Entwerfen eines Randknotens mit niedriger Leistungsaufnahme für das industrielle IoT

Die Architektur für eine IIoT-Anwendung (Industrielles Internet der Dinge) nutzt eine Vielzahl von vernetzten Sensoren und Aktoren zur Überwachung und Steuerung von industriellen Prozessen. In der Referenzarchitektur für das industrielle Internet (Industrial Internet Reference Architecture) wird diese Sammlung von intelligenten verbundenen Elementen als Randebene (Edge Tier) bezeichnet und ein typischer Randknoten befindet sich an oder nahe der Maschine, für die er zuständig ist.

Die Entwicklung eines Randknotens stellt die Entwickler vor mehrere Probleme. Neben Sensoren und Aktoren umfasst jeder Knoten auch einen Mikrocontroller, Schaltungen für die Stromversorgung und einen seriellen Anschluss für die Kommunikation mit anderen Knoten im Netzwerk. Da es hier um Hunderte bzw. Tausende von Knoten geht, ist es wichtig, sowohl Kosten als auch Energieverbrauch möglichst gering zu halten. Da EMV in einer industriellen Umgebung stets präsent ist, hat ein wirksamer Schutz gegen elektromagnetische Interferenzen höchste Priorität.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über das IO-Link-Kommunikationsprotokoll und seine Verwendung in IIoT-Anwendungen. Dann wird der Transceiver MAX14827A von Maxim Integrated als Beispiel für die Implementierung eines kostengünstigen IIoT-Randknotens für eine Vielzahl von Sensor- und Sicherheitsanwendungen vorgestellt.

Überblick über IO-Link

IO-Link (IEC 61131-9) ist ein serielles Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsprotokoll, das für intelligente Randknoten mit Sensoren, Aktoren und Mikrocontrollern mit geringer Leistungsaufnahme optimiert ist. In seiner Grundform handelt es sich um eine Drei-Draht-Verbindung, über die sowohl analoge als auch digitale Signale (8, 12 und 16 Bit) ausgetauscht werden können. Aufgrund seiner Einfachheit, Intelligenz, Effizienz, Konfigurierbarkeit und Fähigkeit zu umfassender Information und Steuerung findet es in der Industrie breite Unterstützung.

Es werden z. B. keine spezifischen Anschlüsse, sondern Standard-Steckverbinder und -Kabel verwendet. Mithilfe von IO-Link können die Entwickler Komponenten identifizieren und eine automatische Neuparametrisierung während des Betriebs durchführen. Die SPDUs (Service Protocol Data Units, Dienstprotokoll-Dateneinheiten) ermöglichen den Zugang zu detaillierten Statusangaben von Sensoren und Aktoren vom Gerätetyp über ID-Nummern bis zu vollständigen Diagnosen.

In einer typischen industriellen Installation betreiben mehrere IO-Link-Master Aktoren und erfassen Sensordaten. Sie können die in der IO-Link-Terminologie als Geräte bezeichneten Sensoren und Aktoren auch dynamisch neu konfigurieren (Abbildung 1).

Ein programmierbarer Logik-Controller (Programmable Logic Controller, PLC) kann mehrere IO-Link-Master enthalten, von denen jeder mit einem oder mehreren Geräten verbunden ist. Die PLCs selbst sind Knoten in einem Bereichsnetzwerk, z. B. auf einem Feldbus. Ein Netzwerk mit höheren Geschwindigkeiten, z. B. das industrielle Ethernet, überträgt Daten und Befehle zwischen PLC-Hubs und höheren Ebenen im Unternehmen oder in der Cloud.

Abbildung 1: Mit IO-Link in einer IIoT-Anwendung, von Sensoren und Aktoren am Rand des Netzwerks über PLCs mit IO-Link-Mastern bis zu einem industriellen Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Backbone. (Bildquelle: IO-Link)

Die Standard-Pinauslegung von IO-Link kombiniert eine Datenverbindung und einen Stromanschluss in einem einzigen Rundsteckverbinder der Größe M5, M8 oder M12: M12 ist am weitesten verbreitet. Sensor-Steckverbinder haben vier und Aktoren haben fünf Pins: ein IO-Link-Master-Baustein hat normalerweise eine fünfpolige Buchse.

Im Standard werden zwei Anschlussklassen definiert: Anschluss A und Anschluss B: Die Pins 1, 3 und 4 haben in allen Klassen dieselbe Funktion. Bei Anschluss A sind die Pins 2 und 5 nicht spezifiziert, aber viele Hersteller verwenden Pin 2 als zusätzlichen digitalen Kommunikationskanal. Bei Anschluss B werden die Pins 2 und 5 als zusätzliche Stromversorgung für Bausteine mit erhöhtem Bedarf verwendet. Der Master wird mit den Geräten über bis zu 20 Meter lange ungeschirmte Kabel verbunden (Tabelle 1).

Tabelle 1: In der Standard-Pinbelegung von IO-Link für die Anschlussklassen A und B wird über die Pins 2 und 5 eine zusätzliche (galvanisch getrennte) Spannung für Geräte mit erhöhtem Energiebedarf zur Verfügung gestellt. (Bildquelle: IO-Link)

Die IO-Link-Spezifikation umfasst Abwärtskompatibilität und berücksichtigt ältere Bausteine. Ein Master kann diese Bausteine über das SIO-Feature (Standard Input Output) betreiben, das die serielle C/Q-Verbindung in einen diskreten digitalen I/O-Anschluss umwandelt. Mit SIO kann ein IO-Link-Sensor mit einem herkömmlichen Eingangsmodul betrieben werden. Ein eingebauter Laststrom auf der C/Q-Leitung beim Master (ILLM) ermöglicht den Betrieb von älteren Sensoren mit diskreten PNP-Ausgängen, die High-aktiv sind.

Entwerfen eines Randknotens mit IO-Link

Das IO-Link-Protokoll kann als Basis eines leistungsfähigen und kostengünstigen Randknotens dienen (Abbildung 2). In diesem Knoten mit geringer Leistungsaufnahme wird die IO-Link-Konnektivität mit nur drei aktiven Bausteinen implementiert: einem IO-Link-Transceiver (MAX14827A), einem Abwärtswandler (MAX17552) und einem Überwachungs-Mikrocontroller.

Abbildung 2: Vereinfachtes Blockdiagramm mit drei aktiven Bausteinen: einem IO-Link-Transceiver, einem Abwärtswandler und einem Überwachungs-Mikrocontroller. (Bildquelle: Maxim Integrated)

IO-Link-Transceiver

Der Transceiver MAX14827A von Maxim Integrated sendet und empfängt IO-Link-Nachrichten und tauscht Daten mit dem Überwachungs-Mikrocontroller über einen Drei-Draht-UART aus. Der Baustein bietet darüber hinaus eine SPI-Schnittstelle, die Diagnoseinformationen liefert. Eine gemultiplexte UART/SPI-Option verbindet SPI- und UART-Schnittstelle zu einer einzigen Gruppe von gemeinsam verwendeten Pins (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der MAX14827A besteht aus einem IO-Link-Transceiver, Leistungstreibern und Linearreglern in einem Gehäuse (Bildquelle: Maxim Integrated)

Der MAX14827A hat zwei Betriebsmodi, die durch die Spannung an SPI/PIN festgelegt werden. Im PIN-Modus (SPI/PIN low) sind SPI und UART beide deaktiviert und die Gerätekonfiguration wird durch Halten der SPI/UART-Pins auf Low-Pegel oder High-Pegel festgelegt. Einige Funktionen haben in diesem Modus feste Werte. Wenn SPI/PIN auf High-Pegel gehalten wird, werden SPI und UART aktiviert und zur Konfiguration des MAX14827A, zur Überwachung des Betriebs und zum Senden und Empfangen von IO-Link-Nachrichten verwendet.

Neben der IO-Link-Schnittstelle sind im MAX14827A mehrere häufig von IIoT-Sensorknoten benötigte Funktionen integriert, z. B. Treiber und Regler. Dadurch werden die Anzahl der Bauteile und die Abmessungen des Knotens reduziert. Dazu zählen folgende Funktionen:

• Zwei energiesparende Logikpegel-LED-Treiber
• Integrierte 3,3V- und 5V-Linearregler für rauscharme analoge oder logische Versorgungsschienen.
• Falls nicht für DI/DQ-Betrieb benötigt, ist ein zusätzlicher digitaler Eingang und Ausgang mit Push/Pull-, PNP- und NPN-Modus verfügbar.

Der MAX14827A erkennt Fehlerbedingungen wie thermische Überlastung und umfasst Verpolungsschutz und Hot-plug-Stromversorgungsschutz. Der Baustein kann auch bei Bedingungen wie IO-Link-Wake-up, Übertemperatur, Treiberüberlastung und Unterspannung am V24-Pin einen Interrupt auslösen.

Abwärtswandler und Stromversorgung

Die IO-Link-L+/L--Pins versorgen den Knoten mit 24 Volt Gleichstrom. Der hocheffiziente DC/DC-Wandler des MAX17552A generiert die 5V-Busspannung für die anderen Komponenten, Sensoren und Aktoren. Es wird eine synchrone Abwärtswandler-Topologie mit integrierten Leistungs-MOSFETs verwendet.

Der interne LDO des MAX14827A generiert die 3,3 V für den Mikrocontroller mithilfe der 5 V-Busspannung. Da die 5 Volt vom MAX17552 geliefert werden, wird der interne 5V-Regler des MAX14827A in dieser Anwendung nicht verwendet.

Obwohl die Standard-IO-Link-L+-Spannung 24 Volt beträgt, kann der MAX17552A bei Bedarf über einen Spannungsbereich von 4 bis 60 Volt betrieben werden. Der Wandler kann Ausgangsstromstärken von bis zu 100 Milliampere bei Ausgangsspannungen von 0,8 Volt bis 0,9 x V_IN liefern. Die Genauigkeit der Ausgangsspannung liegt bei ±1,75 % über einem Temperaturbereich von -40 °C bis +125 °C.

In dem Baustein wird Spitzenstromsteuerung eingesetzt, wobei der MODE-Pin die Auswahl zwischen den Steuerungsschemata Pulsweitenmodulation (PWM) und Pulsfrequenzmodulation (PFM) trifft. PWM ermöglicht einen Betrieb mit konstanter Frequenz unter beliebigen Lastbedingungen. Dies ist für Anwendungen nützlich, die empfindlich gegen variable Schaltfrequenzen sind. Der PFM-Modus übergeht aus Effizienzgründen Impulse bei geringer Last. In diesem Modus verbraucht der Wandler nur 22 Mikroampere ohne Last.

Abbildung 4: Die Schalttopologie des MAX17552A wandelt den 24V-Eingang effizient in eine Busspannung von 5 Volt für den Knoten. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Auswahl des Mikrocontrollers

Der Mikrocontroller formatiert die ausgehenden IO-Link-Nachrichten und verarbeitet eingehende Nachrichten. Darüber hinaus empfängt er Daten von Sensoren und steuert Aktoren über einen externen Treiber oder über die Treiber im MAX14827A.

In der Konfiguration mit minimaler Pin-Anzahl unterstützt der serielle Anschluss des Mikrocontrollers sowohl UART- als auch SPI-Funktionen und bewältigt die Transceiver-Steuerung (SPI) sowie die IO-Link-Datenkommunikation (UART). Die gemeinsam verwendeten Pins der UART- und der SPI-Schnittstelle des Mikrocontrollers werden gemultiplext, aber ihr Verwendungsmuster ist unterschiedlich. Die SPI-Schnittstelle wird zur Konfiguration des Transceivers beim Hochfahren und dann gelegentlich zur Neukonfiguration oder zu diagnostischen Zwecken verwendet. UART-Nachrichten können dagegen jederzeit auftreten.

Da die Funktionen eines IIoT-Knotens sehr verschiedenartig sein können, muss der Mikrocontroller über einen flexiblen Funktionsumfang verfügen. Je nach Anwendung gehören dazu Analog/Digital-Wandler (ADCs), Digital/Analog-Wandler (DACs) und digitale I/O-Funktionen wie Timer und PWM-Ausgänge.

Die bevorzugte Design-Philosophie des IIoT besagt, dass Daten nicht automatisch für weitere Aktionen an einen übergeordneten Knoten gesendet werden, sondern dort verarbeitet werden, wo es sinnvoll erscheint. Dies eröffnet Möglichkeiten für einen Mikrocontroller auf Knotenebene, da Funktionen wie Gleitkommaverarbeitung erforderlich sein könnten. Die Minimierung der Leistungsaufnahme hat immer noch höchste Priorität, daher muss der Mikrocontroller über Energieverwaltungsfähigkeiten verfügen, mit deren Hilfe er für längere Zeit im energiesparenden Modus gehalten werden kann und nur aktiviert wird, um Sensoreingaben zu verarbeiten oder um Nachrichten zu senden und zu empfangen.

Knotenbetrieb

Im Betrieb muss ein Gerät warten, um auf eine Übertragung vom Master zu reagieren: Es kann keine Kommunikation einleiten. Der Master aktiviert das Gerät, indem es einen abfallenden Impuls von 80 Mikrosekunden auf die C/Q-Leitung legt (Abbildung 5). Der MAX14827A erkennt die IO-Link-Aktivierungsbedingung und benachrichtigt den Mikrocontroller, indem er den Pin für 200 Mikrosekunden auf Low-Pegel zieht. Der MAX14827A verfügt über eine Schaltung, die dafür sorgt, dass ein Impuls, der merklich kürzer oder länger als 80 Mikrosekunden ist, keine Änderung bewirkt. Darüber hinaus wird im SPI-Modus das WuInt-Bit im INTERRUPT-Register des MAX14827A gesetzt und der /-Pin wird aktiv, wenn ein IO-Link-Aktivierungsereignis erkannt wird.

Der MAX41827A alarmiert den Mikrocontroller über , wenn ein eingehendes IO-Link-Aktivierungsereignis erkannt wird. (Bildquelle: Maxim Integrated)

In Zeitintervallen, in denen keine IO-Link-Kommunikation stattfindet, erfasst der Mikrocontroller Sensordaten, reagiert auf Fehlerbedingungen oder spart im Schlafmodus Energie ein.

Designüberlegungen

Bei der Entwicklung eines Knotens für eine IIoT-Anwendung müssen einige wichtige Dinge bedacht werden.

Da der IO-Link-Socket Umgebungseinflüssen ausgesetzt ist, ist ESD- und Überspannungsschutz erforderlich. Wenn ein Steckverbinder eingesteckt oder gelöst wird, drohen elektrostatische Entladungen.

Das Schalten von induktiven Lasten, Stöße und Spannungsspitzen generieren starke Stoßspannungen. Die Pins V24, C/Q, DI und DO müssen vor Über- und Unterspannungsspitzen geschützt werden. Positive Spannungsspitzen an V24, C/Q, DO und DI müssen auf +70 Volt bezüglich GND begrenzt werden. Negative Spannungsspitzen müssen auf -70 Volt bezüglich V24 begrenzt werden. Verwenden Sie Schutzdioden an C/Q, DO und DI (siehe Abbildung 3).

Wenn das Design Nennwerte erfordert, die die Spezifikation IEC 61000-4-5 erfüllen, sind die TVS-Schutzdioden SMAJ33A von Littelfuse Inc. oder SMBJ36A von Fairchild eine gute Wahl. Einen optimalen Schutz bietet die SM6T39A von STMicroelectronics, die die ESD-Spezifikation IEC 61000-4-2 Stufe 4 für 15 Kilovolt Luftentladung und 8 Kilovolt Kontaktentladung erfüllt.

Am anderen Ende des Spektrums hat die IO-Link-Spezifikation minimale Schutzanforderungen bezüglich ESD und Stromstößen. Wenn das Design es erfordert, kann eine TVS-Diode in einem kleineren Gehäuse verwendet werden.

Wahl von Schaltregler-Komponenten

Wenn ein Schaltwandler wie der MAX17552A Teil des Designs ist, sind trotz der hohen Effizienz einige Warnungen angebracht. Bei der Auswahl der externen Komponenten ist beispielsweise Aufmerksamkeit geboten.

Wahl der Spule: Wählen Sie eine Spule mit geringem Verlust und dem geringsten Gleichstromwiderstand, die noch Platz findet. Ferrit- und Eisenpulverkerne sind am weitesten verbreitet. Ferritkerne haben die geringsten Verluste und sind für hocheffiziente Designs zu empfehlen, während Eisenkerne günstiger als Ferrit sind, aber höhere Verluste haben.

Wahl des Eingangskondensators: Der Eingangskondensator reduziert den aus der Stromquelle gezogenen Spitzenstrom und vermindert die von den Schaltkomponenten verursachte Welligkeit und das Rauschen. Es werden kleine Keramikkondensatoren vom Typ X7R als Eingangskondensator empfohlen. Für einen Eingangskondensator des MAX17552 wird eine Mindestkapazität von 1 Mikrofarad empfohlen, um die Welligkeit der Eingangsspannung niedrig zu halten und um die Anforderungen für die maximale Stromwelligkeit zu erfüllen.

Wahl des Ausgangskondensators: Der Ausgangskondensator hat zwei Funktionen. Er speichert ausreichend Energie, um die Ausgangsspannung unter wechselnden Lasten aufrechtzuerhalten, und er stabilisiert den internen Regelkreis des Reglers. Auch hier sind Keramikbausteine vom Typ X7R vorzuziehen. Bemessen Sie den Ausgangskondensator so, dass eine schrittweise Last von 50 % der Ausgangsstromstärke der Anwendung unterstützt wird, sodass die Abweichung der Ausgangsspannung geringer als 3 % ist.

Beachten Sie auch, dass die in Kondensatoren verwendeten Dielektrika aufgrund von Gleichstrom-Vorspannungen zu einem Kapazitätsverlust führen. Berücksichtigen Sie dies in geeigneter Weise.

Richtlinien für das Layout von PC-Platinen

Ein typischer IIoT-Randknoten enthält sowohl rauschempfindliche analoge Schaltungen zur Erfassung von realen Sensordaten als auch digitale Schaltkomponenten mit hohem Rauschanteil. Ein sorgfältiges Layout von PC-Platinen ist für einen sauberen und stabilen Betrieb entscheidend.

Die Empfehlungen der Layout-Richtlinien raten dazu, rauschempfindliche analoge Komponenten beizubehalten und raten von Stromversorgungs- und Erdungsleitungen mit hohem Rauschanteil ab. Isolieren Sie analoge Eingänge von Rauscheinflüssen und betreiben Sie analoge Erdungsleitungen und solche für die Stromversorgung separat.

Die Schalt-Leistungsstufe erfordert besondere Aufmerksamkeit, da hier digitale Schaltvorgänge mit hohem Rauschanteil zusammen mit hohen Spannungen und Strömen auftreten. Die Keramik-Eingangskondensatoren sollten beispielsweise so nahe wie möglich an den VIN- und GND-Pins liegen. Alle Feedback-Verbindungen sollten kurz und direkt sein und die Leitungen für LX, den Hochgeschwindigkeits-Schaltknoten, sollten von den Signal-Pins ferngehalten werden.

Evaluierungsplatine für MAX14827A

Es ist eine Evaluierungsplatine verfügbar, die den Entwicklern den Einstieg in die Entwicklung eines Randknotens auf der Grundlage von IO-Link und dem MAX14827A erleichtert.  Das MAX14827EVKIT kann sowohl als eigenständige Platine oder zusammen mit einer ARM® mbed-Platine im Arduino-Format betrieben werden. Die Evaluierungsplatine umfasst eine grafische Benutzeroberfläche, die den Betrieb im PIN-Modus und im SPI-Modus ermöglicht (Abbildung 6).

Abbildung 6: Der GUI-Bildschirm mit der Standardkonfiguration im SPI-Modus nach dem Hochfahren des Evaluierungskits für den MAX14827A (Bildquelle: Maxim Integrated)

Fazit

Das IIoT benötigt zur Erfassung von Daten und zur Steuerung von industriellen Prozessen eine große Anzahl an kostengünstigen Randknoten mit geringer Leistungsaufnahme. IO-Link ist ein kostengünstiges, für die industrielle Automatisierung optimiertes Protokoll, was sich insbesondere bei Verwendung zusammen mit der großen Basis von in einem Feldbus-Netzwerk installierten PLCs zeigt. Der IO-Link-Transceiver MAX14827A kann in Verbindung mit einem Regler und einem Mikrocontroller mit geringer Leistungsaufnahme einen kompakten Randknoten bilden, der sich für viele IIoT-Anwendungen eignet.