקבלים תקפים.

המערכות התעשייתיות של היום זקוקות גם לאמצעי מסוים של כוונון מרחוק של פרמטרי ממשק חיישנים עיקריים. ולבסוף, הם זקוקים לפורמט וממשק I/O חסונים, התומכים במאפייני הגדרות ודיווח נתונים מתקדמים ומבטיחים את שלמות הנתונים.

מאמר זה מספק סקירה כללית של רכיבי RTD‏ וכיצד הם התפתחו. הוא מציג את ה-IO-Link כאפשרות ממשק. הוא מסביר כיצד ליישם ערוץ חישת טמפרטורה מבוסס RTD בעל ביצועים מעולים באמצעות קצה קדמי אנלוגי (AFE) מתקדם ומעגל משולב (IC) לאכשור אותות. מוצגת ערכה מתאימה כדי לסייע בהערכת מקמ"ש IO-Link למימוש RTD.

יסודות גלאי RTD

גלאי RTD מתרגם את המשתנה הפיזי של הטמפרטורה לאות חשמלי ומשמש בדרך כלל למדידת טמפרטורות בין C‏°‎-200 ל-‎+850°C, עם היענות לינארית ביותר על פני תחום טמפרטורות זה. היסודות המתכתיים הנמצאים בשימוש נפוץ ברכיבי RTD כוללים ניקל (Ni), נחושת (Cu) ופלטינה (Pt), כאשר רכיבי ה-RTD‏ מפלטינה Pt100‏ (100 אוהם (Ω)) ו-Pt1000‏ (1000 אוהם) הם הנפוצים ביותר.

ממשק RTD יכול להיות מורכב משניים, שלושה או ארבעה חוטים, כאשר גרסאות השלושה וארבעה חוטים הן הנפוצות ביותר. מכיוון שהם התקנים פסיביים, רכיבי ה-RTD‏ דורשים זרם עירור כדי לייצר מתח יציאה. מתח זה מיוצר בדרך כלל באמצעות מקור ייחוס מתח, הנחצץ באמצעות מגבר שרת (op amp). המגבר דוחף זרם לתוך ה-RTD כדי לייצר על פני שני ההדקים שלו אות מתח יציאה, המשתנה בתגובה לשינויים בטמפרטורה.

אות זה משתנה בין עשרות למאות מיליוולט (mV) בהתאם לסוג ה-RTD בו נעשה שימוש ולטמפרטורה הנמדדת. לאחר מכן הוא עובר אכשור ונשלח לקריאה אנלוגית, רשם תרשים עמודות, תצוגה דיגיטלית או מערכת בקרה מבוססת מעבד.

הכול התחיל בחוג אנלוגי לחלוטין

היסטורית, הממשק האלקטרוני הבסיסי למערכות מדידה ובקרה תעשייתית היה חוג זרם של 4 עד 20 מיליאמפר (mA). קישור ממשק זה יכול לשמש הן עבור חיישנים והן עבור מפעילים (Actuators‏). עבור חיישנים, האות מהמתמר מוגבר ומאוכשר במקור לפני ההמרה לאות שנע בין ‎4 mA, המייצג את הגבול התחתון של התחום, ל-‎20 mA עבור גבול הרמה העליונה (איור 1).

איור 1: מדידת הטמפרטורה בסביבות תעשייתיות הסתמכה באופן מסורתי על חוג זרם של ‎4 mA עד ‎20 mA בין ממשק ה-RTD לקריאה הממוקמת במרחק מה. (מקור התמונה: Analog Devices)

המרחק בין החיישן לקריאה יכול להיות עשרות או מאות מטרים, לכן ישנן מספר סיבות להשתמש בחוג זרם עבור הקישור:

• כאות ממקור-זרם להבדיל ממקור הנדחף על ידי מתח, החוג אינו מושפע מהמרחק; אין חשש למפל מתח IR, ולא ניתן "לאבד" זרם בחוטי החוג.
• כקישור בעל אימפדנס נמוך, הוא חסין יחסית מפני קליטת הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) והשחתת אותות, אפילו על פני מרחקים ארוכים.
• ואחרון, חוג הזרם מבצע דיאגנוסטיקה-עצמית: אם החוג מתנתק (מצב התקלה הנפוץ ביותר) הזרם יורד לאפס. נפילת זרם זו מתגלה בקלות.

היחידה האלקטרונית שמבצעת את עיבוד האותות האנלוגי לחלוטין נקראת משדר. המשדרים המוקדמים מבוססי המעגלים-המשולבים (IC) דרשו ספק כוח מקומי נפרד להפעלתם. ספק-הכוח שימש כדי לעורר את החיישן (במידת הצורך) ולהזין את מעגלי האכשור. מאוחר יותר, מעגלים משולבים של משדרי הספק נמוך יותר הוסיפו פונקציונליות ומאפיינים, והוסיפו יכולת אחת חשובה ביותר: הם היו "מוזנים מהחוג" ויכלו לשאוב את זרם הפעולה שלהם מה-‎4 mA של זרם החוג "שאינו בשימוש", ובכך לחסוך את הצורך בספק כוח מקומי.

לדוגמה, הרכיב AD693 של Analog Devices הוא משדר חיישנים ‎4 mA עד ‎20 mA המופעל באמצעות חוג שהוצג בשנות ה-80 של המאה הקודמת (איור 2). הוא עדיין זמין במארז הקרמי כפול השורות (DIP) המקורי שלו כמו גם במארז הרכבה-משטחית חדש יותר, עדות לאריכות הימים של מעגל-משולב ממוקד בתעשייה זה.

איור 2: משדר RTD‏ אנלוגי לחלוטין AD693‏ המוזן מתוך החוג, וחוסך את הצורך בספק-כוח בקצה ממשק ה-RTD של חוג הזרם. (מקור התמונה: Analog Devices)

עוברים לדיגיטלי

כשהבקרה הדיגיטלית הפכה לסטנדרטית, היה צורך לבצע דיגיטיזציה של אותות חוג הזרם האנלוגי. כדי להשיג זאת כיום, יש צורך בקצה קדמי אנלוגי (AFE‏) כדי להגביר ולאכשר את אות ה-RTD בעל האמפליטודה הנמוכה כך שממיר ה-ADC יוכל לבצע דיגיטליזציה שלו. האות הדיגיטלי נשלח לאחר מכן לבקר התהליך, כגון יחידת מיקרו-בקר (MCU), באמצעות ממשק תקשורת (איור 3).

איור 3: המעבר לבקרה דיגיטלית הצריך AFE עם יציאה תואמת MCU. (מקור התמונה: Analog Devices)

עקב הדרישות הטכניות הסותרות מה-AFE הרגיש ומתהליך המעגל-המשולב (IC) לעומת ה-I/O הדיגיטלי, מימוש ה-AFE הקריטי ומעגלי הממשק הדיגיטלי הנלווים אליו הוא מאתגר ודורש מספר מעגלים משולבים. למרבה המזל, ההתקדמות בטכנולוגיית ה-IC אפשרה ממשק RTD משולב-ביותר בשבב-יחיד. בנוסף, מעגלים משולבים אלה משלבים פונקציות ומאפיינים רבים אחרים הנחוצים עבור מערכת מתוחכמת יותר ונטולת שגיאות.

דוגמה לפתרון משולב בשבב-יחיד הוא AD7124-4, רכיב RTD‏ AFE שלם במארז יחיד(איור 4). מעגל משולב ארבע-ערוצי של Bit‏-24‏ עם רעש נמוך והספק נמוך זה כולל מגבר עם הגבר ניתן-לתכנות (PGA) ומקור ייחוס מתח. הוא מספק גם את זרם העירור עבור ה-RTD, וחוסך את הצורך במקור זרם מדויק נפרד.

איור 4: ה-AD7124-4 הוא ממשק RTD רב-ערוצים שלם הכולל מקור זרם, אכשור אותות ודיגיטליזציה. (מקור התמונה: Analog Devices)

בנוסף לפונקציונליות הליבה המשובצת בתוך ה-AD7124-4, ההתקן מספק גם מספר סוגים ורמות של פונקציות דיאגנוסטיקה-עצמית וגילוי שגיאות המסייעות לו להשיג את הרשאת Safety Integrity Level‏ (SIL). הרשאה זו היא חיונית ביישומים בעלי אמינות גבוהה וביישומים קריטיים-למשימות.

הממשק הדיגיטלי בין ה-AD7124-4 ל-MCU המשויך לו הוא ממשק טורי בן שלושה או ארבעה חוטים התואם ל-SPI‏, QSPI‏, MICROWIRE ו-DSP. עם זאת, ממשקים כאלה אינם מתאימים לחיבור ישיר או לשימוש במסלולי אותות ארוכים. במקום זאת, יש ליצור את הקישור הארוך הזה באמצעות ממשק/מתרגם פורמטים או מתאם שמיישם את פרוטוקולי הרשת שנבחרו כדי להתחבר לבקר התהליך. ממשק זה ישתמש ככל הנראה ברשת תעשייתית כגון PROFINET או Industrial Ethernet.

אף על פי כן, לשימוש בממשקים ייחודים אלה יש מספר חסרונות. לדוגמה, הוספת מעגל ספציפי לרשת בתכנון החיישן מגדילה משמעותית את העלות, במיוחד אם הרשתות התעשייתיות הן קנייניות. היא גם מגבילה את השוק עבור החיישן ללקוחות שכבר משתמשים באותה רשת. כדי שאותו חיישן יעבוד עם פרוטוקולי רשת שונים, יש צורך בתכנון מחדש.

סיבוך מתסכל נוסף הוא שמספר וסוג מנגנוני האבחון משתנים באופן משמעותי בין סוגי הרשתות. בהתאם לבחירת פורמט ופרוטוקול הממשק, למפעילים במפעל עשוי להיות קשה לזהות ולתחזק חיישנים ולפתור בעיות ביצועים המתעוררות לאחר התקנתם בשטח.

IO-Link נותן מענה לאתגרי החיבוריות

מתכננים במפעלים חכמים דורשים חיישנים ומפעילים (Actuators‏) חכמים, גמישים וקלים-לפרישה כדי להקל על קבלת החלטות טובה יותר לקראת תהליכי ייצור אופטימליים יותר. אחת הגישות המעשיות היא לתכנן חיישן בלתי-תלוי ברשתות התעשייתיות השונות, ובכך להפחית את עלויות הפיתוח ולהרחיב את בסיס הלקוחות הפוטנציאלי. טכנולוגיית IO-Link מאפשרת את הגישה הזו בכך שהיא מאפשרת לחיישנים מסורתיים להפוך לחכמים.

הודות לשימוש במקמ"שי IO-Link ל-Master‏ ולהתקנים, למתכנני המערכות התעשייתיות יש דרך רבת עוצמה וגמישה להעביר נתונים מהבקר הלוגי הניתן לתכנות (PLC) או מבקר מערכת אחר, קרוב יותר לחיישנים ברצפת הייצור (איור 5).

איור 5: עם מקמ"שי IO-Link ל-Master‏ ולהתקנים בין ה-MCU של החיישן לבין בקר התהליך, מערכת הנתונים התעשייתית הופכת לרבת עוצמה וגמישה יותר. (מקור התמונה: Analog Devices)

IO-Link הוא ממשק תקשורת תלת-חוטי נקודה-לנקודה עם מחברים, כבלים ופרוטוקולים סטנדרטיים, המקשר בין חיישנים (ומפעילים) לרשתות בקרה תעשייתיות. ביישומי IO-Link, המקמ"ש פועל כממשק השכבה הפיזית (PHY) ל-MCU או לבקר אחר המריץ את פרוטוקול שכבת קישור הנתונים. ה-IO-Link מתוכנן לעבוד בתשתית החיישנים והמפעילים התלת-חוטית הסטנדרטית בתעשייה, הכוללת רכיבי IO-Link Master והתקני IO-Link (איור 6).

איור 6: לחיברור הפיזי של IO-Link יש IO-Link Master‏ והוא תומך במספר רכיבי התקני IO-Link. (מקור התמונה: Analog Devices)

היתרון בשימוש ב-IO-Link הוא בכך שהוא נושא ארבעה סוגים שונים של נתוני שידור: תהליך, דיאגנוסטיקה, תצורה ואירועים. זה מאפשר לזהות חיישנים, לעקוב אחריהם ולטפל בהם במהירות אם מתרחשת תקלה. IO-Link מאפשר גם הגדרת-תצורה מרחוק. לדוגמה, אם סף הטמפרטורה להפעלת התרעת תהליך מצריך שינוי, ניתן לעשות זאת מרחוק ללא צורך בטכנאי שייכנס לתוך רצפת הייצור.

חיבור נקודה-לנקודה בין ה-IO-Link Master (בקר או שער רבי-נקודות-חיבור) לבין התקן ה-IO-Link (חיישן או מפעיל) משתמש במחברים סטנדרטיים הנפוצים במערכות תעשייתיות (מחברי M8 ו-M12 נמצאים בשימוש הנרחב ביותר), וכן כבל לא מסוכך שאורכו יכול להגיע עד 20 מטר (מ'). ל-Master‏ יכולות להיות מספר נקודות-חיבור (לרוב ארבע או שמונה).

כל נקודת-חיבור של ה-Master‏ מתחברת להתקן IO-Link ייחודי, היכול לפעול באופן כניסה יחידה/יציאה יחידה של I/O סטנדרטי (SIO) או באופן תקשורת דו-כיוונית. IO-Link מתוכנן לעבוד עם ארכיטקטורות תעשייתיות קיימות כגון Fieldbus או Industrial Ethernet. הוא מתחבר לבקרי PLC‏ או ממשקי אדם-מכונה (HMI) קיימים, ומאפשר אימוץ מהיר שלו (איור 7).

איור 7: ה-IO-Link עובד עם מגוון של ארכיטקטורות תעשייתיות קיימות ויכול להתממשק עם בקרי PLC‏ או ממשקי HMI קיימים. (מקור התמונה: Analog Devices)

מתוך הכרה במציאות של יישומים והתקנות תעשייתיים, Master‏ או בקר IO-Link יכולים לכתוב אוטומטית את הפרמטרים של חיישן IO-Link שהוחלף לתוך החיישן החדש. מאפיין זה מאפשר החלפת חיישנים מהירה וללא שגיאות ומקצר את הזמן הדרוש לאתחול-מחדש של פעולת המערכת לאחר החלפת החיישן.

פונקציונליות IO-Link במערכת מפחיתה תחזוקה, מגדילה את זמן הפעולה והופכת התקנת חיישן ידנית לכזו המאפשרת למשתמש "תחיבה-והפעלה והסתלקות". ניתן להוריד את הגדרות הפרמטרים מהבקר כדי להגדיר התקן (או להגדיר-מחדש את התצורה שלו). משמעות הדבר היא שכבר אין צורך בטכנאי ברצפת המפעל כדי לבצע את ההגדרה הראשונית, וזמן ההשבתה של המכונה מצטמצם כאשר נדרש להגדיר-מחדש את תצורת ההתקנים. ה-IO-Link מאפשר דיאגנוסטיקה רצופה, רישום נתונים משופר וגילוי שגיאות משופר כדי להפחית עוד יותר את עלויות התפעול.

המקמ"שים מממשים את הקישור הפיזי

כדי ליישם IO-Link ברמה הפיזית, נחוצים מקמ"שים. המעגל-המשולב של מקמ"ש התקן ה-IO-Link‏ MAX14828ATG+‎ ומקמ"ש ה-IO-Link‏ Master‏ המשלים MAX14819ATM+‎ הם מעגלים-משולבים משולבים-ביותר, ההופכים אותם למתאימים היטב עבור פתרונות עם חיישנים חסונים בחתימת-שטח חוסכת-מקום. בנוסף, ישנם מייצבים עם מפל-מתח נמוך (LDO) מובנים, ודוחפי LED עבור מחוונים מקומיים.

מקמ"ש ה-IO-Link‏ MAX14828ATG+‎ משלב את פונקציות המתח-הגבוה הנפוצות בחיישנים תעשייתיים (איור 8). הוא מצויד בדוחף אחד בהספק אולטרה-נמוך עם הגנת קוטביות הפוכה אקטיבית. כדי לאפשר עדכוני קושחה דרך ממשק UART, מסופקת כניסת עזר דיגיטלית. ההתקן כולל מייצבים לינאריים 3.3 וולט ו-5 וולט מובנים עבור פסי הספקת-כוח אנלוגיים/לוגיקה עם רעש נמוך.

איור 8: המעגל-המשולב של מקמ"ש IO-Link‏ MAX14828ATG+‎ מספק את הממשק הקריטי בין ה-MCU של החיישן לבין הקישור הפיזי (מחברים וכבלים). (מקור התמונה: Analog Devices)

ניתן להגדיר ולנטר את ה- MAX14828ATG+‎ דרך ממשק SPI או על ידי הגדרת פיני ממשק הלוגיקה. עבור גמישות יישומים והתאמה מיוחדת, הוא כולל פונקציות רבות הניתנות-לתכנות המאפשרות למשתמש למטב את הפעולה ואת פיזור ההספק עבור עומסים ותרחישי יישומים שונים.

ההגנה מפני טרנזיינטיים משופרת על ידי טולרנס מתח גבוה, המאפשר שימוש בהתקני שיכוך מתחים טרזיינטיים (TVS) בגודל מיקרו. מאפייני הגנה נוספים כוללים ערכים נומינליים מקסימליים אבסולוטיים של 65 וולט בממשק ובפיני ההספקה, מסנני שיבושים (Glitch‏) עבור כושר התאוששות משופר מפרץ (Burst‏) וביצועי רעש, כיבוי תרמי, הגנת ההספקה בחיבור-חם (hot-plug), והגנת קוטביות הפוכה של כל הכניסות והיציאות של ממשק החיישנים. המקמ"ש זמין במארז TQFN‏ של 24 פינים בגודל 4 × 4 מילימטרים (מ"מ) או במארז ברמת פרוסת-סיליקון (WLP‏) בגודל 2.5 × 2.5 מ"מ. תחום טמפרטורות הפעולה שלו הוא ‎-40°C עד ‎+125°C‎.

ה- MAX14819ATM+‎, שתוכנן לעבוד עם ה- MAX14828ATG+‎, אך אינו מוגבל אך ורק לאותו מעגל-משולב משלים, הוא מקמ"ש IO-Link Master‏ דו-ערוצי בהספק נמוך (איור 9). הוא מציע גם בקרי הספקת כוח לחיישנים/מפעילים ויש לו שני ערוצי כניסה עזר דיגיטליים. הוא תואם במלואו לתקני IO-Link‏, כניסה בינארית ומפרטי הבדיקה העדכניים ביותר כגון IEC 61131-2‏, IEC 61131-9 SDCI‏ ו-IO-Link 1.1.3‏.

איור 9: מקמ"ש ה-IO-Link Master‏ הדו-ערוצי MAX14819ATM+‎ תואם במלואו ל-IO-Link העדכני ביותר ולתקנים ומפרטים רלוונטיים אחרים. (מקור התמונה: Analog Devices)

ממסגר (framer)‏ IO-Link‏ משולב של ה- MAX14819ATM+‎ חוסך את הצורך בהתקני UART‏ חיצוניים. עם זאת, הוא ניתן להגדרת תצורה לשימוש ברכיבי UART‏ חיצוניים. כדי להקל על בחירת ה-MCU המשויך, מקמ"ש ה-Master‏ מצויד בסדרני מסגרת (Frame‏) העובדים עם רכיבי UART‏ ו-FIFO. ה-MAX14819ATM+‎ כולל גם קוצבי-זמן מחזור אוטונומיים, ובכך מפחית את הצורך בתזמון מדויק של הבקר. מעגלי תזמון משולבים לכינון תקשורת גם מפשטים את ניהול היקיצה.

כמו ב-MAX14828ATG+‎, ה-MAX14819ATM+‎ מספק פסי הספקת-כוח מקומיים ומצויד בהגנה נוספת. הוא משלב שני בקרי הספקת-כוח ל חיישנים בהספק נמוך עם הגבלת זרם מתקדמת, חסימת זרם-הפוך ויכולת הגנה מפני קוטביות הפוכה כדי לאפשר פתרונות חסונים בהספק נמוך. הגנות נוספות כוללות הגנה מפני קוטביות הפוכה וטולרנס מתח-יתר על כל פיני הממשק, ערכים נומינליים מוחלטים מקסימליים של 65 וולט עבור גמישות ה-TVS, ומסנני שיבושים (Glitch‏) עבור כושר ההתאוששות משופר בפרץ (Burst‏). ה- MAX14819ATM+‎ מגיע במארז TQFN‏ 48 פינים בגודל 7 × 7 מ"מ, והוא בעל תחום טמפרטורות פעולה מורחב של ‎-40°C עד ‎+125°C.

ערכת הערכה לפיתוח תכן IO-Link

השגת התנסות מעשית עם IO-Link ככלל, ועם מקמ"ש ה-IO-Link‏ MAX14828ATG+‎ בפרט, היא שלב חשוב בשמירה על לוח זמני התכנון. למטרה זו, ערכת ההערכה MAX14828EVKIT#‎ שהורכבה ונבדקה במלואה מכילה מקמ"ש התקן תואם IO-Link עם הדקי ממשק IO ו-SPI (איור 10).

איור 10: ערכת ההערכה MAX14828EVKIT#‎ מאפשרת למתכננים לאתחל ולהעריך את ביצועי מקמ"ש ה-IO-Link‏ MAX14828ATG+‎ במהירות ובקלות. (מקור התמונה: Analog Devices)

הפעלת ערכת הערכה זו דורשת מחשב אישי תואם Windows המחובר באמצעות כבל USB. עם התוכנה הנלווית והתוספת של ספק-כוח DC של 24 וולט/500 מיליאמפר (mA), רב-מודד, מחולל אותות ואוסצילוסקופ, הערכה מאפשרת למתכננים להגדיר, להפעיל ולהעריך את ה- MAX14828ATG+‎. התיעוד המשויך כולל הוראות התקנה והפעלה, שרטוט סכמטי, מפרט חומרים (BOM) מלא ותמונות של כל השכבות של פרישת לוח המעגל המודפס.

סיכום

מדידת טמפרטורה אפקטיבית, מדויקת ואמינה בסביבות תעשייתיות באמצעות רכיבי RTD‏ מתחילה עם AFE בעל ביצועים מעולים עבור אכשור אותות ודיגיטליזציה. העברת נתונים אלה לבקר המערכת דורשת קישור נתונים מתאים. כפי שהוצג, ממשקי חיישנים מבוססי IO-Link, הנתמכים על ידי מעגלים משולבים מתאימים ברמה הפיזית, מספקים פונקציות ליבה כמו גם הגדרת-תצורה מתקדמת, גילוי ואבחון תקלות ומאפייני ניהול כדי לפשט ולהאיץ את פרישות RTD במפעלים חכמים.

קריאה מומלצת

1. כיצד לתכנן ולקבל הרשאה עבור מערכות מבוססות-RTD בטוחות ופונקציונלית