Menghubungkan Sistem Kontrol: Antarmuka Komunikasi Terpercaya untuk Sensor Posisi dan Gerakan

Antarmuka komunikasi menyediakan tautan yang paling penting di antara sensor ("saraf" dari sistem kontrol) dan pengontrol ("otak"). Ragam imponen dari teknologi komunikasi 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 gerakan, teknologi pengukuran akan menentukan antarmuka komunikasi. Encoder inkremental memberikan aliran terus-menerus dari pulsa sinyal — satu untuk setiap kali poros encoder berputar sejumlah tertentu. Mereka unggul dalam kontrol kecepatan, karena pengontrol dapat dengan akurat menentukan laju putaran dari interval di antara pulsa.

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

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

Driver output dalam encoder harus kompatibel dengan antarmuka pada pengontrol — driver output Push-Pull (HTL) atau RS-422 (TTL) umum 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 yang diukur pada titik waktu tertentu, baik sebagai tingkat arus/tegangan (analog) atau dengan mentransmisikan kata digital atau "telegram" (digital). Perangkat ini ideal untuk aplikasi kontrol posisi.

Sensor analog memiliki sejarah panjang, dengan sistem kontrol sebelumnya menggunakan potentiometer (resistor variabel). Baru-baru ini, sensor digital dengan konverter D/A bawaan telah diperkenalkan. Ini tersedia dengan output tegangan (misalnya, 0-5 V) atau arus (misalnya, 0-20 mA). Mereka memiliki konverter D/A yang dapat diprogram sehingga rentang gerakan mekanis yang ditentukan (daripada sebagian putaran hingga beberapa putaran) dapat diatur untuk meliputi rentang output listrik penuh sistem (misalnya, 0-5 V, 0-20 mA). Ini meningkatkan akurasi dan resolusi di atas rentang gerakan yang paling signifikan. Sensor analog memerlukan koneksi point-to-point, seringkali dengan kabel gauge yang relatif besar untuk membatasi resistansi listrik.

Encoder absolut dengan interface parallel bit melaporkan pengukuran sebagai kata digital, dengan konduktor terpisah untuk setiap bit. Respons hampir instan. Koneksi adalah point-to-point, biasanya melalui kabel ribbon. Karena jenis kabel ini relatif besar dan tidak lentu, sistem parallel bit bekerja paling baik pada jarak pendek.

Pembekalan Titik-ke-Titik Digital

Dengan pembekalan titik-ke-titik, kabel khusus berjalan dari pengontrol ke setiap sensor individu. Interface SSI (Serial Synchronous Interface) dan BiSS (Bidirectional Serial Synchronous) untuk encoder absolut menggunakan sistem pembekalan titik-ke-titik. Ini adalah interface digital yang dapat terhubung langsung ke PLC atau pengontrol lainnya. Koneksi SSI menawarkan kecepatan yang baik (kecepatan jam hingga 2 Mhz), resolusi tinggi, kabel yang 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, short circuit, konsistensi data).

BiSS adalah versi canggih dari SSI yang mendukung komunikasi real-time di antara perangkat kontrol dan sensor/aktuator dalam servomotor, robot, dan sistem otomasi lainnya. Interface juga memungkinkan pengontrol untuk mengatur parameter operasional di perangkat slave. 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 interface SSI dan BiSS open-source adalah non-proprietary, dengan lisensi gratis.

Komunikasi SSI dan BiSS menggunakan koneksi titik-ke-titik — biasanya RS-422. Beberapa perangkat dapat dihubungkan bersamaan (daisy-chained) untuk tata letak kabel yang lebih efisien.

Fieldbus: Sistem Pembekalan Akses Bersama

Pembekalan titik-ke-titik bekerja baik untuk sistem dengan jarak pendek dan jumlah perangkat yang terbatas namun seiring bertambahnya jumlah sensor, tata letak kabel dapat menjadi sulit dikelola. Seiring sistem otomatis menjadi lebih canggih dan jumlah perangkat yang terhubung bertambah, beberapa produsen memperkenalkan sistem fieldbus. Fitur jaringan ini didasarkan pada topologi bus, dengan beberapa perangkat membagikan tulang punggung kabel umum. Sistem fieldbus andal, cepat, dan relatif hemat biaya. Aplikasi berkisar dari pengangkut dan fasilitas manufaktur hingga peralatan mobile, peralatan medis, turbin angin, dan panel surya.

Mempunyai beberapa perangkat yang membagikan saluran komunikasi umum dapat menyebabkan masalah dengan waktu respons — ketika lalu lintas di bus padat, sensor individu mungkin pesan mereka tertunda dengan jumlah waktu yang tidak dapat diprediksi. Untuk mengatasi ini, sebagian besar desain fieldbus memungkinkan operator untuk memperingkat perangkat menurut pentingnya. Ini membantu memastikan bahwa pesan kritis mendapat perawatan prioritas. Lapisan fisik sistem fieldbus biasanya didasarkan pada kabel terpental (misalnya, EIA-485).

Standar fieldbus 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 memanfaatkan 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 (skema alamat, protokol komunikasi, profil perangkat, dll. yang diimplementasikan dalam perangkat lunak). Dalam dunia fieldbus, banyak sistem menggunakan standar CAN untuk menentukan aspek fisik jaringan, sementara protokol tingkat tinggi — seperti CANopen, DeviceNet, J1939, dll. — menyediakan fungsionalitas akhir ke akhir.

Industrial Ethernet

Industrial Ethernet menggunakan dasar teknis yang sama dengan office Ethernet tetapi dengan peningkatan yang membuatnya lebih cocok untuk kondisi pabrik yang keras. Unit switch industri mungkin dilengkapi dengan enclosure yang tahan air dan debu, sementara banyak perangkat menggunakan konektor M12 yang kuat alih-alih konektor RJ45 yang lebih rentan.

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

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

IO-Link adalah sistem komunikasi hemat biaya, mudah diimplementasikan yang dirancang untuk menyederhanakan koneksi antara jaringan fieldbus atau industrial Ethernet dan sensor atau aktuator sederhana yang terletak di lantai pabrik. Di satu sisi perangkat gateway IO-Link master adalah antarmuka ke jaringan pabrik, sementara sisi lain memiliki beberapa koneksi titik-ke-titik ke perangkat sensor individu.

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

Komunikasi Nirkabel

Teknologi nirkabel memungkinkan komunikasi dengan mesin mobile (misalnya, kendaraan terpandu otonom) atau peralatan yang harus dipindahkan dengan sering. 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 lebih rendah. Jaringan 5G yang berkembang menjanjikan laju data tinggi dan latensi rendah.

Komunikasi nirkabel dapat kurang andal daripada koneksi kabel dalam lingkungan yang berisiko elektrik dan mungkin tidak cocok untuk sinyal umpan balik yang sangat bergantung waktu. Dalam hal robot gudang, misalnya, sinyal nirkabel dapat digunakan untuk menginstruksikan mesin untuk mengambil bahan dari lokasi tertentu. Namun, sensor untuk penggerakan, kontrol kecepatan, dan penghindaran tabrakan biasanya akan dihubungkan kabel ke sistem kontrol untuk memastikan respons yang andal dan instan.

Standar Terbuka untuk Kompatibilitas

Tidak ada satu vendor pun yang dapat menyediakan peralatan terbaik untuk setiap bagian dari sistem otomasi yang kompleks dan penyedia teknologi jaringan industri telah beralih dari sistem jaringan proprietary menuju mendukung standar antarmuka dan jaringan terbuka (netral vendor). Dengan standar ini, pembeli peralatan kontrol gerakan dapat mencampur dan mencocokkan komponen bersertifikat standar dari berbagai vendor dengan harapan semuanya akan bekerja bersama.

Organisasi standar industri penting termasuk Open Device Vendors Association, sponsor standar DeviceNet dan Ethernet/IP; CAN in Automation Association, sponsor protokol CANopen; dan Profibus Nutzerorganisation, sponsor interface Profibus dan Profinet.

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