Cum să creșteți productivitatea actuatoarelor inteligente din fabrică folosind IO-Link

Trecerea la Industria 4.0 sau la Internetul industrial al lucrurilor (IIoT) continuă pentru a obține o mai mare eficiență, siguranță, productivitate și costuri generale mai mici. Un element critic al acestui efort este conectivitatea dispozitivelor. Aceasta poate fi o provocare, deoarece necesită selectarea unui standard de comunicații adecvat și proiectarea interfețelor aferente și a software-ului asociat, toate acestea putând încetini implementarea fabricilor inteligente.

Proiectanții de sisteme pentru automatizarea industrială au nevoie de o abordare standard, fiabilă, eficientă și mai modulară pentru a facilita implementările rapide și rentabile.

Pentru a rezolva această problemă, aceștia pot folosi IO-Link, o interfață dovedită pentru utilizarea în fabricile inteligente. IO-Link este o interfață de comunicare digitală bidirecțională, punct-la-punct, single-drop (SDCI) care este guvernată de mai multe standarde, inclusiv IEC 61131-2, IEC 61131-9 (SDCI) și IO-Link 1.1.3.

Acest articol discută pe scurt trecerea la fabricile inteligente și provocările pe care aceasta le prezintă pentru proiectanți. Apoi, oferă o prezentare generală a funcționării IO-Link și a modului în care acesta simplifică implementările în fabricile inteligente. Sunt prezentate exemple de dispozitive IO-Link de la Analog Devices, inclusiv un dispozitiv slave care poate fi utilizat pentru a înlocui actuatoarele pneumatice și pentru a oferi performanțe îmbunătățite, un dispozitiv slave cu un convertor c.c./c.c. integrat și un dispozitiv master. Sunt incluse proiecte de referință pentru realizarea rapidă a actuatoarelor industriale cu IO-Link.

Simplificarea trecerii la fabrici inteligente

Trecerea la fabrici inteligente crește nevoia unei modalități simple de adăugare a inteligenței la periferie pentru punerea în funcțiune, monitorizarea și reconfigurarea senzorilor și actuatoarelor. Instalarea simplă și capacitatea de comunicare bidirecțională a IO-Link sprijină implementarea inteligenței la periferie. Într-un caz, IO-Link a fost creditat pentru o reducere cu 90 la sută a timpului de configurare și punere în funcțiune.

În practică, setările parametrilor pot fi descărcate prin IO-Link pentru a configura sau reconfigura dispozitivele. Acest lucru elimină necesitatea intervenției unui tehnician și reduce timpul de nefuncționare. Capacitatea IO-Link de diagnosticare inteligentă, de detectare a erorilor și de înregistrare de date poate fi utilizată pentru a colecta informații operaționale în timp real în întreaga fabrică, reducând și mai mult timpii de nefuncționare.

Arhitectura unui sistem IO-Link constă în conexiuni punct-la-punct între dispozitivul master IO-Link și diverse dispozitive IO-Link. Utilizarea conectorilor standard M8 sau M12 și a unui cablu cu 3 sau 4 fire de 20 de metri (m) simplifică instalarea sistemului. De obicei, dispozitivele master IO-Link au 4 sau 8 porturi, fiecare fiind conectat la un dispozitiv IO-Link. Fiecare port poate funcționa în modul standard de intrare/ieșire (SIO) sau în modul de comunicare bidirecțională. Deoarece este o arhitectură punct-la-punct, IO-Link nu este o magistrală de câmp, dar este compatibilă cu magistralele de câmp și cu Ethernet industrial și se poate conecta la controlere logice programabile (PLC) și la interfețe om-mașină (HMI) (Figura 1).

Figura 1: IO-Link este compatibil cu magistralele de câmp și cu rețelele Ethernet industriale IEEE. (Sursa imaginii: IO-Link Community)

Pe lângă faptul că funcționează în modul SDCI, IO-Link oferă compatibilitate retroactivă cu standardul IEC 60974-5-2 pentru senzori binari. Comunicarea de bază punct-la-punct utilizează o interfață cu 3 fire (L+, C/Q și L-). În modul IO-Link, comunicarea dintre dispozitivele master și slave este bidirecțională, cu trei viteze de transmisie posibile; COM1 este de 4,8 kilobiți pe secundă (kbps), COM2 este de 38,4 kbps și COM3 este de 230,4 kbps (Figura 2). Un dispozitiv master IO-Link trebuie să accepte toate cele trei viteze de date pentru a putea comunica cu orice dispozitiv slave conectat. Dispozitivele slave acceptă o singură viteză de transfer al datelor. Comunicarea se face cu impulsuri de 24 de volți, utilizând codificarea NRZ (nonreturn-to-zero) pe linia C/Q. În modul IO-Link, pinul 2 poate fi în modul de intrare digitală (DI), în modul de ieșire digitală (DO) sau neconectat. Dispozitivul IO-Link (senzor sau actuator) trebuie să funcționeze în limita a 300 de milisecunde (ms) după ce L+ depășește un prag de 18 volți.

Figura 2: comunicarea IO-Link este bidirecțională și poate accepta 4,8, 38,4 și 230,4 kbps. (Sursa imaginii: )

Descrierea dispozitivului IO-Link

Toți senzorii și toate actuatoarele IO-Link au un fișier de descriere a dispozitivului IO-Link (IODD) (Figura 3). IODD este un fișier xml care transmite dispozitivului master IO-Link datele de care are nevoie pentru a identifica și configura dispozitivul și pentru a interpreta datele acestuia.

• Conținutul IODD include
  • Proprietăți necesare pentru a susține comunicarea
  • Parametrii dispozitivului
  • Informații de identificare
  • Informații despre proces și diagnosticare
  • O imagine a dispozitivului și sigla producătorului
• Structura IODD este prezentată separat de IEC 61131-9.
• O bază de date centralizată pentru fișierele IODD este întreținută de Consorțiul IO-Link

Figura 3: IODD este un fișier xml care include informațiile de care are nevoie dispozitivul master IO-Link pentru a identifica, configura și comunica cu fiecare dispozitiv slave. (Sursă imagine: Analog Devices)

Legătura de date și tipurile de date

Schimburile de mesaje între dispozitivul master IO-Link și restul dispozitivelor sunt gestionate de nivelul legăturii de date (DL). Mesajele sunt cadre care au o lungime cuprinsă între 1 și 66 de cuvinte UART (transmițător universal de emisie-recepție asincronă) și sunt denumite „secvențe M”. Mesajele pot fi asociate cu datele la cerere, cu cererile și comenzile de gestionare a sistemului și cu datele de proces obișnuite. Dispozitivul master include un program de gestionare DL care se ocupă de erori și mesaje de eroare și care gestionează modurile de operare, cum ar fi activarea, SIO și ratele COM, printre altele. Atunci când dispozitivul master trimite o cerere, dispozitivele trebuie să răspundă.

Comunicarea IO-Link poate fi sincronă sau asincronă. Dispozitivele master IO-Link și restul dispozitivelor includ programe de gestionare a datelor de proces pentru comunicarea sincronă și un program de gestionare la cerere pentru comunicarea asincronă a datelor despre evenimente, control, parametri și unitatea de date a serviciilor de indexare (ISDU). Datele asincrone sunt la cerere și pot conține următoarele:

• Informații și control pentru configurare sau întreținere.
• Declanșare ca urmare a unui eveniment, cu trei niveluri de urgență:
  • Erori
  • Avertismente
  • Notificări
• Date despre pagină pentru citirea directă a parametrilor dispozitivului
• Date de serviciu pentru structuri de date mari

Integrarea IO-Link în dispozitivele master și restul dispozitivelor poate fi complexă. Este necesar să se implementeze pe deplin standardele pentru a asigura interoperabilitatea dispozitivelor și funcționarea fiabilă a sistemului. Pentru a integra rapid comunicațiile IO-Link eficiente și fiabile în actuatoarele inteligente, proiectanții pot utiliza soluții pre-proiectate pentru dispozitive master și dispozitive. Circuitele integrate de control al dispozitivelor IO-Link au drivere de putere foarte redusă cu protecție activă împotriva polarității inverse și sunt disponibile cu și fără un convertor c.c./c.c. integrat. De asemenea, acestea au o interfață periferică serială (SPI) care acceptă diagnostice extinse. Circuitele integrate de emițător-receptor master IO-Link cu două canale acceptă funcționarea la putere redusă și simplifică selecția microcontrolerului (MCU) prin includerea programelor de gestionare a cadrelor cu capacități UART și FIFO (primul intrat, primul ieșit).

Înlocuirea actuatoarelor pneumatice cu IO-Link

IO-Link oferă o modalitate simplă de a întrerupe abordările tradiționale de control al proceselor și de a îmbunătăți operațiunile din fabrică prin înlocuirea actuatoarelor pneumatice cu unități servo și controale digitale sofisticate. De exemplu, proiectanții pot utiliza proiectul de referință al unității servo IO-Link MAXREFDES37# pentru a accelera timpul de lansare pe piață (Figura 4). Acest proiect de referință oferă o putere de 5 volți și include patru ieșiri cu modularea impulsului în lățime (PWM), plus patru intrări digitale pentru a controla până la patru servomotoare.

Placa include un conector M12-4 pentru conectarea la un dispozitiv master IO-Link. Capetele cu 3 pini permit conectarea rapidă la servomotoare standard de 5 volți, dintre care unul este inclus în proiectul de referință de bază. Conectarea la intrările digitale de 5 volți, la masa de alimentare și la toate cele patru canale PWM se face utilizând blocuri terminale cu fir fără șurub. Este inclusă stiva de dispozitive IO-Link de la Technologie Management Gruppe Technologie und Engineering (TMG TE). MAXREFDES37# poate fi utilizat în combinație cu dispozitivul master IO-Link cu două canale MAXREFDES277 într-un factor de formă Pmod care include un program de interfață grafică cu utilizatorul (GUI) pentru o verificare ușoară cu ajutorul unui PC cu Windows.

Figura 4: MAXREFDES37# are un conector M12 (stânga) pentru conectarea la un dispozitiv master IO-Link și este livrat cu un servomotor (dreapta). (Sursă imagine: Analog Devices)

MAXREFDES37# încorporează circuitul integrat de emisie-recepție IO-Link MAX14821ETG+T și circuitul integrat coborâtor de reglare c.c./c.c. MAX17504ATP+T. Emițătorul-receptorul MAX14821ETG+T poate fi utilizat cu dispozitive IO-Link și senzori sau actuatoare binare de 24 de volți. Sunt acceptate toate vitezele de transfer al datelor IO-Link specificate, iar driverele C/Q și DO pot furniza sau absorbi până la 100 miliamperi (mA). Emițătorul-receptorul rulează protocolul de nivel DL pentru interfațarea cu o unitate microcontroler (MCU). Două regulatoare liniare interne furnizează 5 și 3,3 volți de curent continuu (Vc.c.) pentru a alimenta senzorii și actuatoarele, iar intrările și ieșirile digitale de 24 de volți sunt, de asemenea, incluse. Driverele integrate DO și C/Q pot fi configurate independent pentru funcționare în contratimp, low-side (NPN) sau high-side (PNP). Emițătorul-receptorul poate fi configurat și monitorizat prin intermediul unui SPI.

Convertorul c.c./c.c. coborâtor MAX17504 redresat sincronizat integrat funcționează într-o gamă de intrare de la 4,5 până la 60 Vc.c. Are un interval al tensiunii de ieșire de la 0,9 volți la 90% din tensiunea de intrare și furnizează până la 3,5 amperi (A). Precizia de reglare este de ±1,1% de la -40 la +125 grade Celsius (°C). Are o eficiență de vârf >90% și un curent de închidere de 2,8 microamperi (μA).

Emițător-receptor pentru dispozitive master sau dispozitive cu c.c./c.c. integrat

Pentru proiectanții de dispozitive master și dispozitive IO-Link există MAX22514. Un nivel ridicat de integrare – inclusiv un regulator c.c./c.c. coborâtor, două regulatoare liniare și o protecție integrată împotriva supratensiunilor – precum și o disipare redusă a puterii și posibilitatea de a alege între o capsulă la nivel de plăcuță (WLP) (2,5 milimetri (mm) x 2,6 mm) sau o capsulă subțire de tip quad flat pack (TQFN) (4 mm x 5 mm), fac ca acest emițător-receptor să fie bine adaptat pentru aplicațiile IO-Link industriale cu spațiu limitat (Figura 5).

De exemplu, numărul de catalog MAX22514AWA+ se află într-un WLP. SPI-ul său acceptă configurabilitatea și diagnosticarea și, de asemenea, acceptă ratele de transfer al datelor COM1, COM2 și COM3.

Figura 5: emițătorul-receptorul MAX22514 este foarte bine integrat și potrivit pentru utilizarea în dispozitivele master și dispozitivele IO-Link. (Sursă imagine: Analog Devices)

Pentru a reduce timpul de dezvoltare, proiectanții pot utiliza proiecte de referință, cum ar fi MAXREFDES278#. Acesta este un proiect de referință pentru un actuator cu solenoid cu 8 canale bazat pe emițătorul-receptorul MAX22514 IO-Link care include MAX22200, un driver de solenoid de 1 A controlat în serie, integrat în sistem octal, cu tranzistoare cu efect de câmp (FET) integrate. Proiectul de referință include un regulator integrat c.c./c.c. de coborâre. Este inclus un software compatibil cu Windows care oferă o interfață grafică de utilizare (GUI) pentru explorarea caracteristicilor MAX22514. Pentru a conecta placa de evaluare la un PC se utilizează un cablu USB-A la micro-B.

Dispozitiv master cu două canale

Atunci când este nevoie de un dispozitiv master IO-Link cu două canale, proiectanții pot folosi emițătorul-receptorul MAX14819ATM+, care include două canale de intrare digitale auxiliare. Un dispozitiv de încadrare IO-Link integrat elimină nevoia de UART-uri externe, iar temporizatorul de ciclu integrat scutește MCU de necesitatea de a gestiona sarcinile critice de sincronizare. Acest emițător-receptor poate fi utilizat în combinație cu izolatoarele digitale MAX14931FAWE+ și MAX12930EASA+T. MAX14931FAWE+ are patru canale pentru transmiterea semnalelor digitale într-o singură direcție. MAX12930EASA+T are două canale pentru transferul de date. Kitul de evaluare MAX14819EVKIT# este disponibil pentru MAX14819A și include izolatoarele digitale MAX14931 și MAX12930 (Figura 6).

Figura 6: kitul de evaluare master IO-Link cu două canale MAX14819EVKIT# include emițătorul-receptorul MAX14819 și izolatoarele digitale MAX12930 și MAX14931. (Sursă imagine: Analog Devices)

Concluzie

Pentru a beneficia de avantajele IIoT și ale Industriei 4.0, senzorii și traductoarele trebuie să fie implementate rapid și într-un mod rentabil. În acest scop, IO-Link oferă proiectanților de sisteme de automatizare industrială o abordare standard, fiabilă, eficientă și modulară. După cum s-a arătat, prin folosirea componentelor disponibile în comerț, proiectanții pot utiliza IO-Link pentru a adăuga inteligență la periferie pentru punerea în funcțiune, monitorizarea și reconfigurarea senzorilor și a actuatoarelor.

Lectură recomandată

1. Cum se proiectează o rețea suprapusă modulară pentru optimizarea prelucrării datelor din Industria 4.0 în IIoT