IO-Link 1.0 til IO-Link 1.1

De siste årene, som har vært mye brukt i tiår i industriell I/O, har ført til en dramatisk økning i IO-Link-adopsjon. Som forklart i DigiKey-artikkelen «Comparing IO-Link 1.0 and 1.1», gir International Electrotechnical Commission IEC 61131-9 åpen standard (varemerket IO-Link) brukervennlig tilkobling til automatiseringskomponenter. Det er et enkelt digitalt kommunikasjonsgrensesnitt (single-drop digital communication interface – SDCI) for nettverk av små sensorer og aktuatorer kalt feltenheter eller sekundære aktuatorer til IO-Link-styringshubber eller primære aktuatorer og videre til resten av automatiseringsinstallasjonen. En av IO-Links fordeler er at den tillater bruk av generisk uskjermet kabel (opptil 20 m lang med tre til fem ledertråder) for disse tilkoblingene.

Denne artikkelen vil mer fullstendig forklare de tre IO-Link-funksjonene som er nye i versjon 1.1:

• IO-Link 1.1 tillater sikkerhetskopiering av data, slik at anleggspersonell kan lagre og gjenbruke enhetsparametere
• IO-Link 1.1 kan behandle databredder til 32 byte per port
• IO-Link 1.1 tillater 230,4 kbaud-datahastigheter fra IO-Link 1.1-primære aktuatorer

Figur 1: IO-Link-kommunikasjon tillater R.A JONES for å overvåke sensorer nøyere for ytelse, vedlikehold og endring av parametere via oppskrifter. Det sier sjefsingeniør for innovasjon Nate Smith. Faktisk er IO-Link raskt i ferd med å bli en ledende industristandard for kommunikasjon med feltenheter (sekundære aktuatorer) innen automatisering. (Bildekilde: R.A JONES)

IO-Link 1.1 som parametertildelingsserver

Kontrollintegrasjon av IO-Link-komponenter gjøres gjennom konfigurasjonsprogramvare som utnytter de standardiserte beskrivelsesfilene for IO-enheter (IO device-description – IODD) som er tilknyttet hver IO-Link-komponent. Disse IODD-filene (som lagrer komponentens modell, driftsområder, data for å støtte diagnosefunksjoner og symbol for visning på HMI-er og GUIer) er .xml-filer som leveres av komponentprodusenten for å støtte IO-Link V1.0 og V1.1 via sine egne nettsteder og ioddfinder.io-link.com.

Det som er nytt i IO-Link 1.1 er muligheten til at noen IO-Link 1.1-primære aktuatorer å lagre lokalt IODD-filer og komplementære data – for å levere funksjoner for parametertildelingsserver for andre enheter på nettverket. Før denne funksjonen (og i eldre IO-Link-installasjoner) ble sluttbrukere som måtte bytte inn en ny eller erstatningsfeltenhet, tvunget til først å konfigurere den enheten – vanligvis ved å koble den til en PC sin USB-port og utføre oppsettet manuelt gjennom programvare.

Enda en fordel med dette aspektet av 1.1 er hvordan sluttbrukere nå (i mange tilfeller) kan bytte ut sammenlignbare IO-Link kant-enheter fra forskjellige produsenter – noe som gjør et bredere utvalg av stort sett utskiftbare enheter mer tilgjengelig. Det er spesielt nyttig for nødutskifting av sviktende eller skadede sensorer på produksjonslinjer med høyt volum.

Spesifikasjoner for høyere kommunikasjonshastighet for IO-Link 1.1

Den andre IO-Link-funksjonen som er ny i 1.1, er COM3 – kommunikasjonsmodus med en hastighet som støtter mer avanserte feltenhetsfunksjoner. COM3 SDCI-kommunikasjonens datahastighet er spesifisert til å være opptil 230,4 kbit/sek (her 230,4 kbaud også). Det betyr at den nyeste IO-Link iterasjonen (1.1.3) kommer med forbedringer for å løse den siste gjenværende innvendingen mot IO-Link – at standarden har utilstrekkelig hastighet for moderne automatisering.

Mer spesifikt kan 1.1.3 formidle syklustider som støtter sanntidskommunikasjon for syklisk overførte prosessdata beskrevet i den forrige DigiKey-artikkelen om dette emnet; til og med til sykluser under msek i noen tilfeller. Prosessdata som overføres for sanntidsbåndbredde (i kilobyte per sekund (kB/sek)) avhenger av tiden det tar for den primære aktuatoren å be om en melding fra enheten, en kommunikasjonsretningsbryterforsinkelse, tiden det tar for feltenheten å svare, og en annen kommunikasjonsretningsbryterforsinkelse.

Det hjelper å ha litt bakgrunn med de fysiske mikrokontrollerkretsene (i noen tilfeller frittstående IC-er) for å forstå hvordan IO-Link-komponenter utfører denne kommunikasjonen. Innenfor feltenhetene primære aktuatorer og sekundære aktuatorer finnes det kretser kalt universelle asynkrone mottakersendere (UART) som pakker eller rammer data inn i pakker for overføring. Disse rammene er 11 biter lange – med en bit som brukes til å kommunisere start, åtte bitr (også kalt en oktett i IO-Link-spesifikasjoner og offisiell litteratur) som brukes til å transportere faktiske prosessdata, og to til som brukes til å kommunisere paritet og stopp.

Figur 2: MAX14827AATG+ fra Maxim Integrated er en IO-Link-transceiver med lavt energiforbruk for integrasjon i IO-Link-enheter. Et UART-grensesnitt med tre ledninger tillater IO-Link-tilkobling til mikrokontrolleren UART, og et multipleksert UART/SPI tillater bruk av ett serielt mikrokontrollerergrensesnitt for delte UART- og SPI-funksjoner. (Bildekilde: Maxim Integrated)

I henhold til IO-Link 1.1.3 spesifikasjonene sin tabell 9 fra juni 2019 , krever det et IO-Link COM3-arrangement 4,34 µsek for å overføre hver bit. Denne tiden pluss forsinkelser mellom pakker i både primære aktuatorer og sekundære aktuatorer (opptil henholdsvis 4,34 µsek og tredobbel som) samt 4,34 µsek til 43,0 µsek for kommunikasjonsretningsbryterforsinkelsen gir en verst tenkelig sub-msek dataoverføringshastighet som fortsatt er ganske tilstrekkelig for krevende industrielle utrustninger.

Den usikre parameteren (som har dramatisk innflytelse på sanntidsbåndbredde) er meldingssekvenstypen som er valgt for IO-Link-nettverket. Ulike sekvenstyper rommer ulike mengder acyklisk eller on-demand-dataoverføring. For å estimere sanntidsbåndbredden til et IO-Link-arrangement, må beregninger ta hensyn til både prosessdata og asykliske data som tillates av systemmeldingen. Noen typer definerer faste prosess- og asykliske oktettverdier på forespørsel (on-demand), mens andre tillater leverandøren eller brukeren å sette prosessdataoktetter til mellom én og 32, og asykliske dataoktetter til enten 1, 2, 8 eller 32. Kort sagt, systemer som trenger å flytte mindre data har raskere syklustider.

Analyse av alle ovennevnte faktorer gir sanntidsbåndbredde – definert av prosessdata (kun) overført (i kbit) dividert med total beregnet syklustid i kbit/sek. For eksempel, med bare én asyklisk dataoktet (for 1·8) og 32 prosessdataoktetter (for 32·8), er syklustiden litt over et par millisekunder og båndbredden overstiger 100 kbit/sek.

Alle nye IO-Link 1.1-primære aktuatorer støtter COM3 og automatiseringskomponentene som utnytter denne datahastigheten — og tilpasser seg automatisk hastighetene som de tilkoblede sekundære aktuatorer tilfeldigvis bruker. Faktisk er det vanlig å ha feltenheter med forskjellige syklustider kjørt av én primær aktuator for å tillate bruk av sensorer og aktuatorer på forskjellige avansementsnivåer, i tillegg til trinnvise designoppgraderinger. Aktuatorer som bruker 230,4 kbaud-datahastigheten til COM3 (vanligvis med klasse B-portarrangementet dekket i denne artikkelens neste avsnitt) inkluderer væskestrøm samt elektromekaniske komponenter – inkludert pneumatiske ventiler, lineære sylindre og manifolder samt små feltanordninger basert på stegmotorer (skrittmotor) Sensorer som oftest bruker COM3 inkluderer posisjons- og forskyvningssensorer samt farge-, temperatur- og trykksensorer, som alle er de vanligste i prosesskontroll. Velg mekaniske brytere utnytter også denne COM3-kommunikasjonsmodusen.

Figur 3: Panasonics serie for intelligente sensorer HG-C1000L bruker COM3-tilkoblingene til IO-lenken for å støtte fjernovervåking og rutiner for forebyggende vedlikehold Innebygd sensorlogikk oppdage normale, feil, advarsel og alarmtilstander. Disse sensorene gir også en mulighet for raskt og eksternt å rekonfigurere sensorinnstillinger og operasjoner når det er nødvendig. (Bildekilde: Panasonic Industrial Automation Sales)

Fysiske tilkoblinger for IO-Link 1.1 (inkludert dataporter)

Vurder nå databreddene til IO-Link – til 32 byte per port for prosessdata. Alle aktiverte porter på IO-Link-primære aktuatorer er satt til å håndtere digital utgang og inngang eller kjøre som et IO-Link-punkt ved hjelp av en UART i halvdupleksmodus (slik at databiter sendes og mottas i enkelt-bit-sekvenser). En typisk fire- eller åtteports IO-Link-primær aktuator kan kobles direkte til flere feltenheter eller fungere som et mellomliggende knutepunkt – og overføringsbredden avhenger av denne primære aktuatoren. Tilkoblinger til en typisk IO-Link-feltenhet inkluderer forsyningsledere L+ og M samt C/Q₁-ledere, der sistnevnte bærer prosessdata samt data for parameterisering, konfigurasjon og diagnostikk.

Figur 4: Intelligente sensorer som denne SICK-trykksensoren med IO-Link (som tillater tilkoblinger via en fire- eller fempinners M12) kan unngå nedetid og feil forbundet med manuell omprogrammering. Det er fordi de tillater parametriske redigeringer og omkonfigurasjon via maskinens PLS. Legg merke til L+ og M samt C/Q₁-tilkoblingene til IO-Link-kontakten. (Bildekilde: SICK)

Noe kompliserende her, er at IO-Link-spesifikasjoner tillater både klasse A- og klasse B-porter på primære aktuatorer og sekundære aktuatorer. Klasse-A-porter som definert i IEC 60947-5-2 skal ikke forveksles med A-kodede M12-kontakter som definert i IEC 61076-2-101. Les mer om allestedsnærværende M12-kontakter i sammenheng med IO-Link i DigiKey-artikkelen «Grunnleggende om IO-Link». Kort sagt brukes IO-Link-kontaktpinne 2 og 5 noen ganger (og den bruken varierer), mens pinne 1, 3 og 4 alltid brukes (med bruk som bare varierer for sistnevnte). Klasse A-arrangementer (basert på firedelte M5-, M8- eller M12-kontakter) tillater flere I/O-variasjoner, samt til og med høystrømsutgang for kjøreaktuatorer. I motsetning til dette er klasse B-arrangementer alltid fempinners M12-tilkoblinger.

Uansett klasse er hunkontaktkontaktene plassert på de primære, og hannkontaktstiftene på sekundære feltenheten.

32 byte per port for prosessdata er bare et maksimum som brukes for de mest avanserte IO-Link-tilkoblede sensorene og aktuatorene, faktisk kan databredden til en svært enkel IO-Link-sekundær aktuator, som for eksempel en bryter, være på bare en bit. Der den angitte databredden er utilstrekkelig for utrustningen, tillater noen IO-Link-primære aktuatorer fragmentert prosessdataoverføring. Andre datakapasitetsutvidelsesplaner for IO-Link inkluderer flere anvendelser av pinne-4-ledere for toveis IO-Link og vekselkommunikasjon samt dataoverføring med to kanaler som kjører parallelt med IO-Link-data på pinne 4. For sistnevnte kan pinne-2-lederen bære enhetsspesifikke I/O- eller brytersignaler (ofte, men ikke alltid forbundet med statusovervåking) og frigjøre IO-Link-kanalen for å bære komplementære signaler. Slik IO-Link-dataoverføring med to kanaler tillater sanntidskommunikasjon uten forsinkelser knyttet til eksterne PLS-er (inkludert syklustider), noe som igjen støtter utrustninger som krever rask analyse av og respons på maskin- eller enhetsforhold.

Konklusjon

De tre IO-Link-funksjonene som er nye i versjon 1.1, inkluderer sikkerhetskopiering av data (for lagring og gjenbruk av enhetsparametere), muligheten til å behandle databredder til 32 byte per port og 230,4 kbaud dataoverføringshastigheter fra primære aktuatorer. Disse funksjonene har bare akselerert innføringen av IO-Link 1.1 for industriautomasjon.