Utilizarea IO-Link în aplicațiile industriale

Odată cu apariția celei de-a patra revoluții industriale și a Industry 4.0, automatizarea complexă și inteligentă a ajuns să fie definită prin controale, monitorizare și diagnosticare avansate. Astfel de capacități sunt posibile numai prin conectivitate industrială – prin care dispozitivele de control și utilajele sunt unificate pe o platformă (cum ar fi IO-Link) pentru un schimb continuu de date.

Figura 1: IO-Link completează protocoalele de rețea existente, integrându-se cu ușurință în rețelele fieldbus sau Ethernet prin elementul principal IO-Link. Conexiunea dintre un element principal IO-Link și dispozitivele sale IO-Link se realizează prin intermediul unui cablu cu trei sau cinci fire neecranat și neprotejat, capabil să furnizeze și energie electrică dispozitivelor IO-Link. Aici, alimentarea de la elementul primar este de 24 V c.c. (Sursa imaginii: Pepperl+Fuchs)

Tehnologiile esențiale care stau la baza conectivității industriale sunt rețelele și dispozitivele standardizate cu funcții de comunicare integrate. Există numeroase protocoale pentru aceste funcții. Cu toate acestea, nu toate protocoalele industriale îndeplinesc cerințele de schimb de date și de inteligență cerute de automatizarea din prezent. IO-Link a fost creat pentru a satisface o gamă largă din aceste aplicații moderne.

După cum s-a prezentat într-un articol anterior de pe digikey.com, IO-Link este un protocol de comunicare punct-la-punct cu fir care facilitează comunicarea bidirecțională inteligentă de date între dispozitive. În mod obișnuit, elementele primare IO-Link (controlere locale) au mai multe porturi IO-Link (canale) în care se conectează în mod independent diverse dispozitive IO-Link. Aceste conexiuni de la nod la nod pentru punctul final sunt cele care fac din IO-Link un protocol de comunicare punct-la-punct.

Lansat în 2009 de către un consorțiu de 41 de membri, care acum numără sute de membri, IO-Link a devenit un protocol de comunicare acceptat pe scară largă pentru valorificarea datelor esențiale pentru:

• Optimizarea operațiunilor
• Reducerea timpilor de nefuncționare și eficientizarea întreținerii
• Reducerea costurilor materiilor prime și luarea de decizii operaționale strategice.

Interfața armonizată IO-Link este definită de standardul IEC 61131-9 și este susținută de Siemens, Omron Corp., ifm Efector, Balluff, Cinch Connectivity, Banner Engineering, Rockwell Automation, SICK, Pepperl+Fuchs și zeci de alți producători de componente și sisteme. Nu este de mirare că conectivitatea IO-Link este utilizată pe scară largă în operațiunile care implică automatizarea asamblării, mașini-unelte și intralogistica. Cele trei utilizări principale ale sale în aceste medii și în alte medii industriale includ comunicarea stării, controlul utilajelor și transformarea dispozitivelor în dispozitive inteligente.

Modurile controlerului IO-Link se corelează cu utilizările

Figura 2: tipul de conector utilizat cu cablul de conectare depinde de tipul de port. Porturile elementului primar IO-Link de clasă A acceptă conectori M8 sau M12 (cum ar fi AL1120 de la ifm efector prezentat aici) cu până la patru pini, în timp ce piesele omoloage de clasă B acceptă conexiuni cu dispozitive care au conectori M12 cu cinci pini (pentru comunicarea bidirecțională a datelor). Modul atribuit unui port al elementului primar la un moment dat este determinat de dispozitivul la care este conectat și de operațiunea curentă. (Sursa imaginii: ifm Efector)

Amintiți-vă din articolele anterioare de pe digikey.com că protocolul de comunicare IO-Link face ca fiecare port de conectare de pe un element primar de nivel înalt IO-Link (controler) să fie capabil de patru moduri de comunicare. Acestea includ un mod complet dezactivat, precum și modurile de funcționare IO-Link, intrare digitală (DI) și ieșire digitală (DQ). Modurile se corelează vag cu cele trei utilizări principale ale IO-Link enumerate mai sus.

Modul de operare IO-Link acceptă comunicații de date bidirecționale cu dispozitive de câmp și este utilizat, de obicei, în timpul colectării datelor pentru monitorizare, testare și diagnosticare. Un port al elementului primar în modul DI acceptă intrări digitale și funcționează atunci când portul este conectat la senzori – în acest context, acționând ca dispozitive de intrare. În schimb, un port în modul DQ acționează ca o ieșire digitală, de obicei atunci când portul este conectat la un dispozitiv de acționare (în acest context, efectiv un dispozitiv de ieșire) sau atunci când un sistem PLC este configurat pentru a trimite direct instrucțiuni către un alt dispozitiv IO-Link.

Deși depășește obiectul acestui articol, merită menționat faptul că porturile de pe un element primar IO-Link pot comuta cu ușurință între moduri. De exemplu, un port al elementului primar conectat la un senzor poate funcționa în modul DI – apoi poate trece la modul de comunicare IO-Link atunci când elementul primar solicită date de diagnosticare și monitorizare de la senzor.

Aplicația IO-Link 1 din 3: comunicări de stare pe baza cărora se poate acționa

Figura 3: IO-Link facilitează crearea de sisteme de control și automatizare foarte avansate. Industria mașinilor-unelte utilizează din abundență senzorii IO-Link pentru a verifica presiunile și pozițiile adecvate de prindere și de frezare a piesei de prelucrat de către uneltele finale. (Sursa imaginii: Getty Images)

Monitorizarea utilajelor este posibilă cu ajutorul dispozitivelor IO-Link configurate pentru a raporta starea care, la rândul său, poate informa sistemul cu privire la ajustările și corecțiile necesare. Luați în considerare o utilizare în industria mașinilor-unelte – cea a senzorilor de presiune IO-Link care verifică dacă piesele de prelucrat sunt fixate cu o presiune adecvată pentru o fixare sigură și fără daune în timpul operațiunilor de îndepărtare a materialului. Aici, senzorii IO-Link susțin în mod esențial optimizarea sarcinilor utilajelor pentru a reduce numărul de piese de prelucrat respinse.

De asemenea, dispozitivele IO-Link pot să transmită comunicări de stare pe baza cărora se poate acționa pentru a sprijini rutinele de întreținere îmbunătățite, pentru a reduce la minimum timpii morți. De exemplu, senzorii de poziție IO-Link de pe un utilaj de asamblare ar putea raporta în mod continuu locațiile efectuatoarelor de capăt pentru a se asigura că niciunul nu se află în afara intervalului de acțiune sau de aliniere.

Analizând datele de diagnosticare furnizate de dispozitivele IO-Link, tehnicienii utilajelor unei instalații pot prezice și corecta erorile și eventualele defecțiuni înainte ca acestea să se producă. De asemenea, tehnicienii pot identifica punctele slabe ale unui utilaj sau ale unei instalații – pentru a informa schimbările operaționale la nivel de întreprindere, deciziile de achiziție și proiectele de utilaje captive în viitor.

Aplicația IO-Link 2 din 3: control avansat și automatizare

Figura 4: un sistem IO-Link implicat în controale avansate include un element primar IO-Link (controler), cum ar fi Omron NX-ILM400 prezentat aici, și diverși senzori, diverse surse de alimentare și dispozitive mecatronice compatibile cu IO-Link, conectate la acest element primar. Sistemele IO-Link pentru astfel de aplicații conectează în mod obișnuit elementul primar IO-Link și dispozitivele la un PLC sau la un alt sistem de automatizare. (Sursa imaginii: Omron)

Controlul și automatizarea sunt alte funcții ale aplicației acceptate de IO-Link. În cazul în care o instalație IO-Link acceptă funcții care se execută fără intervenția personalului, elementul primar IO-Link se conectează adesea la un sistem gazdă sau la un PLC de nivel superior care procesează datele primite și apoi comandă direct sau indirect mecanismele de acționare din proiect pentru a obține răspunsurile coordonate corespunzătoare. Un astfel de control automatizat necesită ca sistemul IO-Link să se conecteze la un controler de nivel superior prin intermediul unor protocoale și cablaje standardizate de fieldbus sau Ethernet. De fapt, majoritatea elementelor primare IO-Link au porturi fieldbus sau Ethernet pentru astfel de conexiuni.

Dispozitivele din aplicațiile de control avansat care implică sisteme IO-Link se integrează într-unul din cele trei moduri:

• Se conectează direct la calculatorul gazdă sau la PLC
• Se conectează la un element primar IO-Link și comunică prin protocolul IO-Link
• Utilizează comunicații compatibile IO-Link și se conectează la un element primar IO-Link prin intermediul unui hub IO-Link

Practic, acesta din urmă acționează ca un intermediar pentru conectarea dispozitivelor non-IO-Link la elementul primar.

Un avantaj suplimentar al sistemelor IO-Link care au conectivitate de comunicare prin fieldbus și Ethernet este faptul că sunt permise conexiunile la distanță – ceea ce, la rândul său, permite instalatorilor să amplaseze elementele primare IO-Link într-un dulap de control sau la cele mai îndepărtate porțiuni ale mașinii, dacă acest lucru este cel mai potrivit pentru o anumită aplicație.

Luați în considerare modul în care elementele primare IO-Link beneficiază de aplicațiile de asamblare avansate, servind ca și controlere de nivel scăzut capabile să proceseze atât semnale digitale, cât și analogice. Aici, elementele primare ar putea:

• Accepta datele generate de codificatoarele liniare IO-Link pe axele unei etape XY
• Prelucra aceste date ca un gateway
• Transmite datele procesate ale dispozitivului de câmp IO-Link către PLC sau alt controler de sistem

Aplicația IO-Link 3 din 3: inteligența dispozitivului

Figura 5: interfața de conectare IO-Link este foarte mică și poate fi montată pe majoritatea dispozitivelor de câmp compacte. Aici este prezentat un senzor de proximitate Balluff BUS004Z cu conectivitate IO-Link. (Sursa imaginii: Balluff)

A treia aplicație a IO-Link este de a transforma dispozitivele în dispozitive inteligente. În special comune în cazul modelelor de senzori care seamănă cu opțiunile vechi de senzori fără programare (sau cu o programare mai modestă), aceste dispozitive cu IO-Link pot primi instrucțiuni, monitoriza și executa rutine de autotestare – și pot genera date. Deoarece IO-Link permite dispozitivelor și să furnizeze mai mult decât datele de bază cu două valori (da-nu sau succes-eșec), este posibilă și raportarea unor valori precise. De exemplu, sarcinile de automatizare a proceselor beneficiază de senzorii de temperatură IO-Link care nu se limitează la raportarea stării de temperatură ridicată sau scăzută, ci raportează în mod continuu valoarea exactă a temperaturii unei zone sau a unui volum monitorizat.

Un alt avantaj al IO-Link pentru dispozitivele de câmp inteligente este modul în care conexiunile sale fizice sunt compacte. Acest lucru este în contrast cu conexiunile fizice ale interfețelor fieldbus și Ethernet, care pot fi uneori prea mari pentru a încăpea pe microdispozitivele de câmp.

De asemenea, componentele inteligente IO-Link pot fi controlate cu precizie. De exemplu, în loc de comenzile de bază de tip „oprit-pornit”, un dispozitiv de acționare poate fi comandat să se oprească după ce un scenariu îndeplinește un set de condiții.

Dispozitivele de intrare, cum ar fi întrerupătoarele cu butoane de la RAFI, pot utiliza funcțiile IO-Link pentru a susține caracteristicile dispozitivelor inteligente – inclusiv indicatoarele luminoase cu coduri de culoare.

Există unele avertismente privind utilizarea IO-Link pentru aplicațiile dispozitivelor inteligente. Deși există o formă wireless de IO-Link în curs de dezvoltare, acesta încă este un protocol de comunicare prin cablu – deci încă este supus tuturor limitărilor legate de cablare. Pentru a menține integritatea datelor, cablarea dintre elementul primar IO-Link și dispozitiv nu trebuie să depășească 20 m. În plus, deoarece protocolul IO-Link poate transmite doar până la 32 de octeți de date per ciclu, acesta este insuficient pentru utilizarea cu dispozitive de câmp, cum ar fi camerele de luat vederi, care pot genera mulți MB de date pe minut.

Concluzie

Utilizările pentru sistemele IO-Link sunt numeroase în ceea ce privește completarea protocoalelor existente care stau la baza unor sisteme de control și de colectare a datelor practic nelimitate. Simplitatea sistemelor IO-Link – care includ doar un element primar IO-Link și dispozitivele sale, precum și cablurile lor conectate cu trei sau cinci fire – a stimulat adoptarea acestora. Instalarea plug-and-play și rentabilitatea sunt alte avantaje ale IO-Link.

Eforturile depuse de consorțiul IO-Link al companiilor membre au asigurat o compatibilitate largă între controlerele, dispozitivele și mecanismele de acționare de la diverși producători, oferind inginerilor proiectanți cea mai largă selecție de echipamente pentru cazurile lor specifice de utilizare.