Využití technologie IO-Link v průmyslových aplikacích

S příchodem čtvrté průmyslové revoluce a Průmyslu 4.0 začala být komplexní a inteligentní automatizace definována pokročilými ovládacími prvky, monitorováním a diagnostikou. Takové možnosti jsou dosažitelné pouze díky průmyslové konektivitě – díky níž jsou ovládací prvky a zařízení stroje sjednoceny na nějaké platformě (jako je IO-Link) pro nepřetržitou výměnu dat.

Obrázek 1: Technologie IO-Link doplňuje stávající síťové protokoly snadným integrováním do aplikačních sběrnic nebo ethernetových sítí přes primární modul IO-Link. Spojení mezi primárním modulem IO-Link a jeho zařízeními IO-Link je prostřednictvím nestíněného tří- nebo pětivodičového kabelu, který je také schopen zařízení IO-Link napájet. Zde je napájení z primárního modulu 24 V DC. (Zdroj obrázku: společnost Pepperl + Fuchs)

Klíčovými technologiemi podporující průmyslovou konektivitu jsou standardizované sítě a zařízení s vestavěnými komunikačními funkcemi. Pro tyto funkce existuje mnoho protokolů. Ne všechny průmyslové protokoly však splňují požadavky na výměnu dat a inteligenci, které vyžaduje dnešní automatizace. Technologie IO-Link byla vytvořena, aby uspokojila širokou škálu těchto moderních aplikací.

Jak je již popsáno v předchozím článku na digikey.com, IO-Link je kabelový komunikační protokol od bodu k bodu, který usnadňuje inteligentní obousměrnou datovou komunikaci mezi zařízeními. Primární moduly IO-Link (místní řídicí jednotky) mají obvykle několik portů IO-Link (kanálů), do kterých se nezávisle připojují různá zařízení IO-Link. Tato spojení koncových bodů mezi uzly jsou tím, co činí IO-Link komunikačním protokolem typu od bodu k bodu.

Protokol IO-Link, který byl uveden v roce 2009 konsorciem 41 členů, které má nyní členů stovky, se stal široce přijímaným komunikačním protokolem pro využití dat zásadních k:

• optimalizaci operací,
• snížení prostojů a zefektivnění údržby,
• snižování nákladů na suroviny a přijímání strategických provozních rozhodnutí.

Harmonizované rozhraní IO-Link je definováno normou IEC 61131-9 a podporují jej společnosti Siemens, Omron Corp., ifm efector, Balluff, Cinch Connectivity, Banner Engineering, Rockwell Automation, SICK, Pepperl+Fuchs a desítky dalších výrobců komponent a systémů. Není divu, že konektivita IO-Link je široce využívána v operacích zahrnujících automatizaci montáže, obráběcí stroje a intralogistiku. Její tři hlavní použití v těchto a dalších průmyslových nastaveních zahrnují stavovou komunikaci, řízení strojů a převádění zařízení na inteligentní.

Režimy řídicí jednotky IO-Link korelují s použitími

Obrázek 2: Typ použitého konektoru s propojovacím kabelem závisí na typu portu. Primární porty IO-Link třídy A přijímají konektory M8 nebo M12 (jako např. zde zobrazený konektor AL1120 od společnosti ifm efector) s až čtyřmi piny, zatímco protikusy třídy B přijímají připojení se zařízeními majícími pětipinové konektory M12 (pro obousměrnou datovou komunikaci). Režim přiřazený primárnímu portu je v daném okamžiku určen zařízením, ke kterému je připojen, a aktuální operací. (Zdroj obrázku: společnost ifm efector)

Připomínáme z předchozích článků digikey.com, že komunikační protokol IO-Link poskytuje jednotlivé porty konektoru na primárním modulu (řídicí jednotce) IO-Link vysoké úrovně schopné čtyř komunikačních režimů. Patří mezi ně plně deaktivovaný režim a také provozní režimy IO-Link, režim digitálního vstupu (DI) a digitálního výstupu (DQ). Režimy volně korelují se třemi hlavními použitími IO-Link uvedenými výše.

Provozní režim IO-Link podporuje obousměrnou datovou komunikaci se zařízeními v terénu a obvykle se používá při sběru dat pro monitorování, testování a diagnostiku. Port primárního modulu v režimu DI přijímá digitální vstupy a funguje, když je port připojen k senzorům – v tomto kontextu funguje jako vstupní zařízení. Naproti tomu port v režimu DQ funguje jako digitální výstup, typicky když je port připojen k aktuátoru (v tomto kontextu fakticky výstupnímu zařízení) nebo když je systémový programovatelný automat (PLC) nastaven tak, aby přímo posílal instrukce jinému zařízení IO-Link.

Ačkoli to přesahuje rámec tohoto článku, stojí za zmínku, že porty na primárním modulu IO-Link mohou snadno přepínat mezi režimy. Port primárního modulu připojený k senzoru může například běžet v režimu DI – a poté, když primární jednotka požaduje diagnostická a monitorovací data ze senzoru, se přepnout do režimu komunikace IO-Link.

Aplikace IO-Link 1 ze 3: akceschopná komunikace o stavu

Obrázek 3: Komunikace IO-Link usnadňuje vytváření vysoce pokročilých řídicích a automatizačních systémů. Průmysl obráběcích strojů hojně využívá senzory IO-Link k ověření vhodného upnutí obrobku a přítlaku a polohy koncového nástroje při frézování. (Zdroj obrázku: společnost Getty Images)

Monitorování stroje je možné se zařízeními IO-Link nastavenými tak, aby hlásily stav, který může zase zpětně informovat systém o nezbytných úpravách a opravách. Zvažme kupříkladu jedno použití v průmyslu obráběcích strojů – použití tlakových senzorů IO-Link, které ověřují, že jsou obrobky upnuty tlakem vhodným pro bezpečné držení bez možnosti poškození během operací odstraňování materiálu. Senzory IO-Link zde v podstatě podporují optimalizaci úloh stroje k zajištění menšího počtu vyřazených obrobků.

Zařízení IO-Link mohou také provádět akceschopnou komunikaci o stavu pro podporu rozšířených rutin údržby k minimalizaci prostojů. Například senzory polohy IO-Link na montážním stroji mohou neustále hlásit umístění koncových efektorů, aby bylo zajištěno, že žádný z nich není mimo rozsah nebo zarovnání.

Analýzou diagnostických dat poskytovaných zařízeními IO-Link mohou strojní technici závodu předvídat a opravovat chyby a potenciální poruchy dříve, než k nim dojde. Technici mohou také identifikovat slabé články ve stroji nebo závodě – aby informovali o provozních změnách na podnikové úrovni, nákupních rozhodnutích a budoucích návrzích strojů.

Aplikace IO-Link 2 ze 3: pokročilé řízení a automatizace

Obrázek 4: Systém IO-Link zapojený do pokročilých ovládacích prvků obsahuje primární modul IO-Link (řídicí jednotku), jako je zde zobrazená jednotka OmronNX-ILM400, a různé senzory, napájecí zdroje a mechatronická zařízení s podporou IO-Link připojené k tomuto primárnímu modulu. Systémy IO-Link pro takové aplikace obvykle spojují primární modul IO-Link a zařízení s PLC nebo jiným automatizačním systémem. (Zdroj obrázku: společnost Omron)

Řízení a automatizace jsou další aplikační funkce podporované komunikací IO-Link. Tam, kde instalace IO-Link podporuje funkce, které běží bez zásahu personálu, se primární modul IO-Link často připojuje k hostitelskému systému nebo PLC vyšší úrovně, který zpracovává přijatá data a poté přímo nebo nepřímo zasílá příkazy aktuátorům v návrhu k odpovídajícím koordinovaným reakcím. Takové automatizované řízení vyžaduje, aby se systém IO-Link připojil k řídicí jednotce vyšší úrovně prostřednictvím standardizovaných protokolů aplikační sběrnice nebo ethernetu a kabeláže. Ve skutečnosti má většina primárních modulů IO-Link pro taková připojení porty aplikační sběrnice nebo ethernetu.

Zařízení v pokročilých řídicích aplikacích zahrnujících systémy IO-Link se integrují jedním ze tří způsobů:

• Připojují se přímo k hostitelskému počítači nebo PLC.
• Připojují se k primárnímu modulu IO-Link a komunikují prostřednictvím protokolu IO-Link.
• Používají komunikaci kompatibilní s IO-Link a připojují se k primárnímu modulu IO-Link přes rozbočovač IO-Link.

Ten v podstatě funguje jako prostředník pro připojení zařízení bez komunikace IO-Link k primárnímu modulu.

Další výhodou systémů IO-Link s komunikačním připojením aplikační sběrnice a ethernetu je to, že jsou povolena připojení na dlouhé vzdálenosti – což zase umožňuje instalačním technikům umístit primární modul IO-Link v rozvodné skříní nebo na nejvzdálenějším dosahu stroje, pokud to dává pro danou aplikaci největší smysl.

Vezměte v úvahu, jak primární moduly IO-Link přinášejí výhody pokročilým montážním aplikacím tím, že slouží jako nízkoúrovňové řídicí jednotky schopné zpracovávat digitální i analogové signály. Zde mohou primární moduly:

• přijímat data generovaná lineárními kodéry IO-Link na osách stupně XY,
• zpracovávat tato data jako bránu,
• odesílat zpracovaná data zařízení IO-Link v terénu do PLC nebo jiného řídicího systému.

Aplikace IO-Link 3 ze 3: inteligence zařízení

Obrázek 5: Připojovací rozhraní IO-Link je velmi malé a vejde se na většinu kompaktních zařízení v terénu. Zde je zobrazen snímač přiblížení Balluff BUS004Z s konektivitou IO-Link. (Zdroj obrázku: společnost Balluff)

Třetí aplikací IO-Link je převádění zařízení na chytrá. Tato zařízení s podporou IO-Link mohou přijímat instrukce, monitorovat a provádět samotestovací rutiny – a generovat data, což je zvláště běžné u návrhů senzorů, které připomínají starší možnosti snímačů bez programování (nebo s jen skromným programováním). Protože IO-Link také umožňuje zařízením poskytovat více než jen základní data se dvěma hodnotami (ano-ne nebo vyhovuje-nevyhovuje), je také možné hlásit přesné hodnoty. Například úlohy automatizace procesů využívají teplotní senzory IO-Link, které jdou nad rámec hlášení stavu vysoké nebo nízké teploty tím, že neustále hlásí přesnou hodnotu teploty monitorované zóny nebo objemu.

Další výhodou IO-Link pro chytrá zařízení v terénu je způsob, jakým jsou jeho fyzická připojení kompaktní. To je v kontrastu s fyzickými připojeními rozhraní aplikační sběrnice a ethernetu, která mohou být někdy příliš velká a na mikrozařízení v terénu se nevejdou.

Chytré komponenty IO-Link lze také přesně ovládat. Například namísto základních ovládacích prvků vypnutí a zapnutí lze aktuátoru zadat příkaz k vypnutí, jakmile scénář splní sadu podmínek.

Vstupní zařízení, jako jsou tlačítkové přepínače od společnosti RAFI, mohou využít funkce IO-Link k podpoře funkcí chytrých zařízení – včetně barevně kódovaných kontrolek.

K použití IO-Link pro aplikace chytrých zařízení existuje několik výhrad. Ačkoli vývoj bezdrátové formy IO-Link probíhá, stále se jedná o kabelový komunikační protokol – a podléhá tedy všem omezením pevného zapojení. K zachování integrity dat nesmí kabeláž primárního zařízení IO-Link přesáhnout 20 m. Navíc, protože protokol IO-Link může přenášet pouze 32 bajtů dat za cyklus, je nedostatečný pro použití se zařízeními v terénu, jako jsou kamery, které mohou generovat mnoho MB dat za minutu.

Závěr

Systémy IO-Link se hojně používají k doplnění stávajících protokolů podporujících prakticky neomezené ovládací prvky a systémy sběru dat. Za rychlým přijímáním systémů IO-Link stojí jejich jednoduchost – obsahují pouze primární model IO-Link, jeho zařízení a jejich konektorované tří- nebo pětivodičové kabely. Dalšími výhodami IO-Link jsou instalace typu plug-and-play a cenová efektivita.

Úsilí konsorcia členských společností IO-Link zajistilo širokou kompatibilitu mezi řídicími jednotkami, zařízeními a aktuátory od různých výrobců, což dalo konstruktérům nejširší výběr zařízení pro jejich specifické případy použití.