Využití technologie IO-Link pro větší flexibilitu, dostupnost a efektivitu v továrnách Průmyslu 4.0

Podpora shromažďování dat a jejich analýzy, které jsou charakteristickým znakem Průmyslu 4.0, může často vyžadovat změny na linkách a v procesech, které zahrnují přidání, odstranění nebo přeprogramování digitálních senzorů, akčních členů, indikátorů a dalších zařízení. Může být obtížné to efektivně realizovat ve starších síťových protokolech pro automatizaci s jejich různými charakteristikami. Instalace Průmyslu 4.0 potřebují další vrstvu konektivity a flexibility mezi instalovanými sítěmi a rostoucím množstvím lokalizovaných senzorů, akčních členů a indikátorů.

K řešení těchto problémů byl vyvinut otevřený standard IO-Link, který dokáže propojit signály ze zařízení, jako jsou senzory, akční členy a indikátory, se sítěmi vyšší úrovně, jako jsou Ethernet IP, Modbus TCP/IP a PROFINET, a odtud s programovatelnými logickými automaty (PLC), zařízeními rozhraní člověk-stroj (HMI), systémy pro dohledové řízení a získávání dat (SCADA) a s cloudem. Sériové připojení IO-Link je standardizováno jako IEC 61131-9 s jednoduchými nestíněnými tří- nebo pětivodičovými standardními kabely definovanými v normě IEC 60974-5-2. Projektanti automatizačních systémů zjistí, že IO-Link je obzvláště vhodný pro podporu rychlého nasazení a vzdálené konfigurace, monitorování a diagnostiky připojených zařízení, které jsou potřeba pro továrny Průmyslu 4.0.

Tento článek shrnuje možnosti a výhody připojení IO-Link a zabývá se strukturou a provozem sítí IO-Link, včetně použití různých typů zařízení IO-Link pro budování lokálních sítí senzorů, akčních členů a indikátorů pro podporu Průmyslu 4.0. Uvádí příklady z reálného světaIO-Link master , hub a zařízení pro konvertory dat zBanner Engineering které mohou designéři využít k efektivnímu nasazení masy špičkových zařízení Průmyslu 4.0.

Kam se IO-Link hodí?

IO-Link poskytuje síť nižší úrovně, která zachycuje data z distribuovaných senzorů, akčních členů a indikátorů, připojuje se k převodníkům, které převádějí data do formátu IO-Link, a poté je distribuuje do rozbočovače IO-Link nebo hlavních zařízení podle potřeby pro připojení k továrním sítím vyšší úrovně, jako je Ethernet, Modbus a PROFINET (obrázek 1).

Obrázek 1: IO-Link poskytuje kompletní řešení pro připojení starších a dalších senzorů, akčních členů a zařízení (vlevo) se stávajícími systémy SCADA, HMI a cloudem (vpravo) v sítích Průmyslu 4.0. (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

Mezi klíčové atributy připojení IO-Link patří:

• otevřený standard,
• podporuje rychlou integraci, konfiguraci a zprovoznění místních zařízení pro urychlení změn a umožňuje zvýšenou flexibilitu s minimální nutností praktické podpory ze strany techniků,
• kompatibilita se stávajícími automatizačními sítěmi,
• robustní obousměrná komunikace, která může být synchronní nebo asynchronní pro maximalizaci efektivity komunikace,
• vzdálená diagnostická podpora až na úroveň jednotlivých zařízení,
• schopnost dynamicky měnit parametry senzoru nebo akčního členu pro urychlení optimalizace procesu,
• integrovaná identifikace zařízení a automatické přeřazení parametrů pro maximalizaci dostupnosti.

Jak připojit zařízení v síti IO-Link

Zařízení v síti IO-Link se připojují pomocí tří- nebo pětivodičových nestíněných kabelů o délce až 20 metrů (m). IEC 60947-5-2 definuje přiřazení pinů hlavního a podřízeného zařízení. Podřízeným zařízením jsou přiřazeny konektory typu samec a pro hlavní zařízení se používají konektory typu samice. Konektory mohou být M5, M8 nebo M12 s maximálně pěti piny. Na hlavní jednotce je mezi piny 1 a 3 přiveden stejnosměrný proud 24 V (V DC) až 200 miliampér (mA), který slouží jako volitelný zdroj napájení pro zařízení. Pin 4 je definován jako digitální vstup (DI) nebo digitální výstup (DO) na základě normy IEC 61131-2 a podporuje zpětnou kompatibilitu se staršími zařízeními podle normy IEC 60947-5-2.

Existují dvě třídy hlavních portů, A a B. U portů třídy A nejsou piny 2 a 5 zapojené (NC) a u portů třídy B mohou být tyto piny konfigurované jako DI, DO, nepřipojené (NC), popř. mohou poskytnout další napájení. Ve většině průmyslových instalací se používají rychlospojky M12. Na obrázku 2 je uveden přehled přiřazení pinů definovaných v normě IEC 60974-5:

• Pin 1: +24 V DC, maximálně 200 mA (L+)
• Pin 2: Digitální I/O (pouze PNP)
• Pin 3: 0 voltů (L-)
• Pin 4: Digitální I/O (NPN, PNP nebo push-pull) a komunikace IO-Link
• Pin 5: Středový pin NC (volitelný)

Obrázek 2: IO-Link je jednoduché řešení pro napájení a datové konektivity okrajových zařízení, jako jsou senzory a akční členy. (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

Proč IO-Link?

IO-Link přispívá k podstatnému zlepšení výkonu v sítích Průmyslu 4.0 pomocí jednoduché instalace nebo výměny zařízení se standardizovaným, spolehlivým a levným zapojením. Navíc je navržen tak, aby zjednodušil integraci izolovaných senzorů do stávajících sítí. Mezi výhody technologie IO-Link patří:

Dostupnost dat je umožněna pomocí rozhraní IO-Link, které propojuje izolovaná zařízení a ostrůvky automatizace do jednotné sítě. Data na úrovni senzorů nejsou vždy k dispozici nebo je není snadné získat. S rozhraním IO-Link lze data snadno získávat a mohou být k dispozici v reálném čase pro optimalizaci procesů a podporu proaktivní údržby strojů a senzorů. IO-Link podporuje tři základní typy dat, jež lze dále rozdělit buď na cyklická data, která jsou automaticky přenášena podle pravidelného plánu, nebo na acyklická data, která jsou přenášena na vyžádání nebo podle potřeby:

• Procesní data: Jedná se o informace, jako jsou údaje ze senzorů, které zařízení přenáší do hlavního zařízení, a také informace z hlavního zařízení pro řízení operací zařízení, jako např. rozsvícení určitých segmentů na osvětlovacím tělese věže. Procesní data mohou být cyklická nebo acyklická.
• Servisní data: Zahrnují informace o zařízení a někdy se nazývají data zařízení. Servisní data zahrnují hodnoty parametrů zařízení, popis zařízení a číslo modelu a sériové číslo. Jsou acyklická a lze je ze zařízení číst nebo do něj zapisovat podle potřeby.
• Data událostí: Patří sem zpracování chyb a chybové zprávy, jako je překročení nastavení parametrů nebo upozornění na údržbu, např. na znečištěnou čočku zobrazovacího snímače. Jsou přenášena acyklicky, kdykoli dojde ke spouštěcí události.

Vzdálená konfigurace umožňuje síťovým operátorům a technikům číst a měnit parametry zařízení prostřednictvím ovládacího softwaru, aniž by museli fyzicky přijít ke každému jednotlivému zařízení. Parametry snímačů lze dynamicky měnit podle potřeby, aby se zdokonalily stávající procesy, urychlily změny produktů a procesů, podpořily hromadné úpravy a minimalizovaly prostoje strojů a linek.

Zjednodušenou výměnu zařízení umožňuje schopnost vzdálené konfigurace zařízení. Funkce automatické výměny zařízení (ADR) v systému IO-Link může zajistit automatické úpravy parametrů a nové přiřazení vyměněných zařízení. Pomocí ADR mohou provozovatelé sítě importovat stávající hodnoty parametrů do náhradního zařízení nebo aktualizovat parametry podle potřeby, aby zajistili rychlé a přesné úpravy a údržbu sítě.

Rozšířená diagnostika využívá cyklické a acyklické komunikační schopnosti technologie IO-Link a poskytuje provozovatelům sítě rozsáhlé informace o provozním stavu každého zařízení ve výrobním závodě. Možnost vzdálené diagnostiky provozu zařízení může urychlit identifikaci zařízení, jejichž stav se zhoršuje nebo která pracují mimo specifikace. To umožňuje efektivnější plánování údržby nebo výměny zařízení.

Klíčovou vlastností technologie IO-Link je standardizované a jednoduché zapojení. Na rozdíl od jiných síťových protokolů se zařízení IO-Link, převodníky, rozbočovače a mastery připojují pomocí jednoduchých a levných nestíněných kabelů a rychlospojek. Architektura IO-Link typu master-slave dále zjednodušuje požadavky na zapojení a odstraňuje problémy s konfigurací sítě.

Začínáme: hlavní/řídicí jednotka IO-Link

Návrháři automatizačních systémů, kteří přidávají nebo rozšiřují použití IO-Link, mohou začít výběrem hlavního zařízení (nebo řadiče) IO-Link, jako je např. DXMR90-4K od společnosti Banner Engineering, které konsoliduje data z více zdrojů, poskytuje místní zpracování dat a umožňuje připojení k síti vyšší úrovně (obrázek 3).

Obrázek 3: Hlavní zařízení IO-Link DXMR90-4K může kombinovat data ze čtyř lokálních zdrojů a připojit se k síti vyšší úrovně. (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

Čtyři porty DXMR90-4K podporují souběžnou komunikaci až se čtyřmi zařízeními IO-Link. Podporuje sběr dat, zpracování okrajových signálů a konverzi protokolů pro připojení k průmyslovému Ethernetu nebo Modbus/TCP a může přenášet data na webové servery. Mezi další funkce DXMR90-4K patří:

• kompaktní a lehké pouzdro, které šetří místo a zjednodušuje montáž,
• stupeň krytí IP67 eliminuje potřebu samostatné ovládací skříně, což přispívá ke snížení nákladů na instalaci,
• usnadňuje konsolidované kabelové trasy, které minimalizují složitost a hmotnost kabeláže, což může být zvláště důležité například v robotice,
• rozšiřitelný interní logický řadič využívající akční pravidla a programování ScriptBasic, který podporuje vysokou úroveň flexibility.

V případě jednodušších instalací mohou návrháři využívat zařízení, jako je např. dvouportový IO-Link Master R45C-2K-MQ pro připojení Modbus.

Rozbočovače IO-Link

Pokud je třeba k jednomu IO masteru připojit několik senzorů nebo akčních členů, mohou konstruktéři použít rozbočovač IO-Link k agregaci signálů senzorů a akčních členů a jejich přenosu do masteru IO-Link pomocí jediného kabelu. Například rozbočovač R90C-4B21-KQ je vybaven čtyřmi vstupními porty a k masteru se připojuje pomocí standardního konektoru M12 (obrázek 4). Jedná se o kompaktní bimodální (PNP nebo NPN) převodník na zařízení IO-Link, který připojuje diskrétní vstupy a odesílá hodnoty do hlavního zařízení IO-Link. Je vybaven následujícími funkcemi:

• režimy zpoždění, mezi které patří zpoždění vypnutí/zapnutí, vypnutí/zapnutí / opakovaný záběr, vypnutí/zapnutí, prodlužovač impulzů a totalizátor,
• měření zahrnují počet, události za minutu a dobu trvání,
• diskrétní zrcadlení umožňuje zrcadlení signálů (vstupních a výstupních) do kteréhokoli ze čtyř portů,
• diskrétní vstupy/výstupy lze nezávisle konfigurovat jako NPN nebo PNP,
• robustní přelisovaná konstrukce s krytím IP68.

Obrázek 4: Rozbočovač R90C-4B21-KQ dokáže konsolidovat komunikaci ze čtyř zařízení a propojit je s hlavním zařízením IO-Link. (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

Převodníky signálu IO-Link

Pro sítě IO-Link jsou k dispozici různé typy převodníků pro připojení senzorů a dalších zařízení, která mohou používat řadu typů signálů, například diskrétní signály PNP nebo NPN, analogové signály 0 až 10 V DC a proudové převodníky. Mezi příklady převodníků signálu IO-Link patří:

• R45C-K-IIQ – převodník IO-Link na analogový proudový vstup nebo výstup (obrázek 5),
• R45C-K-UUQ – převodník pro analogový vstup nebo výstup napětí,
• R45C-K-IQ – převodník pro analogový proudový výstup,
• R45C-K-UQ – převodník pro analogový výstup napětí.

Obrázek 5: Převodník IO-Link R45C-K-IIQ může propojit hlavní zařízení s místními zařízeními pomocí analogových vstupů a výstupů. (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

K dispozici jsou také řadové převodníky IO-Link, které mají velikost jedné baterie AA. Tyto převodníky mohou zpracovávat různé typy signálů a převádět je na protokoly IO-Link, Modbus nebo jiné protokoly. Například S15C-I-KQ je analogový převodník proudu na IO-Link, který se připojuje ke zdroji proudu 4 až 20 mA a výstupní hodnotu předává nadřazenému zařízení IO-Link. Malá velikost těchto převodníků zjednodušuje přidávání starších senzorů do sítí se standardními protokoly pro monitorování procesů nebo prostředí. Jejich krytí IP68 umožňuje široké nasazení v průmyslovém prostředí.

Závěr

IO-Link poskytuje konektivitu potřebnou ke shromažďování dat nezbytných k optimalizaci výkonu továren v rámci Průmyslu 4.0 propojením starších a dalších okrajových zařízení s hlavní sítí Ethernet IP, Modbus TCP/IP nebo PROFINET. Podporuje vysokou úroveň dostupnosti dat, rozšířenou diagnostiku, vzdálenou konfiguraci a zjednodušenou výměnu zařízení, čímž urychluje změny procesů a linek pomocí konektivity, která je standardizována v normě IEC 61131-9, s jednoduchými nestíněnými 3 nebo 5vodičovými standardními kabely definovanými v normě IEC 60974-5-2.

Doporučeno k přečtení

1. Způsob návrhu modulární překryvné sítě pro optimalizaci zpracování dat koncepce Průmyslu 4.0 v zařízeních IIoT
2. Jak zajistit integritu gigabitového ethernetového signálu v nasazeních průmyslové automatizace s dlouhými vzdálenostmi