Brug IO-Link til at øge fleksibiliteten, tilgængeligheden og effektiviteten i Industry 4.0-fabrikker

At understøtte den dataindsamling og -analyse, der er kendetegnende for Industry 4.0, kan ofte kræve linje- og procesændringer, der omfatter tilføjelse, fjernelse eller omprogrammering af digitale sensorer, aktuatorer, indikatorer og andre enheder. Det kan være svært at implementere effektivt på tværs af ældre automatiseringsnetværksprotokoller med deres forskellige egenskaber. Industri 4.0-installationer har brug for endnu et lag af tilslutningsmuligheder og fleksibilitet mellem de installerede netværk og den voksende masse af lokaliserede sensorer, aktuatorer og indikatorer.

For at løse disse udfordringer er IO-Link blevet udviklet som en åben standard, der kan forbinde signaler fra enheder som sensorer, aktuatorer og indikatorer til netværk på højere niveauer som Ethernet IP, Modbus TCP/IP og PROFINET, og derfra til programmerbare logiske controllere (PLC'er), HMI-enheder (human-machine interface), SCADA-systemer (supervisory control and data acquisition) og til skyen. IO-Link seriel tilslutning er standardiseret som IEC 61131-9 med enkle uskærmede tre- eller femledede standardkabler defineret i IEC 60974-5-2. Designere af automatiseringssystemer vil finde IO-Link særligt velegnet til at understøtte den hurtige implementering og fjernkonfiguration, overvågning og diagnosticering af tilsluttede enheder, der kræves til Industry 4.0-fabrikker.

Denne artikel gennemgår mulighederne og fordelene ved IO-Link og ser på strukturen og driften af IO-Link-netværk, herunder brugen af forskellige typer IO-Link-enheder til opbygning af lokale netværk af sensorer, aktuatorer og indikatorer til understøttelse af Industry 4.0. Den præsenterer eksempler fra den virkelige verden på IO-Link-master-, hub- og datakonverteringsenheder fra Banner Engineering, som designere kan bruge til effektivt at implementere masser af Industry 4.0 edge-enheder.

Hvor passer IO-Link ind?

IO-Link er et netværk på lavere niveau, der opsamler data fra distribuerede sensorer, aktuatorer og indikatorer, forbinder dem til konvertere, der konverterer dataene til IO-Link-formatet, og derefter distribuerer dem til IO-Link-hub- eller masterenheder efter behov for tilslutning til fabriksnetværk på højere niveau som Ethernet, Modbus og PROFINET (figur 1).

Figur 1: IO-Link giver en komplet løsning til at forbinde ældre og andre sensorer, aktuatorer og enheder (til venstre) med eksisterende SCADA, HMI og skyen (til højre) i Industry 4.0-netværk. (Billedkilde: Banner Engineering)

IO-Links nøgleegenskaber omfatter følgende:

• Åben standard
• Understøtter hurtig integration, konfiguration og idriftsættelse af lokale enheder for at fremskynde omstillinger og muliggøre øget fleksibilitet med minimalt behov for praktisk support fra teknikere.
• Kompatibilitet med eksisterende automatiseringsnetværk
• Robust tovejskommunikation, der kan være enten synkron eller asynkron for at maksimere kommunikationseffektiviteten
• Fjerndiagnostisk support helt ned på enhedsniveau
• Evnen til dynamisk at ændre sensor- eller aktuatorparametre for at fremskynde procesoptimering
• Integreret enhedsidentifikation og automatiske parametertildelinger for at maksimere tilgængeligheden

Sådan tilsluttes IO-Link-enheder

Enheder i et IO-Link-netværk forbindes med tre- eller femlederkabler, der er op til 20 meter (m) lange og uskærmede. IEC 60947-5-2 definerer ben-tildelingen af master og enhed. Han-stik er tildelt enheden, og hun-stik bruges til masteren. Stikkene kan være M5, M8 eller M12 med op til fem ben. På masteren leveres 24 volt jævnstrøm (VDC) ved op til 200 milliampere (mA) mellem ben 1 og 3 for at fungere som en valgfri strømforsyning til enheder. Ben 4 er defineret som et digitalt input (DI) eller digitalt output (DO) baseret på IEC 61131-2, og det understøtter bagudkompatibilitet med ældre enheder i henhold til IEC60947-5-2.

Der er to masterport-klasser, A og B. I klasse A-porte er ben 2 og 5 ikke tilsluttet (NC), og i klasse B-porte kan disse ben konfigureres som DI, DO, ikke tilsluttet (NC) eller kan give en ekstra strømforsyning. I de fleste industrielle installationer bruges M12 stik med udkobling. En oversigt over ben-tildelingerne som defineret i IEC 60974-5 er vist i figur 2:

• Ben 1: +24 VDC, maks. 200 mA (L+)
• Ben 2: Digital I/O (kun PNP)
• Ben 3: 0 volt (L-)
• Ben 4: Digital I/O (NPN, PNP eller push-pull) og IO-Link-kommunikation
• Ben 5: Centerben NC (valgfri)

Figur 2: IO-Link er en enkel løsning til at levere strøm- og dataforbindelse til enheder på kanten som sensorer og aktuatorer. (Billedkilde: Banner Engineering)

Hvorfor IO-Link?

IO-Link bidrager til væsentlige forbedringer af ydeevnen i Industry 4.0-netværk ved hjælp af enkel installation eller udskiftning af enheder med standardiseret, pålidelig og billig ledningsføring. Derudover er det designet til at forenkle integrationen af isolerede sensorer i eksisterende netværk. Fordelene ved IO-Link omfatter:

Datatilgængelighed muliggøres ved hjælp af IO-Link til at forbinde isolerede enheder og øer af automatisering til et samlet netværk. Data på sensorniveau er ikke altid tilgængelige eller nemme at skaffe. Med IO-Link bliver data nemme at indsamle og kan være tilgængelige i realtid for at optimere processer og understøtte proaktiv vedligeholdelse af maskiner og sensorer. IO-Link understøtter tre primære datatyper, der yderligere kan kategoriseres som enten cykliske data, der automatisk overføres efter en regelmæssig tidsplan, eller acykliske data, der overføres efter anmodning eller behov:

• Procesdata: Dette refererer til oplysninger som sensoraflæsninger, som enheden sender til masteren, samt oplysninger fra masteren til at styre enhedens drift, som f.eks. belysning af specifikke segmenter på et tårnbelysningsarmatur. Procesdata kan være cykliske eller acykliske.
• Servicedata: Dette omfatter oplysninger om enheden og kaldes nogle gange enhedsdata. Servicedata omfatter enhedens parameterværdier, enhedsbeskrivelse samt model- og serienummer. De er acykliske og kan læses fra eller skrives til en enhed efter behov.
• Hændelsesdata: Dette omfatter fejlhåndtering og indeholder fejlmeddelelser som f.eks. parameterindstillinger, der overskrides, eller vedligeholdelsesadvarsler som f.eks. en snavset linse på en billedsensor. De sendes acyklisk, hver gang der sker en udløsende hændelse.

Fjernkonfiguration gør det muligt for netværksoperatører og teknikere at aflæse og ændre enhedsparametre via softwarekontrol uden fysisk at skulle hen til hver enkelt enhed. Sensorparametre kan ændres dynamisk efter behov for at forfine eksisterende processer, fremskynde produkt- og procesændringer, understøtte massetilpasning og minimere nedetid på maskiner og linjer.

Forenklet udskiftning af enheder muliggøres af muligheden for at fjernkonfigurere enheder. Funktionen Auto Device Replacement (ADR) i IO-Link kan give automatiske parameterjusteringer og omfordelinger for udskiftede enheder. Med ADR kan netværksoperatører importere eksisterende parameterværdier til en erstatningsenhed eller opdatere parametrene efter behov for at sikre hurtige og præcise ændringer og vedligeholdelse af netværket.

Udvidet diagnostik udnytter IO-Links cykliske og acykliske kommunikationsfunktioner til at give netværksoperatører omfattende oplysninger om driftsstatus for hver enhed på fabrikken. Muligheden for at fjerndiagnosticere enhedens funktion kan fremskynde identifikationen af enheder, der er ved at blive forringet eller fungerer uden for specifikationerne. Det giver en mere effektiv planlægning af vedligeholdelse eller udskiftning af enheder.

Standardiseret og enkel ledningsføring er en nøglefunktion i IO-Link. I modsætning til andre netværksprotokoller er IO-Link-enheder, konvertere, hubs og mastere alle forbundet med enkle og billige uskærmede kabler og quick disconnect-stik. Master-slave-arkitekturen i IO-Link forenkler yderligere kravene til ledningsføring og eliminerer problemer med netværkskonfiguration.

Kom godt i gang: IO-Link master/controller

Designere af automatiseringssystemer, der tilføjer eller udvider brugen af IO-Link, kan starte med at vælge en IO-Link-master (eller controller) som DXMR90-4K fra Banner Engineering, der konsoliderer data fra flere kilder, leverer lokal databehandling og muliggør tilslutning til netværket på højere niveau (figur 3).

Figur 3: IO-Link-masterenheden DXMR90-4K kan kombinere data fra fire lokale kilder og oprette forbindelse til et netværk på et højere niveau. (Billedkilde: Banner Engineering)

De fire porte på DXMR90-4K understøtter samtidig kommunikation med op til fire IO-Link-enheder. Det understøtter dataindsamling, Edge-processering og protokolkonvertering for tilslutning til industrial Ethernet eller Modbus/TCP og kan overføre data til webservere. Andre funktioner i DXMR90-4K omfatter:

• Kompakt og let kabinet, der sparer plads og forenkler udrulningen
• IP67-klassificering eliminerer behovet for et separat kontrolskab, hvilket bidrager til reducerede installationsomkostninger
• Muliggør konsoliderede kabeltræk, der minimerer kablernes kompleksitet og vægt, hvilket kan være særligt vigtigt i applikationer som robotteknologi.
• Udvidelig intern logisk controller ved hjælp af handlingsregler og ScriptBasic-programmering, der understøtter høje niveauer af fleksibilitet

Til enklere installationer kan designere bruge enheder som R45C-2K-MQ IO-Link Master med to porte til Modbus-forbindelser.

IO-Link-hubs

Når mange sensorer eller aktuatorer skal forbindes til en enkelt IO-master, kan designere bruge en IO-Link-hub til at samle sensor- og aktuatorsignaler og sende dem til en IO-Link-master via et enkelt kabel. For eksempel har R90C-4B21-KQ fire indgangsporte og forbindes til masteren ved hjælp af et standard M12-stik (figur 4). Det er en kompakt bimodal (PNP eller NPN) til IO-Link enhedskonverter, der forbinder diskrete indgange og sender værdien til en IO-Link Master. Den har følgende funktioner:

• Forsinkelsestilstande, der inkluderer ON/OFF-forsinkelse, ON/OFF/Retriggerable One-shot, ON/OFF, Pulse-stretcher og Totalizer
• Målingerne omfatter antal, hændelser pr. minut og varighed.
• Diskret spejling gør det muligt at spejle signalerne (ind og ud) til en hvilken som helst af de fire porte.
• Diskrete I/O'er kan konfigureres uafhængigt som NPN eller PNP
• Robust overstøbt IP68-klassificeret design

Figur 4: R90C-4B21-KQ-hubben kan konsolidere kommunikation fra fire enheder og forbinde dem med en IO-Link-masterenhed. (Billedkilde: Banner Engineering)

IO-Link-signalkonvertere

Der findes forskellige typer konvertere til IO-Link-netværk til tilslutning af sensorer og andre enheder, der kan bruge en række forskellige signaltyper, såsom diskrete PNP- eller NPN-signaler, analoge 0 til 10 VDC-signaler og strømtransducere. Eksempler på IO-Link-signalkonvertere omfatter:

• R45C-K-IIQ IO-Link til analog strøm ind eller ud konverter (Figur 5)
• R45C-K-UUQ-konverter til analog spænding ind eller ud
• R45C-K-IQ-konverter til analog strømudgang
• R45C-K-UQ-konverter til analog spændingsudgang

Figur 5: R45C-K-IIQ IO-Link konverteren kan forbinde en masterenhed med lokale enheder ved hjælp af analoge indgange og udgange. (Billedkilde: Banner Engineering)

Der findes også IO-Link inline-konvertere, der er på størrelse med et enkelt AA-batteri. Disse omformere kan håndtere forskellige signaltyper og konvertere dem til IO-Link, Modbus eller andre protokoller. For eksempel er S15C-I-KQ en analog strøm til IO-Link-konverter, der tilsluttes en 4 til 20 mA strømkilde og udsender værdien til en IO-Link-master. Den lille størrelse af disse konvertere gør det nemt at tilføje ældre sensorer til netværk med standardprotokoller til proces- eller miljøovervågning. Deres IP68-klassificering gør det muligt at anvende dem bredt i industrielle miljøer.

Konklusion

IO-Link giver de tilslutningsmuligheder, der skal til for at indsamle de data, der er nødvendige for at optimere ydeevnen i Industry 4.0-fabrikker, ved at forbinde ældre og andre edge-enheder med det primære Ethernet IP, Modbus TCP/IP eller PROFINET-netværk. Det understøtter høje niveauer af datatilgængelighed, udvidet diagnostik, fjernkonfiguration og forenklet udskiftning af enheder, hvilket fremskynder proces- og linjeskift ved hjælp af tilslutningsmuligheder, der er standardiseret i IEC 61131-9 med enkle uskærmede 3- eller 5-leder standardkabler defineret i IEC 60974-5-2.

Anbefalet læsning

1. Sådan designes et modulært overlay-netværk til optimering af databehandling i IIoT til Industry 4.0
2. Sådan sikrer du Gigabit Ethernet-signalintegritet ved langdistanceinstallationer for industriautomatisering