Koneksi untuk Kontrol:Antarmuka Komunikasi untuk Sensor Posisi dan Gerak

Antarmuka komunikasi menyediakan tautan yang sangat penting antara sensor ("saraf" dari sistem kontrol) dan pengontrol ("otak"). Berbagai teknologi komunikasi yang mengesankan telah diperkenalkan untuk menyediakan tautan ini, biasanya dengan fitur dan kemampuan yang disesuaikan dengan jenis sistem kontrol tertentu. Mari kita lihat beberapa teknologi komunikasi yang banyak digunakan untuk kontrol gerakan.

Solusi Khusus untuk Kasus Khusus

Untuk beberapa sensor yang memberikan umpan balik untuk kontrol gerak, teknologi pengukuran akan menentukan antarmuka komunikasi. Encoder inkremental memberikan aliran pulsa sinyal yang berkelanjutan — satu untuk setiap kali poros encoder berputar dalam jumlah tertentu. Mereka unggul dalam kontrol kecepatan, karena pengontrol dapat secara akurat menentukan laju rotasi dari interval antar pulsa.

Banyak encoder inkremental mengirimkan dua sinyal keluaran, disebut A dan B, dengan perbedaan fase 90°, memungkinkan pengontrol menentukan arah putaran. Beberapa juga mengeluarkan sinyal Z sekali setiap rotasi pada sudut rotasi yang ditentukan. Ini memberikan titik referensi yang tepat.

Sambungan antara encoder inkremental dan pengontrolnya harus point-to-point, dengan kabel khusus yang menghubungkan setiap encoder ke pengontrolnya. Komunikasi biasanya didasarkan pada sinyal diferensial yang ditransmisikan melalui kabel pasangan terpilin, dengan jumlah pasangan konduktor dalam kabel tergantung pada jumlah sinyal (A, B, dan Z).

Driver output di encoder harus kompatibel dengan antarmuka pada pengontrol — driver output Push-Pull (HTL) atau RS-422 (TTL) biasanya digunakan. Standar ini menentukan tegangan sinyal.

Sensor Posisi Absolut

Sisa artikel ini akan fokus pada sensor posisi absolut seperti encoder dan inclinometer. Perangkat ini melaporkan posisi terukur pada waktu tertentu, baik sebagai level tegangan/arus (encoder analog) atau dengan mentransmisikan kata digital atau “telegram” (encoder digital). Perangkat ini ideal untuk aplikasi kontrol posisi.

Sensor analog memiliki sejarah panjang, dengan sistem kontrol sebelumnya menggunakan potensiometer (resistor variabel). Baru-baru ini, sensor digital dengan konverter D/A built-in telah diperkenalkan. Ini tersedia dengan baik tegangan (misalnya, 0-5 V) atau arus (misalnya, 0-20 mA) output. Mereka menampilkan konverter D/A yang dapat diprogram sehingga rentang gerak mekanis yang telah ditentukan sebelumnya (mulai dari sepersekian putaran hingga beberapa putaran) dapat diatur untuk menjangkau rentang output elektrik sistem penuh (mis., 0-5 V, 0-20 mA ). Ini meningkatkan akurasi dan resolusi pada rentang gerak yang paling signifikan. Sensor analog memerlukan koneksi titik-ke-titik, seringkali dengan kabel berukuran relatif besar untuk membatasi hambatan listrik.

Encoder absolut dengan antarmuka bit paralel melaporkan pengukuran sebagai kata digital, dengan konduktor terpisah untuk setiap bit. Respon hampir seketika. Sambungannya point-to-point, biasanya melalui kabel tipe pita. Karena jenis kabel ini relatif besar dan tidak fleksibel, sistem paralel bit bekerja paling baik untuk jarak pendek.

Pengkabelan Titik-ke-Titik Digital

Dengan kabel point-to-point, kabel khusus berjalan dari pengontrol ke setiap sensor individu. Antarmuka SSI (Serial Synchronous Interface) dan BiSS (Bidirectional Serial Synchronous) untuk encoder absolut menggunakan sistem pengkabelan point-to-point. Ini adalah antarmuka digital yang dapat terhubung langsung ke PLC atau pengontrol lainnya. Koneksi SSI menawarkan kecepatan yang baik (kecepatan clock hingga 2 Mhz), resolusi tinggi, kabel fleksibel, dan komunikasi yang andal hingga beberapa ratus meter (meskipun baud rate berkurang untuk jarak yang lebih jauh). Protokol SSI menyediakan deteksi kesalahan dasar (kabel putus, korsleting, konsistensi data).

BiSS adalah versi lanjutan dari SSI yang mendukung komunikasi real-time antara perangkat kontrol dan sensor/aktuator di servomotor, robot, dan sistem otomasi lainnya. Antarmuka juga memungkinkan pengontrol untuk mengatur parameter operasional di perangkat budak. Ada beberapa varian BiSS termasuk BiSS C (komunikasi berkelanjutan) dan BiSS Line (dirancang untuk konfigurasi yang menggabungkan pengiriman daya dan transmisi data dalam satu kabel). Standar antarmuka SSI dan BiSS open-source tidak eksklusif, tanpa lisensi biaya.

Komunikasi SSI dan BiSS menggunakan koneksi point-to-point — biasanya RS-422. Beberapa perangkat dapat digabungkan bersama untuk tata letak kabel yang lebih efisien.

Fieldbus:Sistem Pengkabelan Akses Bersama

Pengkabelan point-to-point bekerja dengan baik untuk sistem dengan jarak pendek dan jumlah perangkat yang terbatas, tetapi karena jumlah sensor meningkat, tata letak kabel dapat menjadi berat. Ketika sistem otomatis menjadi lebih canggih dan jumlah perangkat yang terhubung bertambah, beberapa produsen memperkenalkan sistem fieldbus. Jaringan fitur ini didasarkan pada topologi bus, dengan beberapa perangkat berbagi tulang punggung kabel yang sama. Sistem fieldbus dapat diandalkan, cepat, dan relatif hemat biaya. Aplikasi berkisar dari konveyor dan fasilitas manufaktur hingga peralatan bergerak, peralatan medis, turbin angin, dan panel surya.

Memiliki beberapa perangkat yang berbagi saluran komunikasi yang sama dapat menyebabkan masalah dengan waktu respons — ketika lalu lintas di bus padat, masing-masing sensor mungkin memiliki pesan yang tertunda dalam waktu yang tidak terduga. Untuk menyiasatinya, sebagian besar desain fieldbus memungkinkan operator untuk membuat peringkat perangkat dalam urutan kepentingan. Ini membantu memastikan bahwa pesan penting mendapatkan perlakuan prioritas. Lapisan fisik sistem fieldbus biasanya didasarkan pada kabel pasangan terpilin (mis., EIA-485).

Standar fieldbus yang populer termasuk Controller Area Network (CAN) dari Bosch, CANopen, Profibus (Process Field Bus) dari Siemens, dan DeviceNet dari Allen-Bradley/Rockwell. DeviceNET, yang banyak digunakan di Amerika Utara, menggabungkan lapisan fisik CAN dengan protokol tingkat tinggi CIP (Common Industrial Protocol). SAE J1939, yang menggunakan standar transportasi data CAN, dioptimalkan untuk kendaraan berat.

Jaringan terdiri dari elemen fisik (kabel, konektor, dan komponen elektronik yang mengontrol aliran sinyal) dan elemen logis (yang skema alamat, protokol komunikasi, profil perangkat, dll. yang diimplementasikan dalam perangkat lunak). Dalam dunia fieldbus, banyak sistem menggunakan standar CAN untuk mendefinisikan aspek fisik jaringan, sementara protokol tingkat yang lebih tinggi — seperti CANopen, DeviceNet, J1939, dll. — menyediakan fungsionalitas ujung ke ujung.

Ethernet Industri

Industrial Ethernet menggunakan dasar teknis yang sama seperti Ethernet kantor tetapi dengan peningkatan yang membuatnya lebih cocok untuk kondisi pabrik yang keras. Unit sakelar kelas industri mungkin memiliki penutup tahan air dan debu yang kokoh, sementara banyak perangkat menggunakan konektor M12 yang kuat sebagai pengganti konektor RJ45 yang lebih rentan.

Ada juga peningkatan penting pada protokol komunikasi. Aplikasi industri — terutama kontrol gerakan — sering kali memerlukan kontrol untuk beroperasi secara real time, tanpa penundaan transmisi yang tidak terduga (latensi atau jitter) yang dapat terjadi di jaringan Ethernet biasa. Sistem Ethernet industri seperti Profinet IRT, EtherNet/IP, dan Ethernet Powerlink mengatasi hal ini melalui tumpukan protokol yang dimodifikasi dan perangkat keras khusus yang memberikan akses prioritas pesan penting ke bandwidth jaringan. Komponen khusus yang diperlukan untuk mencapai hal ini dapat menambah kompleksitas dan biaya sistem.

Perlu dicatat bahwa sementara Ethernet menawarkan visi jumlah perangkat yang tidak terbatas dan opsi topologi yang fleksibel, masalah kinerja sistem — terutama untuk aplikasi kontrol gerakan waktu nyata — dapat memerlukan kompromi desain yang mengurangi lalu lintas lokal dan menyediakan jalur komunikasi langsung untuk keperluan kritis. komponen.

IO-Link adalah sistem komunikasi berbiaya rendah dan mudah diterapkan yang dirancang untuk menyederhanakan koneksi antara fieldbus atau jaringan Ethernet industri dan sensor atau aktuator sederhana yang terletak di lantai pabrik. Di satu sisi perangkat gateway master IO-Link adalah antarmuka ke jaringan seluruh pabrik, sementara di sisi lain memiliki beberapa koneksi point-to-point ke perangkat sensor individual.

Antarmuka IO-Link untuk perangkat akhir relatif sederhana, menghilangkan kebutuhan untuk mendukung protokol komunikasi yang kompleks pada tingkat sensor/aktuator. IO-Link mendukung berbagai jenis data termasuk data pengukuran, instruksi konfigurasi perangkat, dan informasi tentang parameter kondisi pengoperasian seperti suhu.

Komunikasi Nirkabel

Teknologi nirkabel memungkinkan komunikasi dengan mesin bergerak (misalnya, kendaraan berpemandu otonom) atau peralatan yang harus sering dipindahkan. Wi-Fi (IEEE 802.11) dan Bluetooth adalah standar yang banyak digunakan untuk komunikasi nirkabel jarak pendek. Standar lain tersedia untuk komunikasi jarak jauh, meskipun ini mungkin memiliki bit rate yang lebih rendah. Jaringan 5G yang sedang berkembang menjanjikan kecepatan data yang tinggi dan latensi yang rendah.

Komunikasi nirkabel dapat kurang dapat diandalkan dibandingkan koneksi kabel di lingkungan yang bising secara elektrik dan mungkin tidak cocok untuk sinyal umpan balik yang sangat bergantung pada waktu. Dalam kasus robot gudang, misalnya, sinyal nirkabel dapat digunakan untuk memerintahkan mesin mengambil material dari lokasi tertentu. Namun, sensor untuk kemudi, kontrol kecepatan, dan penghindaran tabrakan biasanya akan dipasang pada sistem kontrol untuk memastikan respons yang andal dan seketika.

Standar Terbuka untuk Kompatibilitas

Tidak ada satu vendor pun yang dapat memasok peralatan terbaik di kelasnya untuk setiap bagian dari sistem otomasi yang kompleks dan pemasok teknologi jaringan industri telah beralih dari sistem jaringan berpemilik ke mendukung antarmuka terbuka (vendor-netral) dan standar jaringan. Dengan standar ini, pembeli peralatan kontrol gerak dapat memadupadankan komponen bersertifikasi standar dari vendor yang berbeda dengan harapan bahwa semuanya akan bekerja sama.

Organisasi standar industri yang penting termasuk Asosiasi Vendor Perangkat Terbuka , sponsor standar DeviceNet dan Ethernet/IP; BISA dalam Asosiasi Otomasi , sponsor protokol CANopen; dan Profibus Nutzerorganisation , sponsor antarmuka Profibus dan Profinet.

Artikel ini ditulis oleh Christian Fell, Manajer Umum di FRABA Inc., Hamilton, NJ. Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi di sini .