Anvendelse af IO-Link i industrielle applikationer

Med indførelsen af den fjerde industrielle revolution og Industri 4.0 blev omfattende og intelligent automatisering defineret ved hjælp af avanceret styring, overvågning og diagnosticering. Sådanne funktioner er kun mulige gennem industriel konnektivitet - hvor kontrol- og maskinudstyr er samlet på en platform (f.eks. IO-Link) til løbende dataudveksling.

Figur 1: IO-Link supplerer eksisterende netværksprotokoller ved let at integrere sig i feltbus- eller Ethernet-netværk via IO-Link-primæren. Forbindelsen mellem en IO-Link primær enhed og dens IO-Link-enheder sker via et ikke-afskærmet og ubeskyttet tre- eller femtrådet kabel, der også kan forsyne IO-Link-enhederne med strøm. Her er strømmen fra den primære strømforsyning 24 Vdc. (Billedkilde: Pepperl+Fuchs)

De vigtigste teknologier, der ligger til grund for industriel konnektivitet, er standardiserede netværk og enheder med indbyggede kommunikationsfunktioner. Der findes masser af protokoller for disse funktioner. Det er imidlertid ikke alle industrielle protokoller, der opfylder de krav til dataudveksling og intelligens, som kræves i dagens automatisering. IO-Link blev skabt for at opfylde en lang række af disse moderne applikationer.

Som beskrevet i en tidligere artikel på digikey.com er IO-Link en kabelbaseret punkt-til-punkt-kommunikationsprotokol, der muliggør smart tovejs datakommunikation mellem enheder. Typisk har IO-Link primærenheder (lokale controllere) flere IO-Link-porte (kanaler), som forskellige IO-Link-enheder kan tilsluttes uafhængigt af hinanden. Det er disse knude-til-knude-slutpunktforbindelser, der gør IO-Link til en punkt-til-punkt-kommunikationsprotokol.

IO-Link blev lanceret i 2009 af et konsortium bestående af 41 medlemmer, som nu har hundredvis af medlemmer, og er blevet en bredt accepteret kommunikationsprotokol til at udnytte data, der er afgørende for:

• Optimering af driften
• Reduktion af nedetid og strømlining af vedligeholdelse
• Nedbringelse af råvareomkostningerne og strategiske operationelle beslutninger.

Den harmoniserede IO-Link-interface er defineret af IEC 61131-9-standarden og understøttes af Siemens, Omron Corp., ifm Efector, Balluff, Cinch Connectivity, Banner Engineering, Rockwell Automation, SICK, Pepperl+Fuchs og snesevis af andre komponent- og systemproducenter. Det er ikke underligt, at IO-Link-forbindelse er meget udbredt i operationer, der involverer montageautomatisering, værktøjsmaskiner og intralogistik. De tre vigtigste anvendelser i disse og andre industrielle sammenhænge er statuskommunikation, maskinstyring og intelligentgørelse af enheder.

IO-Link controllertilstande svarer til anvendelser

Figur 2: Den type stik, der anvendes til tilslutningskablet, afhænger af porttypen. IO-Link klasse-A primære porte accepterer M8- eller M12-stik (som AL1120 fra ifm efector vist her) med op til fire pins, mens klasse-B-modstykker accepterer forbindelser med enheder med M12-stik med fem pins (til tovejs datakommunikation). Den tilstand, der er tildelt en primær port på et givet tidspunkt, bestemmes af den enhed, som den er tilsluttet, og den aktuelle funktion. (Billedkilde: ifm Efector)

Husk fra tidligere artikler på digikey.com, at IO-Link-kommunikationsprotokollen gør hver forbindelsesport på en IO-Link primær (controller) på højt niveau i stand til at anvende fire kommunikationstilstande. Disse omfatter en fuldt deaktiveret tilstand samt IO-Link-, digital input (DI) og digital output (DQ)-driftstilstande. Tilstandene svarer løst til de tre vigtigste IO-Link-anvendelser, der er anført ovenfor.

IO-Link-driftstilstanden understøtter tovejs datakommunikation med feltenheder og anvendes typisk under dataindsamling til overvågning, test og diagnosticering. En primær port i DI-tilstand accepterer digitale indgange og fungerer, når porten er forbundet til sensorer - i denne sammenhæng fungerer den som indgangsenheder. I modsætning hertil fungerer en port i DQ-tilstand som et digitalt output, typisk når porten er forbundet til en aktuator (i denne sammenhæng, effektivt en output-enhed) eller når en system PLC er konfigureret til at sende instruktioner direkte til en anden IO-Link-enhed.

Selv om det ligger uden for denne artikels rækkevidde, er det værd at bemærke, at portene på en IO-Link primær enhed let kan skifte mellem tilstande. F.eks. kan en primær port, der er forbundet til en sensor, køre i DI-tilstand - og derefter skifte til IO-Link-kommunikationstilstand, når diagnostik- og overvågningsdata fra sensoren anmodes af den primære.

IO-Link-applikation 1 af 3: Statuskommunikation, der kan bruges til handling

Figur 3: IO-Link gør det muligt at skabe meget avancerede kontrol- og automatiseringssystemer. Værktøjsmaskineindustrien gør rigelig brug af IO-Link-sensorer til at kontrollere passende tryk og positioner i forbindelse med opspænding af emnet og fræsning af endeværktøjer. (Billedkilde: Getty Images)

Maskinovervågning er mulig med IO-Link-enheder, der er indstillet til at rapportere status, som igen kan informere systemet om nødvendige justeringer og korrektioner. Tænk på en anvendelse i værktøjsmaskineindustrien - IO-Link tryksensorer, der kontrollerer, at arbejdsemnerne er spændt med et tryk, der er passende for at sikre en beskadigelsesfri og sikker fastholdelse under fjernelse af materiale. Her understøtter IO-Link-sensorerne hovedsageligt optimeringen af maskinopgaverne for at opnå færre afviste emner.

IO-Link-enheder kan også foretage handlingsorienteret statuskommunikation til støtte for forbedrede vedligeholdelsesrutiner for at minimere nedetid. IO-Link positionssensorer på en samlemaskine kan f.eks. løbende rapportere placeringen af endeffektorer for at sikre, at ingen af dem er uden for rækkevidde eller justering.

Ved at analysere diagnosedata fra IO-Link-enheder kan et anlægs maskinteknikere forudsige og rette fejl og potentielle nedbrud, før de opstår. Teknikere kan også identificere svage led i en maskine eller et anlæg - med henblik på at informere om driftsmæssige ændringer på virksomhedsniveau, indkøbsbeslutninger og fremtidige konstruktioner af maskiner til egen brug.

IO-Link-applikation 2 af 3: Avanceret styring og automatisering

Figur 4: Et IO-Link-system, der indgår i avancerede styringer, omfatter en IO-Link-primær (controller), som Omron NX-ILM400, der er vist her, og forskellige IO-Link-aktiverede sensorer, strømforsyninger og mekatroniske enheder, der er tilsluttet den primære. IO-Link-systemer til sådanne applikationer kobler typisk IO-Link-primære og -enheder til en PLC eller et andet automatiseringssystem. (Billedkilde: Omron)

Styring og automatisering er andre anvendelsesfunktioner, der understøttes af IO-Link. Når en IO-Link-installation understøtter funktioner, der kører uden indgriben fra personalet, er IO-Link-hovedinstallationen ofte forbundet til et værtssystem eller en PLC på højere niveau, der behandler de modtagne data og derefter direkte eller indirekte kommanderer aktuatorer i konstruktionen til de relevante koordinerede reaktioner. En sådan automatiseret styring kræver, at IO-Link-systemet tilsluttes til en controller på højere niveau via standardiserede feltbus- eller Ethernet-protokoller og kabler. Faktisk har de fleste IO-Link primærsystemer feltbus- eller Ethernet-porte til sådanne forbindelser.

Enheder i avancerede styringsapplikationer, der involverer IO-Link-systemer, kan integreres på en af tre måder:

• De tilsluttes direkte til værtscomputeren eller PLC'en
• De tilsluttes til en IO-Link primær og kommunikerer via IO-Link-protokollen
• De bruger IO-Link-kompatibel kommunikation og tilsluttes til en IO-Link primær via en IO-Link-hub

Sidstnævnte fungerer hovedsagelig som et mellemled til at forbinde ikke-IO-Link-enheder til den primære.

En ekstra fordel ved IO-Link-systemer med feltbus- og Ethernet-kommunikationsforbindelser er, at der er mulighed for langdistanceforbindelser - hvilket igen gør det muligt for installatører at placere IO-Link-primærer i et styreskab eller ved de yderste maskinstykker, hvis det giver mest mening for en given applikation.

Overvej, hvordan IO-Link primærelementer er til gavn for avancerede samleapplikationer ved at fungere som styringer på lavt niveau, der kan behandle både digitale og analoge signaler. Her kan primærvalgene være det:

• Accepter data genereret af IO-Link lineære enkodere på akserne i et XY-trin
• Behandling af disse data som en gateway
• sende de behandlede IO-Link-feltudstyrsdata til PLC'en eller en anden systemcontroller

IO-Link-applikation 3 af 3: Enhedsintelligens

Figur 5: IO-Link-tilslutningsinterface er meget lille og passer på de fleste kompakte feltenheder. Her ses en Balluff BUS004Z nærhedssensor med IO-Link-tilslutning. (Billedkilde: Balluff)

Den tredje anvendelse af IO-Link er at gøre enhederne smarte. Disse IO-Link-aktiverede enheder, der især er almindelige i sensorkonstruktioner, der ligner ældre sensorindstillinger uden programmering (eller med mere beskeden programmering), kan modtage instruktioner, overvåge og udføre selvtestningsrutiner - og generere data. Da IO-Link også gør det muligt for enhederne at levere mere end grundlæggende to-værdi-data (ja-nej eller bestået-ikke-bestået), er det også muligt at rapportere præcise værdier. For eksempel kan procesautomatiseringsopgaver drage fordel af IO-Link-temperatursensorer, der går ud over at rapportere høj eller lav temperaturstatus ved kontinuerligt at rapportere den nøjagtige temperaturværdi for en overvåget zone eller volumen.

En anden fordel ved IO-Link til intelligente feltenheder er den måde, hvorpå de fysiske forbindelser er kompakte. Det står i modsætning til de fysiske forbindelser i feltbus- og Ethernet-interfaces, som nogle gange kan være for store til at passe på mikroenheder i marken.

IO-Link-smarte komponenter kan også styres præcist. I stedet for grundlæggende sluk- og tænd-kontroller kan en aktuator f.eks. blive kommanderet til at slukke, når et scenario opfylder et sæt betingelser.

Indgangsenheder som trykknapkontakter fra RAFI kan udnytte IO-Link-funktioner til at understøtte smart-enhedsfunktioner - herunder farvekodede indikatorlamper.

Der er nogle forbehold for brugen af IO-Link til smart-enhedsanvendelser. Selv om der er en trådløs form for IO-Link under udvikling, er det stadig en kablet kommunikationsprotokol - så den er stadig underlagt alle de begrænsninger, der er forbundet med fast kabling. For at bevare dataintegriteten må IO-Link-kabelføring fra primær til enhed ikke overstige 20 m. Da IO-Link-protokollen kun kan overføre op til 32 bytes data pr. cyklus, er den desuden utilstrækkelig til brug med feltenheder som f.eks. kameraer, der kan generere mange MB data pr. minut.

Konklusion

IO-Link-systemer kan anvendes til mange formål som supplement til eksisterende protokoller, der ligger til grund for næsten ubegrænsede kontrol- og dataindsamlingssystemer. IO-Link-systemers enkelhed - de består kun af en IO-Link primær enhed og dens enheder og deres tilsluttede tre- eller femtrådede kabler - har været medvirkende til at fremme udbredelsen. Plug-and-play-installation og omkostningseffektivitet er andre fordele ved IO-Link.

IO-Link-konsortiets bestræbelser fra medlemsvirksomhederne har sikret bred kompatibilitet mellem controllere, enheder og aktuatorer fra forskellige producenter, hvilket har givet designingeniørerne det bredeste udvalg af udstyr til deres specifikke brugssituationer.