IO-Link 1.0 til IO-Link 1.1

Brugt i mange årtier i industriel I/O, de seneste år har medført en dramatisk stigning i IO-Link-adoption. Som forklaret i Digi-Key-artiklen “Sammenligning af IO-Link 1.0 og 1.1”, Den Internationale Elektrotekniske Kommission IEC 61131-9 åben standard (mærket IO-Link) giver brugervenlig forbindelse til automatiseringskomponenter. Det er en single-drop digital kommunikationsgrænseflade (SDCI) til netværk små sensorer og aktuatorer kaldet felt enheder eller sekundære til IO-Link controller-hubber eller primærvalg og videre til resten af automatiseringsinstallationen. En af fordelene ved IO-Link er, at det tillader brug af generisk uskærmet kabel (til 20 m langt med tre til fem ledertråde) til disse forbindelser.

Denne artikel vil mere detaljeret forklare de tre IO-Link funktioner, der er nye i version 1.1:

• IO-Link 1.1 tillader sikkerhedskopiering af data, så anlægspersonale kan gemme og genbruge enhedsparametre
• IO-Link 1.1 kan behandle databredder til 32 byte pr. port
• IO-Link 1.1 tillader 230,4 kbaud datahastigheder fra primære IO-Link 1.1

Figur 1: IO-Link-kommunikation tillader R.EN JONES til nøje at overvåge sensorer for ydeevne, vedligeholdelse og ændring af parametre via opskrifter. Det siger innovationsingeniørchef Nate Smith. Faktisk er IO-Link hurtigt ved at blive en førende industristandard til kommunikation med feltapparater (sekundære) inden for automatisering. (Billedkilde: R.A JONES)

IO-Link 1.1 som parametertildelingsserver

Kontrolintegration af IO-Link-komponenter udføres gennem konfigurationssoftware, der udnytter de standardiserede IOD-enhedsbeskrivelsesfiler (IODD), der er knyttet til hver IO-Link-komponent. Disse IODD-filer (som gemmer komponentens model, driftsområder, data til understøttelse af diagnostiske funktioner og symbol til visning på HMI'er og GUI'er) er .xml-filer, der leveres af komponentproducenten til understøttelse af IO-Link V1.0 og V1. 1 via deres egne hjemmesider og ioddfinder.io-link.com.

Hvad der er nyt i IO-Link 1.1 er nogle IO-Link 1.1-primærers mulighed for lokalt at gemme IODD-filer og supplerende data - til at levere parametertildeling serverfunktioner til andre enheder på netværket. Før denne funktion (og i ældre IO-Link-installationer) blev slutbrugere, der har behov for at bytte i en ny eller udskiftelig feltenhed, tvunget til først at konfigurere denne enhed - normalt ved at tilslutte den til en pc's USB-port og manuelt udføre installation via software.

Endnu en fordel ved dette aspekt af 1.1 er, hvordan slutbrugere nu (i mange tilfælde) kan hotswap sammenlignelige IO-Link edge-enheder fra forskellige producenter - hvilket gør et bredere udvalg af stort set udskiftelige enheder mere tilgængelige. Det er især nyttigt til nødudskiftning af svigtende eller beskadigede sensorer på produktionslinjer med stort volumen.

Specifikationer for den højere IO-Link 1.1 kommunikationshastighed

Den anden IO-Link-funktion, der er ny i 1.1, er COM3 - kommunikationstilstanden med en hastighed, der understøtter mere avancerede feltapparatfunktioner. COM3 SDCI-kommunikations datahastighed er specificeret til at være op til 230,4 kbit/sek (også her 230,4 kbaud). Det betyder, at den nyeste IO-Link-iteration (1.1.3) kommer med forbedringer for at imødegå den sidste langvarige indsigelse mod IO-Link - at standarden har utilstrækkelig hastighed til moderne automatisering.

Mere specifikt kan 1.1.3 give cyklustider, der understøtter kommunikation i realtid for de cyklisk transmitterede behandle data beskrevet i den forrige Digi-Key-artikel om dette emne; selv til sub-msec cyklusser i nogle tilfælde. Procesdata transmitteret med båndbredde i realtid (i kilobyte pr. Sekund (kB/sek)) afhænger af den tid det tager for den primære at anmode om en meddelelse fra enheden, en forsinkelse i kommunikationsretningsomskifteren, den tid det tager for marken enhed til at reagere og en anden forsinkelse for kommunikationsretningskontakt.

Det hjælper med at have en vis baggrund på de fysiske mikrokontroller kredsløb (i nogle tilfælde enkeltstående IC'er) for at forstå, hvordan IO-Link-komponenter udfører denne kommunikation. Inden for det primære og dets sekundære feltapparater kaldes kredsløb universelle asynkrone modtager-sendere (UARTs) det bundt eller ramme data i pakker til transmission. Disse rammer er 11 bit lange - med en bit, der bruges til at kommunikere Start, otte bits (også kaldet en oktet i IO-Link-specifikationer og officiel litteratur), der bruges til at transportere faktiske procesdata, og to mere bruges til at kommunikere paritet og hold op .

Figur 2: MAX14827AATG+ fra Maxim Integrated er en IO-Link-transceiver med lav effekt med to drivere til integration i IO-Link-enheder. En tre-leder UART-grænseflade giver mulighed for IO-Link-forbindelse med mikrocontrolleren UART, og en multiplekset UART/SPI tillader brug af en seriel mikrocontroller-grænseflade til delte UART- og SPI-funktioner. (Billedkilde: Maxim Integrated)

Ifølge Tabel 9 i juni 2019 IO-Link 1.1.3 Specifikationer, det kræver et IO-Link COM3 arrangement 4,34 µsek at transmittere hver bit. Den tid plus forsinkelser mellem pakker i både primær og sekundær (op til henholdsvis 4,34 µsek og tredobbelt) samt 4,34 µsek til 43,0 µsek for kommunikationsretningskontaktforsinkelse giver en værste tilfælde sub-msec-datatransmissionshastighed det er stadig tilstrækkeligt til krævende industrielle applikationer.

Jokertegnet (har dramatisk indflydelse på båndbredde i realtid) er den beskedssekvenstype, der er valgt til IO-Link-netværket. Forskellige sekvenstyper rummer forskellige mængder acyklisk eller on-demand datatransmission. Så for at estimere realtidsbåndbredden af et IO-Link-arrangement skal beregninger tage højde for både procesdata og acykliske data, der er tilladt af systembeskederne. Nogle typer definerer faste proces- og acykliske oktetværdier efter behov, mens andre giver leverandøren eller brugeren mulighed for at indstille procesdataoktetter til mellem en og 32, og acykliske datokoketter til enten 1, 2, 8 eller 32. Kort sagt, systemer, der har brug for at flytte mindre data, har hurtigere cyklustider.

Analyse af alle de ovennævnte faktorer giver båndbredde i realtid - defineret af transmitterede (kun) procesdata (i kbits) divideret med den samlede beregnede cyklustid i kbit/sek. For eksempel med kun en acyklisk dataoktet (for 1 · 8) og 32 procesdataoktetter (for 32 · 8) er cyklustiden lidt over et par millisekunder, og båndbredden overstiger 100 kbit/sek.

Alle nye primære IO-Link 1.1-primærer understøtter COM3 og automatiseringskomponenterne, der udnytter denne datahastighed - og tilpasser sig automatisk de hastigheder, som dens tilsluttede sekundære tilfældigvis bruger. Faktisk er det almindeligt at have feltapparater med forskellige cyklustider kørt en primær for at tillade brug af sensorer og aktuatorer med forskellige sofistikeringsniveauer samt inkrementelle designopgraderinger. Aktuatorer, der anvender datahastigheden på 230,4 kbaud på COM3 (normalt med klasse B-portarrangement, der er dækket af denne artikels næste afsnit), inkluderer væskekraft såvel som elektromekaniske komponenter - inklusive pneumatiske ventiler, lineære cylindre og manifolder samt små feltanordninger baseret på stepmotorer. Sensorer, der oftest bruger COM3 inkluderer position og forskydningssensorer samt farve-, temperatur- og trykfølere, som alle er de mest almindelige inden for processtyring. Udvalgte mekaniske kontakter udnytter også denne COM3-kommunikationstilstand.

Figur 3: Panasonics intelligent HG-C1000L-sensorer bruger COM3-forbindelserne i IO-link til at understøtte fjernovervågning og forebyggende vedligeholdelsesrutiner. Indbygget sensorlogik kan registrere normale, fejl-, forsigtigheds- og alarmtilstande. Disse sensorer giver også et middel til hurtigt og eksternt at konfigurere sensorindstillinger og operationer, når det er berettiget. (Billedkilde: Panasonic Industrial Automation Sales)

IO-Link 1.1 Fysiske forbindelser (inklusive dataporte)

Overvej nu databredderne på IO-Link - til 32 byte pr. port for procesdata. Alle aktiverede porte på IO-Link-primærer er indstillet til at håndtere digital output og input eller køre som et IO-Link-punkt ved hjælp af en UART i halv-duplex-tilstand (så bit af data sendes og modtages i single-bit sekvenser). En typisk fire-port eller otte-port IO-Link-primær kan muligvis oprette direkte forbindelse til flere feltenheder eller fungere som et mellemhub - og transmissionsbredden afhænger af denne primære. Forbindelser til en typisk IO-Link feltanordning inkluderer forsyningsledere L + og M samt C/Q₁ ledere, hvor sidstnævnte bærer procesdata samt data til parametrering, konfiguration og diagnostik.

Figur 4: Intelligente sensorer som denne SICK-trykføler med IO-Link (tillader forbindelser via en M12 med fire eller fem ben) kan man undgå nedetid og fejl forbundet med manuel omprogrammering. Det skyldes, at de tillader parametriske redigeringer og omkonfiguration via maskinens PLC. Bemærk L + og M samt C/Q₁ tilslutninger af IO-Link-stikket. (Billedkilde: SICK)

Lidt komplicerende ting her er, at IO-Link-specifikationer tillader både klasse A- og klasse B-porte på primær og sekundær. Klasse A-porte som defineret i IEC 60947-5-2 må ikke forveksles med A-kodede M12-stik som defineret i IEC 61076-2-101. Læs mere om allestedsnærværende M12-stik i sammenhæng med IO-Link i Digi-Key-artiklen “Grundlæggende om IO-Link”. Kort sagt, IO-Link-stikben 2 og 5 bruges undertiden (og brugen varierer), mens ben 1, 3 og 4 altid bruges (hvor brugen kun varierer til sidstnævnte). Klasse A-ordninger (baseret på fire-benede M5-, M8- eller M12-stik) giver mulighed for flere I/O-variationer og endda højstrømsoutput til drivaktuatorer. I modsætning hertil er klasse B-arrangementer altid M12-forbindelser med fem ben.

Uanset klassen er hunstikforbindelserne placeret på de primære og hanstikstifter på den sekundære feltindretning.

De 32 byte pr. port til procesdata er kun et maksimum, der bruges til de mest avancerede IO-Link-tilsluttede sensorer og aktuatorer; og faktisk kan databredden for et meget simpelt IO-Link sekundært, såsom en switch, være kun en bit. Hvor den indstillede databredde er utilstrækkelig til applikationen, tillader nogle IO-Link-primærstykker fragmenteret procesdatatransmission. Andre datakapacitetsudvidelsesplaner for IO-Link inkluderer flere anvendelser af pin-4-lederne til tovejs IO-Link og switchkommunikation samt dobbeltkanaldatatransmission, der kører parallelt med pin-4 IO-Link-data. For sidstnævnte kan pin-2-lederen bære enhedsspecifikke I/O- eller koblingssignaler (ofte dog ikke altid forbundet med statusovervågning) og frigøre IO-Link-kanalen til at bære komplementære signaler. En sådan IO-Link dual-channel datatransmission muliggør realtidskommunikation uden forsinkelser, der er forbundet med eksterne PLC'er (inklusive cyklustider), som igen understøtter applikationer, der nødvendiggør hurtig analyse af og reaktion på maskin- eller enhedsforhold.

Konklusion

De tre IO-Link-funktioner, der er nye til version 1.1, inkluderer sikkerhedskopiering af data (til lagring og genbrug af enhedsparametre); muligheden for at behandle databredder til 32 byte pr. port; og 230,4 kbaud datatransmissionshastigheder fra primærvalg. Disse funktioner har kun fremskyndet vedtagelsen af IO-Link 1.1 til industriel automatisering.