Wykorzystanie technologii IO-Link w zastosowaniach przemysłowych

Wraz z nadejściem czwartej rewolucji przemysłowej i przemysłu 4.0, kompleksową i inteligentną automatykę zdefiniowały zaawansowane sterowanie, monitorowanie i diagnostyka. Takie możliwości są dostępne tylko dzięki łączności przemysłowej - dzięki której sterowanie i urządzenia maszynowe są zunifikowane na platformie (takiej jak IO-Link) w celu ciągłej wymiany danych.

Ilustracja 1: technologia IO-Link uzupełnia istniejące protokoły sieciowe, łatwo integrując się z sieciami Fieldbus lub Ethernet za pośrednictwem głównego modułu IO-Link. Połączenie między głównym modułem IO-Link a urządzeniami IO-Link odbywa się za pomocą nieekranowanego i nieosłoniętego kabla trzy- lub pięciożyłowego, który również doprowadza zasilanie IO-Link. Tutaj zasilanie pierwotne wynosi 24V=. (Źródło ilustracji: Pepperl+Fuchs)

Kluczowymi technologiami prorozwojowymi leżącymi u podstaw łączności przemysłowej są znormalizowane sieci i urządzenia z wbudowanymi funkcjami komunikacyjnymi. Protokoły obfitują w te funkcje. Jednak nie wszystkie protokoły przemysłowe spełniają wymagania w zakresie wymiany danych i inteligencji wymagane przez dzisiejszą automatykę. Technologia IO-Link została stworzona w celu zaspokojenia szerokiego wachlarza wymagań tych nowoczesnych rozwiązań.

Jak opisano w poprzednim artykule w witrynie digikey.com, technologia IO-Link to przewodowy protokół komunikacji punkt-punkt, który ułatwia inteligentny dwukierunkowy przesył danych między urządzeniami. Zazwyczaj moduły główne IO-Link (kontrolery lokalne) mają kilka portów IO-Link (kanałów), do których niezależnie podłączane są różne urządzenia IO-Link. Takie połączenia między węzłami i punktami końcowymi sprawiają, że technologia IO-Link jest protokołem komunikacyjnym typu punkt-punkt.

Technologia IO-Link została wprowadzona na rynek w 2009 roku przez konsorcjum składające się z 41 członków, które obecnie liczy ich setki. Stała się powszechnie akceptowanym protokołem komunikacyjnym do wykorzystywania danych kluczowych w następujących zastosowaniach:

• Optymalizacja operacji
• Skrócenie przestojów i usprawnienie prac konserwacyjnych
• Obniżenie kosztów surowców i podejmowanie strategicznych decyzji operacyjnych.

Zharmonizowany interfejs IO-Link jest zdefiniowany przez normę IEC 61131-9 i obsługiwany przez komponenty oraz systemy producentów takich jak Siemens, Omron, ifm efektor, Balluff, Cinch Connectivity, Banner Engineering, Rockwell Automation, SICK, Pepperl+Fuchs i dziesiątki innych. Nic dziwnego, że łączność IO-Link jest szeroko wykorzystywana w operacjach związanych z automatyzacją montażu, obrabiarkami i intralogistyką. Jej trzy główne zastosowania w tych i innych środowiskach przemysłowych to m.in. komunikacja stanu, sterowanie maszynami i wdrażanie funkcji inteligentnych w urządzeniach.

Tryby kontrolera IO-Link są skorelowane z zastosowaniami

Ilustracja 2: typ złącza używanego z kablem połączeniowym zależy od typu portu. Do głównych portów IO-Link klasy A pasują złącza M8 lub M12 (np. przedstawione tutaj AL1120 firmy ifm efector) z maksymalnie czterema wtykami, podczas gdy do ich odpowiedników klasy B pasują złącza 5-wtykowe M12 (do dwukierunkowej transmisji danych). Tryb przypisany do portu modułu głównego w danym momencie jest określany przez urządzenie, do którego jest podłączony oraz zależy od bieżącej operacji. (Źródło ilustracji: ifm Effector)

Z poprzednich artykułów w witrynie digikey.com pamiętamy, że protokół komunikacyjny IO-Link sprawia, że każdy port złącza w głównym module (kontrolerze) IO-Link wysokiego poziomu może pracować w czterech trybach komunikacji. Są to m.in. tryb pełnej dezaktywacji oraz tryby operacyjne IO-Link, wejścia cyfrowego (DI) i wyjścia cyfrowego (DQ). Tryby luźno korelują z trzema głównymi zastosowaniami technologii IO-Link wymienionymi powyżej.

Tryb operacyjny IO-Link obsługuje dwukierunkową wymianę danych z urządzeniami polowymi i jest zwykle używany podczas zbierania danych do monitorowania, testowania i diagnostyki. Port główny w trybie DI odbiera sygnały cyfrowe i działa, gdy port jest podłączony do czujników - w tym kontekście działając jako urządzenie wejściowe. I na odwrót, port w trybie DQ pełni rolę wyjścia cyfrowego, zwykle gdy jest podłączony do aktuatora (w tym kontekście jest zasadniczo urządzeniem wyjściowym) lub gdy układowy sterownik PLC jest skonfigurowany do bezpośredniego wysyłania instrukcji do innego urządzenia IO-Link.

Chociaż wykracza to poza zakres tego artykułu, warto zauważyć, że w głównym module IO-Link istnieje możliwość łatwego przełączania poszczególnych trybów portów. Na przykład port główny podłączony do czujnika może działać w trybie DI - a następnie przełączyć się w tryb komunikacji IO-Link, gdy czujnik zażąda danych diagnostycznych i monitorowania czujnika.

Pierwsze z trzech zastosowań technologii IO-Link: aktywna komunikacja stanu

Ilustracja 3: technologia IO-Link ułatwia tworzenie wysoce zaawansowanych układów sterowania i automatyki. Przemysł obrabiarkowy szeroko wykorzystuje czujniki IO-Link do weryfikacji odpowiedniego zamocowania obrabianego przedmiotu oraz nacisków i pozycji narzędzia końcowego. (Źródło ilustracji: Getty Images)

Monitorowanie maszyny jest możliwe dzięki urządzeniom IO-Link skonfigurowanym do raportowania stanu, który z kolei może informować system o niezbędnych korektach i poprawkach. Rozważmy jedno zastosowanie w przemyśle obrabiarkowym - czujniki nacisku IO-Link, które sprawdzają, czy obrabiane przedmioty są mocowane z naciskiem odpowiednim do uniknięcia uszkodzeń, a jednocześnie bezpiecznego zamocowania elementu podczas operacji usuwania materiału. W tym przypadku czujniki IO-Link zasadniczo wspierają optymalizację zadań maszyny pod kątem zmniejszenia liczby odrzutów.

Urządzenia IO-Link mogą również zapewniać praktyczną komunikację stanu, wspierając rozszerzone procedury konserwacyjne w celu minimalizowania przestojów. Na przykład czujniki położenia IO-Link na maszynie montażowej mogą stale zgłaszać położenie efektorów końcowych, aby upewnić się, że żaden z nich nie jest rozkalibrowany.

Analizując dane diagnostyczne dostarczane przez urządzenia IO-Link, technicy maszyn w zakładzie mogą przewidywać błędy oraz potencjalne awarie i zapobiegać im zanim wystąpią. Technicy mogą również identyfikować słabe punkty w maszynie lub zakładzie - aby w przyszłości wprowadzać odpowiednie zmiany operacyjne na poziomie przedsiębiorstwa, podejmować decyzje zakupowe i realizować projekty maszyn.

Drugie z trzech zastosowań technologii IO-Link: zaawansowane sterowanie i automatyka

Ilustracja 4: system IO-Link zastosowany w zaawansowanym sterowaniu obejmuje główny moduł IO-Link (kontroler), taki jak pokazany tutaj NX-ILM400 firmy Omron, a także podłączone do niego różne czujniki, zasilacze i urządzenia mechatroniczne z obsługą technologii IO-Link. Systemy IO-Link do takich zastosowań zazwyczaj łączą w sobie moduły główne i urządzenia IO-Link ze sterownikiem PLC lub innym układem automatyki. (Źródło ilustracji: Omron)

Sterowanie i automatyka to kolejne funkcje obsługiwane przez technologię IO-Link. Tam, gdzie instalacja IO-Link obsługuje funkcje, które nie wymagają interwencji personelu, główny moduł IO-Link często łączy się z systemem hosta lub kontrolerem wyższego poziomu, który przetwarza odebrane dane, a następnie bezpośrednio lub pośrednio steruje aktuatorami w celu uzyskania odpowiednich skoordynowanych reakcji. Takie zautomatyzowane sterowanie wymaga, aby system IO-Link był połączony z kontrolerem wyższego poziomu za pomocą standardowych protokołów i okablowania magistrali Fieldbus lub Ethernet. W rzeczywistości większość modułów głównych IO-Link ma do takich połączeń przewidziane porty Fieldbus lub Ethernet.

Urządzenia w zaawansowanych zastosowaniach sterowania z udziałem systemów IO-Link integrują się na jeden z trzech sposobów:

• Łączą się bezpośrednio z komputerem hosta lub sterownikiem PLC
• Łączą się z modułem głównym IO-Link i komunikują się za pośrednictwem protokołu IO-Link
• Wykorzystują komunikację zgodną z technologią IO-Link i łączą się z modułem głównym IO-Link przez koncentrator IO-Link

Ten ostatni zasadniczo działa jako pośrednik na potrzeby podłączania urządzeń bez natywnej obsługi technologii IO-Link z modułem głównym IO-Link.

Dodatkową zaletą systemów IO-Link wyposażonych w łączność przez magistralę Fieldbus i Ethernet jest to, że dozwolone są połączenia na duże odległości - co z kolei pozwala instalatorom usytuować moduły główne IO-Link w szafie sterowniczej lub na znajdującej się najdalej maszynie, jeśli jest to najbardziej sensowne rozwiązanie w danej sytuacji.

Zastanówmy się, jakie korzyści przynoszą moduły główne IO-Link w zaawansowanych zastosowaniach montażowych, służąc jako kontrolery niskiego poziomu zdolne do przetwarzania zarówno sygnałów cyfrowych, jak i analogowych. W tym kontekście moduły główne mogą:

• Odbierać dane generowane przez enkodery liniowe IO-Link na osiach stopnia XY
• Przetwarzać te dane jako brama
• Przesyłać przetworzone dane urządzenia polowego IO-Link do sterownika PLC lub innego kontrolera układu

Trzecie z trzech zastosowań technologii IO-Link: inteligencja urządzenia

Ilustracja 5: interfejs połączeniowy IO-Link jest bardzo mały i pasuje do większości kompaktowych urządzeń polowych. Na ilustracji przedstawiono czujnik zbliżeniowy BUS004Z firmy Balluff z łącznością IO-Link. (Źródło ilustracji: Balluff)

Trzecim zastosowaniem technologii IO-Link jest wdrażanie funkcji inteligentnych w urządzeniach. Urządzenia z obsługą technologii IO-Link, szczególnie często spotykane w projektach czujników, które przypominają starsze rozwiązania czujnikowe niewymagające programowania (lub wymagające go w bardzo niewielkim zakresie), mogą odbierać instrukcje, monitorować i wykonywać procedury autodiagnostyczne oraz generować dane. Dzięki temu, że technologia IO-Link umożliwia również urządzeniom dostarczanie danych bogatszych niż tylko pakiety dwuwartościowe (tak/nie lub pass/fail), możliwe jest również raportowanie dokładnych wartości. Na przykład w automatyzacji procesów korzysta się z czujników temperatury IO-Link, które raportują nie tylko wysoką czy niską temperaturę, ale w trybie ciągłym raportują dokładną wartość temperatury monitorowanej strefy.

Kolejną zaletą technologii IO-Link dla inteligentnych urządzeń polowych jest kompaktowość fizycznych połączeń. Jest ona przeciwieństwem do fizycznych połączeń interfejsów Fieldbus i Ethernet, które czasami mogą być zbyt duże, aby zmieścić się w mikrourządzeniach polowych.

Inteligentne komponenty IO-Link mogą być również precyzyjnie sterowane. Na przykład zamiast używać zwykłych elementów wyłączających i włączających można wydać polecenie wyłączenia kontrolera w momencie spełnienia określonych warunków.

Urządzenia wejściowe, takie jak przełączniki przyciskowe firmy RAFI mogą wykorzystywać funkcje technologii IO-Link do obsługi urządzenia inteligentnego - na przykład kolorowych lampek wskaźnikowych.

Zastosowania wykorzystujące technologię IO-Link w inteligentnych urządzeniach charakteryzują się jednak pewnymi ograniczeniami. Chociaż opracowywana jest bezprzewodowa postać technologii IO-Link, nadal jest to protokół komunikacji przewodowej - więc nadal podlega wszystkim ograniczeniom wynikającym z okablowania. Aby zachować integralność danych, okablowanie IO-Link między urządzeniami głównymi nie może przekraczać 20m. Ponadto, ponieważ protokół IO-Link może przesyłać tylko maksymalnie 32b danych na cykl, jest niewystarczający do użytku z urządzeniami polowymi, takimi jak kamery, które mogą generować wiele MB danych na minutę.

Podsumowanie

Zastosowania systemów IO-Link uzupełniają istniejące protokoły stanowiące podstawę praktycznie nieograniczonych funkcji sterowania i systemów gromadzenia danych. Impulsem do przyjęcia systemów IO-Link była ich prostota - składają się tylko z modułu głównego IO-Link i jego urządzeń oraz połączonych z nimi kabli trzy- lub pięciożyłowych. Instalacja plug-and-play i opłacalność to kolejne zalety technologii IO-Link.

Wysiłki konsorcjum firm członkowskich IO-Link zapewniły szeroką kompatybilność między sterownikami, urządzeniami i aktuatorami różnych producentów, co dało projektantom szeroki wybór sprzętu do konkretnych zastosowań.