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#Novedades de la industria
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La IO realmente funciona en la fábrica
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La IO industrial es muy rentable en términos de reducción de los costes de mantenimiento y explotación. Como descubrió Paul Rako, la implementación de un chip IO-Link puede ayudar a cultivar esas ventajas administrando la potencia de sus diseños.
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Hay tanto bombo en torno a la Internet de las Cosas (IO) que me he vuelto un poco escéptico. Creo que es estúpido que mi nevera Samsung tenga Wi-Fi para poder comunicarse con mi medidor eléctrico inteligente. No quiero que mi refrigerador de 200 W se apague durante las horas de mayor uso para ahorrarme unos cuantos centavos de electricidad. Quiero una caja de frío que me asegure de tener la mejor seguridad alimentaria.
Un escéptico de la IO
Yo era igualmente escéptico respecto a las redes de radio de malla que se suponía que debían conectar los nodos de IO de fábrica. Cualquier músico sabe que cualquier cosa que tenga una batería se agotará justo cuando más lo necesita. He visto estimaciones de que un reemplazo de batería en una fábrica puede costar alrededor de $150. Y si el nodo de malla más utilizado en su fábrica se queda sin batería, entonces es mejor que reemplace todas las baterías de todos los nodos.
Peor aún, la mayoría de los sistemas de una fábrica son "de misión crítica" No querrá que se pierdan datos cuando se agote la batería, y es igual de malo perder datos mientras está reemplazando las baterías. Afortunadamente, hay empresas que ignoran el bombo de la IO y han implementado de forma silenciosa y consistente sistemas electrónicos industriales que están proporcionando beneficios reales en la planta de producción. La mayoría de esos sistemas son alimentados por un cable, no por una batería.
La IO de la fábrica es real y funciona
Suhel Dhanani, director de desarrollo de negocio para la unidad de negocio industrial y de salud de Maxim Integrated, dijo: "La IO Industrial es real y se está implementando en una amplia gama de industrias. Los beneficios de la IO industrial incluyen la optimización de la producción de procesos y la reducción de los costes de mantenimiento. Estos beneficios impulsan la inversión real en la infraestructura de la IO industrial porque los beneficios son tan mensurables e inmediatos" Señaló que el sector industrial representa alrededor de un tercio del negocio de Maxim Integrated.
El IoT en la fábrica empuja la inteligencia hasta el "borde", el nivel del sensor y del actuador. Esto significa que puede tener funciones de mantenimiento y depuración justo en el nodo, a diferencia de una autoridad central. Lo vi por primera vez en Echelon, una empresa que fabrica sistemas de control para edificios inteligentes. Algunos de sus sistemas se comunican a través de las líneas de corriente alterna que ya están en el edificio. Dado que el ancho de banda disponible es bajo, no tiene sentido tener, por ejemplo, un termostato tonto que informe constantemente de la temperatura a un controlador central. En vez de eso, ponen inteligencia en el termostato, para que transmita cuando está fuera de alcance. Esto minimiza el tráfico en el bus de alimentación CA, permitiendo más sensores y sistemas más grandes con menos colisiones de datos.
Dhanani de Maxim describió el gran progreso que Maxim ha logrado en la reducción del tamaño y el consumo de energía de los controladores industriales (Fig. 1). Maxim diseñó un controlador lógico programable (PLC) industrial en 2014 que utilizaba 75 circuitos integrados y ocupaba 540 cc de volumen. En 2016, mediante la integración de funciones, Maxim había reducido la cuenta IC a 28, y el volumen a 167cc. En 2018, todo el PLC se integró en una placa de circuito impreso (PCB) con 12 circuitos integrados que ocupan 12 cc de espacio.
Dhanani también mencionó: "A medida que empezamos a integrar diferentes funciones en los productos, también hemos empezado a desarrollar innovadoras tecnologías de embalaje que nos permiten integrar funciones discretas como un inductor e incluso transformadores en un solo paquete con el CI"
La primera vez que vi esto fue cuando mi amigo Roger Beeston se fue a trabajar a Enpirion. Fabrican módulos de potencia que llevan incorporados inductores en el interior del paquete. Fueron comprados por Altera, que luego fue engullida por Intel. La línea de productos Linear Technology en Analog Devices y la línea de productos Intersil en Renesas también incluyen módulos con inductores y otros discretos integrados dentro del paquete.
El estándar IO-Link
Una norma para el IO de fábrica es el IO-Link (Fig. 2). Es administrado por el mismo grupo que hace PROFIBUS (Process Field Bus), que fue propuesto por primera vez en 1989 por el BMBF (departamento alemán de educación e investigación). Posteriormente fue adoptado por Siemens y luego estandarizado. Del mismo modo, la norma IO-Link es administrada por un consorcio de empresas industriales.
IO-Link es un estándar de comunicaciones y potencia de corto alcance con una longitud máxima de 20 metros de cable sin blindaje. El maestro IO-Link envía alimentación de 24 V CC a dispositivos de hasta 200 mA. Los datos digitales también están a 24 V, lo que permite que la inmunidad al ruido utilice un cable no apantallado. El estándar IO-Link permite tres velocidades de datos, desde 4,8 kbaudios hasta 38,4 kbaudios, con un máximo de 230,4 kbaudios. Un dispositivo IO-Link, como un sensor o un actuador, sólo puede tener una velocidad de datos, mientras que el maestro IO-Link intentará comunicarse a la velocidad más rápida y luego reducirá la velocidad hasta que establezca la comunicación.
Una de las ventajas del estándar IO-Link es un archivo de datos en los dispositivos que identifica muchos parámetros y otra información (Fig. 3). El archivo IODD (IO Device Description) ayuda a la integración del sistema almacenando las propiedades de comunicación, los parámetros del dispositivo con rango de valores y valor predeterminado, datos de identificación, proceso y diagnóstico, datos del dispositivo, una descripción de texto, una ilustración del dispositivo e incluso un logotipo del fabricante.
Un chip transceptor IO-Link
Para soportar IO-Link, Maxim Integrated sacó el MAX22513 (Fig. 4). Con un precio de 3,75 dólares en cantidades de 1.000 piezas, es un transceptor para su uso en un dispositivo IO-Link, a diferencia de un nodo maestro. La pieza se basa en la experiencia de la interfaz en serie que hizo famosa a Maxim, sus chips RS-232 y RS-485, y la combina con la experiencia de la compañía en reguladores lineales y de macho.
La pieza puede utilizar su regulador de tensión para apagar cualquier tensión de 2,5 a 12 V a 300 mA. Los reguladores lineales internos son capaces de hacer 5 y 3.3 V. Usted puede alimentar los reguladores lineales desde la salida del regulador de buck-regulador o directamente desde la entrada nominal de 24 V al CI. El regulador lineal necesita al menos una entrada de 6 V para el espacio libre en la alimentación de 5 V. Tenga en cuenta que la salida de los reguladores lineales puede variar entre 4,75 y 5,25 V y 3,1 y 3,3 V, así que no espere utilizarlos como voltaje de referencia.
Puede configurar el regulador buck para que cambie a 921 kHz o 1.229 MHz. La parte también proporciona un 7% de jitter de espectro ensanchado para ayudarle a pasar los estándares de emisión de RF. La clavija de alimentación del transceptor puede soportar una sobretensión continua de ±36 V, con una capacidad de 100 µs de -52 a +65 V. Cuenta con protección contra sobretensiones de ±1 kV, así como protección contra conexión en caliente y contra polaridad inversa. El CI se caracteriza por tener un rango de temperatura de -40 a 125°C.
Para ayudarle a comenzar con su proyecto de IO de fábrica, Maxim ofrece el diseño de referencia MAXREFDES171# (Fig. 5). Usted puede comprarla construida y probada por $65, o descargar los archivos de diseño y hacerla usted mismo. Implementa un sensor de distancia láser de tiempo de vuelo (ToF). Para el microcontrolador, el diseño utiliza un Maxim MAX32660, basado en un brazo Cortex-M4 con una unidad de coma flotante (FPU). El sensor de alcance láser es un VL53L1X de STMicro. Es posible un rango de hasta 400 cm, y hay soporte para los protocolos de comunicación SPI, UART e I2C. El sensor funciona entre -20 y 80°C.
Hay tanto bombo en torno a la Internet de las Cosas (IO) que me he vuelto un poco escéptico. Creo que es estúpido que mi nevera Samsung tenga Wi-Fi para poder comunicarse con mi medidor eléctrico inteligente. No quiero que mi refrigerador de 200 W se apague durante las horas de mayor uso para ahorrarme unos cuantos centavos de electricidad. Quiero una caja de frío que me asegure de tener la mejor seguridad alimentaria.
Un escéptico de la IO
Yo era igualmente escéptico respecto a las redes de radio de malla que se suponía que debían conectar los nodos de IO de fábrica. Cualquier músico sabe que cualquier cosa que tenga una batería se agotará justo cuando más lo necesita. He visto estimaciones de que un reemplazo de batería en una fábrica puede costar alrededor de $150. Y si el nodo de malla más utilizado en su fábrica se queda sin batería, entonces es mejor que reemplace todas las baterías de todos los nodos.
Peor aún, la mayoría de los sistemas de una fábrica son "de misión crítica" No querrá que se pierdan datos cuando se agote la batería, y es igual de malo perder datos mientras está reemplazando las baterías. Afortunadamente, hay empresas que ignoran el bombo de la IO y han implementado de forma silenciosa y consistente sistemas electrónicos industriales que están proporcionando beneficios reales en la planta de producción. La mayoría de esos sistemas son alimentados por un cable, no por una batería.
La IO de la fábrica es real y funciona
Suhel Dhanani, director de desarrollo de negocio para la unidad de negocio industrial y de salud de Maxim Integrated, dijo: "La IO Industrial es real y se está implementando en una amplia gama de industrias. Los beneficios de la IO industrial incluyen la optimización de la producción de procesos y la reducción de los costes de mantenimiento. Estos beneficios impulsan la inversión real en la infraestructura de la IO industrial porque los beneficios son tan mensurables e inmediatos" Señaló que el sector industrial representa alrededor de un tercio del negocio de Maxim Integrated.
El IoT en la fábrica empuja la inteligencia hasta el "borde", el nivel del sensor y del actuador. Esto significa que puede tener funciones de mantenimiento y depuración justo en el nodo, a diferencia de una autoridad central. Lo vi por primera vez en Echelon, una empresa que fabrica sistemas de control para edificios inteligentes. Algunos de sus sistemas se comunican a través de las líneas de corriente alterna que ya están en el edificio. Dado que el ancho de banda disponible es bajo, no tiene sentido tener, por ejemplo, un termostato tonto que informe constantemente de la temperatura a un controlador central. En vez de eso, ponen inteligencia en el termostato, para que transmita cuando está fuera de alcance. Esto minimiza el tráfico en el bus de alimentación CA, permitiendo más sensores y sistemas más grandes con menos colisiones de datos.
Dhanani de Maxim describió el gran progreso que Maxim ha logrado en la reducción del tamaño y el consumo de energía de los controladores industriales (Fig. 1). Maxim diseñó un controlador lógico programable (PLC) industrial en 2014 que utilizaba 75 circuitos integrados y ocupaba 540 cc de volumen. En 2016, mediante la integración de funciones, Maxim había reducido la cuenta IC a 28, y el volumen a 167cc. En 2018, todo el PLC se integró en una placa de circuito impreso (PCB) con 12 circuitos integrados que ocupan 12 cc de espacio.
Figura-1_Tamaño-PLC industrial.png
1. Los PLCs industriales son cada vez más pequeños y consumen mucha menos energía. (Cortesía de Maxim Integrated)
Dhanani también mencionó: "A medida que empezamos a integrar diferentes funciones en los productos, también hemos empezado a desarrollar innovadoras tecnologías de embalaje que nos permiten integrar funciones discretas como un inductor e incluso transformadores en un solo paquete con el CI"
La primera vez que vi esto fue cuando mi amigo Roger Beeston se fue a trabajar a Enpirion. Fabrican módulos de potencia que llevan incorporados inductores en el interior del paquete. Fueron comprados por Altera, que luego fue engullida por Intel. La línea de productos Linear Technology en Analog Devices y la línea de productos Intersil en Renesas también incluyen módulos con inductores y otros discretos integrados dentro del paquete.
El estándar IO-Link
Una norma para el IO de fábrica es el IO-Link (Fig. 2). Es administrado por el mismo grupo que hace PROFIBUS (Process Field Bus), que fue propuesto por primera vez en 1989 por el BMBF (departamento alemán de educación e investigación). Posteriormente fue adoptado por Siemens y luego estandarizado. Del mismo modo, la norma IO-Link es administrada por un consorcio de empresas industriales.
Figura-2_IO-Sistema-Link-system.png
2. El estándar IO-Link conecta sensores y actuadores a un bus de campo de fábrica o a una red industrial de Internet. (Cortesía de IO-Link Company Community)
IO-Link es un estándar de comunicaciones y potencia de corto alcance con una longitud máxima de 20 metros de cable sin blindaje. El maestro IO-Link envía alimentación de 24 V CC a dispositivos de hasta 200 mA. Los datos digitales también están a 24 V, lo que permite que la inmunidad al ruido utilice un cable no apantallado. El estándar IO-Link permite tres velocidades de datos, desde 4,8 kbaudios hasta 38,4 kbaudios, con un máximo de 230,4 kbaudios. Un dispositivo IO-Link, como un sensor o un actuador, sólo puede tener una velocidad de datos, mientras que el maestro IO-Link intentará comunicarse a la velocidad más rápida y luego reducirá la velocidad hasta que establezca la comunicación.
Una de las ventajas del estándar IO-Link es un archivo de datos en los dispositivos que identifica muchos parámetros y otra información (Fig. 3). El archivo IODD (IO Device Description) ayuda a la integración del sistema almacenando las propiedades de comunicación, los parámetros del dispositivo con rango de valores y valor predeterminado, datos de identificación, proceso y diagnóstico, datos del dispositivo, una descripción de texto, una ilustración del dispositivo e incluso un logotipo del fabricante.
Figura-3_IO-Link-IODD-info.png
3. El estándar IO-Link especifica un archivo dentro de cada dispositivo que proporciona información completa sobre el dispositivo. (Cortesía de IO-Link Company Community)
Un chip transceptor IO-Link
Para soportar IO-Link, Maxim Integrated sacó el MAX22513 (Fig. 4). Con un precio de 3,75 dólares en cantidades de 1.000 piezas, es un transceptor para su uso en un dispositivo IO-Link, a diferencia de un nodo maestro. La pieza se basa en la experiencia de la interfaz en serie que hizo famosa a Maxim, sus chips RS-232 y RS-485, y la combina con la experiencia de la compañía en reguladores lineales y de macho.
Figura-4_Maxim-MAX22513-IO-Link-device.png
4. El MAX22513 es un transceptor IO-Link que también incluye un bucle y dos reguladores lineales. (Cortesía de Maxim Integrated)
La pieza puede utilizar su regulador de tensión para apagar cualquier tensión de 2,5 a 12 V a 300 mA. Los reguladores lineales internos son capaces de hacer 5 y 3.3 V. Usted puede alimentar los reguladores lineales desde la salida del regulador de buck-regulador o directamente desde la entrada nominal de 24 V al CI. El regulador lineal necesita al menos una entrada de 6 V para el espacio libre en la alimentación de 5 V. Tenga en cuenta que la salida de los reguladores lineales puede variar entre 4,75 y 5,25 V y 3,1 y 3,3 V, así que no espere utilizarlos como voltaje de referencia.
Puede configurar el regulador buck para que cambie a 921 kHz o 1.229 MHz. La parte también proporciona un 7% de jitter de espectro ensanchado para ayudarle a pasar los estándares de emisión de RF. La clavija de alimentación del transceptor puede soportar una sobretensión continua de ±36 V, con una capacidad de 100 µs de -52 a +65 V. Cuenta con protección contra sobretensiones de ±1 kV, así como protección contra conexión en caliente y contra polaridad inversa. El CI se caracteriza por tener un rango de temperatura de -40 a 125°C.
Para ayudarle a comenzar con su proyecto de IO de fábrica, Maxim ofrece el diseño de referencia MAXREFDES171# (Fig. 5). Usted puede comprarla construida y probada por $65, o descargar los archivos de diseño y hacerla usted mismo. Implementa un sensor de distancia láser de tiempo de vuelo (ToF). Para el microcontrolador, el diseño utiliza un Maxim MAX32660, basado en un brazo Cortex-M4 con una unidad de coma flotante (FPU). El sensor de alcance láser es un VL53L1X de STMicro. Es posible un rango de hasta 400 cm, y hay soporte para los protocolos de comunicación SPI, UART e I2C. El sensor funciona entre -20 y 80°C.
5. Para ayudar a desarrollar aplicaciones IO-Link, puede obtener un diseño de referencia MAXREFDES171# que tenga el MAX22513, un microcontrolador de núcleo de brazo y un sensor láser de distancia de tiempo de vuelo. (Cortesía de Maxim Integrated)
El MAXREFDES171# funciona como un dispositivo IO-Link. Esto significa que tiene que conectarlo a un maestro IO-Link alimentado por 24 V CC. Si desea desarrollar o personalizar el controlador maestro, puede comenzar con el diseño de referencia maestro IO-Link de cuatro canales de Maxim MAXREFDES165# (Fig. 6).
La IO de la fábrica da sus frutos
Maxim's Dhanani dio un ejemplo de IO Industrial que fue destacado en la revista Enterprise IO Insights. En este estudio de caso, describen cómo Intel monitoreó la salud de las unidades de filtro de ventilador (FFU) en sus instalaciones de producción de semiconductores. Los FFUs filtran y limpian el aire dentro de las máquinas industriales. Están por todas partes en la fábrica. Intel colocó un acelerómetro en la parte superior de cada FFU para medir las variaciones en la función del ventilador y monitorearlas. En caso de vibraciones anómalas, el sensor inteligente avisa al departamento de mantenimiento de un posible fallo.
Hace poco recibí un comunicado de prensa sobre la IO para compactadores de basura conectados. Pensé que esto era más publicidad para una casa del futuro. Leyendo más cuidadosamente, noté que eran compactadores de basura industriales desarrollados por Harmony Enterprises usando software de New Boundary Technologies y hardware de Eurotech.
Busque la IO para que tenga mucho sentido en aplicaciones industriales. De manera similar, usted puede esperar ver camiones de largo recorrido antes de poder comprar un auto. Es fantástico que el mercado industrial lidere el camino, ya que la industria exige que los productos tengan sentido desde el punto de vista financiero. Y se asegurarán de que todos los errores se solucionen antes de que la tecnología se incorpore a los productos de consumo.
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