Bruk av IO-Link i industrielle konstruksjoner

Med fremkomsten av den fjerde industrielle revolusjonen og Industri 4.0, ble omfattende og intelligent automatisering definert av avanserte styringer, overvåking og diagnostikk. Slike muligheter er kun mulig gjennom industriell konnektivitet – der styringer og maskinenheter er samlet på en plattform (for eksempel IO-Link) for kontinuerlig datautveksling.

Figur 1: IO-Link supplerer eksisterende nettverksprotokoller ved at den enkelt integreres i feltbuss- eller Ethernet-nettverk via IO-Link primær aktuator. Tilkoblingen mellom en IO-Link primær aktuator og tilknyttede IO-Link-enheter går gjennom uskjermet og ubeskyttet kabel med tre eller fem ledere, som også er i stand til å forsyne strøm til IO-Link-enhetene. Her er strømmen fra den primære aktuatoren 24-Vdc. (Bildekilde: Pepperl+Fuchs)

De viktigste aktiveringsteknologiene som ligger til grunn for industriell konnektivitet, er standardiserte nettverk og enheter med integrerte kommunikasjonsfunksjoner. Det finnes mange protokoller for disse funksjonene. Ikke alle industriprotokoller oppfyller imidlertid kravene til datautveksling og informasjonsinnhold som kreves av dagens automasjon. IO-Link ble opprettet for å tilfredsstille et bredt spekter av disse moderne bruksområdene.

IO-Link er en kablet punkt-til-punkt-kommunikasjonsprotokoll som legger til rette for smart toveis-datakommunikasjon mellom enheter, noe vi tok for oss i en tidligere digikey.com-artikkel. Vanligvis har IO-Link primære aktuatorer (lokale styringer) flere IO-Link-porter (kanaler) som ulike IO-Link-enheter kan kobles til uavhengig av hverandre. Det er disse node-til-node-endepunktforbindelsene som gjør IO-Link til en punkt-til-punkt-kommunikasjonsprotokoll.

IO-Link ble lansert i 2009 av et konsortium på 41 medlemmer, som nå er hundrevis av medlemmer, og er blitt en allment akseptert kommunikasjonsprotokoll når det gjelder å utnytte data som er avgjørende for følgende:

• Optimalisering av drift
• Redusering av nedetid og effektivisering av vedlikehold
• Justering av råvarekostnader og strategiske driftsbeslutninger.

Det harmoniserte IO-Link-grensesnittet er definert av IEC 61131-9-standarden og støttes av Siemens, Omron Corp., ifm Efector, Balluff, Cinch Connectivity, Banner Engineering, Rockwell Automation, SICK, Pepperl+Fuchs og dusinvis av andre komponent- og systemprodusenter. Så det er ikke så rart at IO-Link-konnektivitet i stor grad utnyttes i operasjoner som omfatter monteringsautomatisering, maskinverktøy og intralogistikk. De tre viktigste bruksområdene i disse og andre industrielle omgivelser inkluderer statuskommunikasjon, maskinstyring og intelligent gjengivelse av enheter.

IO-Link-styringsmoduser samsvarer med bruksområder

Figur 2: Kontakttypen som brukes med forbindelseskabelen avhenger av porttypen. IO-Link klasse A-hovedporter aksepterer M8- eller M12-kontakter (for eksempel AL1120 fra ifm efector som vises her) med opptil fire pinner, mens klasse B-motparter aksepterer tilkoblinger med enheter som har fem-pinners M12-kontakter (for toveis datakommunikasjon). Modusen som tilordnes porten til en primær aktuator til enhver tid, fastsettes av enheten den er koblet til og den gjeldende driften. (Bildekilde: ifm Efector)

Fra tidligere digikey.com-artikler husker vi at IO-Link-kommunikasjonsprotokollen gjør hver tilkoblingsport på en IO-Link primær aktuator (styring) i stand til å håndtere fire kommunikasjonsmoduser. Disse omfatter en fullstendig deaktivert modus samt driftsmodusene IO-Link, digitalinngang (DI) og digitalutgang (DQ). Modusene korrelerer løst med de tre viktigste IO-Link-bruksområdene som er oppført ovenfor.

IO-Link-driftsmodus støtter toveis datakommunikasjon med feltenheter og brukes vanligvis under datainnsamling for overvåking, testing og diagnostikk. Porten til en primær aktuator i DI-modus aksepterer digitale innganger og fungerer når porten er koblet til sensorer – i denne sammenhengen fungerer de som inngangsenheter. Til sammenligning fungerer en port i DQ-modus som en digital utgang, vanligvis når porten er koblet til en aktuator (i denne sammenhengen, i realiteten en utgangsenhet) eller når en system-PLS er konfigurert til å sende instruksjoner direkte til en annen IO-Link-enhet.

Selv om det ikke er innenfor rammen av denne artikkelen, er det verdt å merke seg at portene på en IO-Link primær aktuator enkelt kan veksle mellom ulike moduser. For eksempel kan porten til en primær aktuator som er koblet til en sensor, kjøres i DI-modus – og deretter veksle til IO-Link-kommunikasjonsmodus når diagnostikk- og overvåkingsdata fra sensoren anmodes av den primære aktuatoren.

IO-Link-bruksområde 1 av 3: Handlingsdyktig statuskommunikasjon

Figur 3: IO-Link legger til rette for opprettelsen av svært avanserte styrings- og automatiseringssystemer. Maskinverktøyindustrien gjør omfattende bruk av IO-Link-sensorer for å verifisere egnet arbeidsstykkeklemming og trykk og posisjoner for fresesluttverktøy. (Bildekilde: Getty Images)

Maskinovervåking er mulig med IO-Link-enheter som er konfigurert til å rapportere status som igjen kan informere systemet om nødvendige justeringer og korreksjoner. Se på ett bestemt bruksområde i maskinverktøyindustrien – IO-Link-trykksensorer, som bekrefter at arbeidsstykkene er fastklemt med egnet trykk for å oppnå skadefri, men sikker oppbevaring under materialfjerningshandlinger. Her støtter IO-Link-sensorer i hovedsak optimalisering av maskinoppgaver for å gi færre avviste arbeidsstykker.

IO-Link-enheter kan også gi handlingsdyktig statuskommunikasjon for å støtte forbedrede vedlikeholdsrutiner, noe som gir minimal nedetid. For eksempel kan IO-Link-posisjonssensorer på en monteringsmaskin kontinuerlig rapportere plasseringene til endeeffektorer for å sikre at ingen ligger utenfor målområdet eller er feiljustert.

Ved å analysere diagnostikkdata som forsynes av IO-Link-enheter, kan maskinteknikere for et anlegg forutsi og korrigere feil og potensielle sammenbrudd før de oppstår. Teknikere kan også identifisere svake koblinger i en maskin eller et anlegg – for å informere om driftsendringer på bedriftsnivå, innkjøpsbeslutninger og konstruksjoner av maskiner i fremtiden.

IO-Link-bruksområde 2 av 3: Avansert styring og automatisering

Figur 4: Et IO-Link-system som er involvert i avanserte styringer omfatter en IO-Link primær aktuator (styring), for eksempel Omron NX-ILM400 som vises her, og forskjellige IO-Link-aktiverte sensorer, strømforsyninger og mekatroniske enheter koblet til denne primære aktuatoren. IO-Link-systemer for slike bruksområder bruker vanligvis IO-Link primære aktuatorer og IO-Link-enheter til en PLS eller et annet automatiseringssystem. (Bildekilde: Omron)

Styring og automatisering er andre funksjoner som støttes av IO-Link. I situasjoner der en IO-Link-installasjon støtter funksjoner som kjører uten (sans) intervensjon av personell, kobles IO-Link primære aktuatorer ofte til et vertssystem eller en PLS på høyere nivå som behandler mottatte data og deretter direkte eller indirekte kommanderer aktuatorer i konstruksjonen til de aktuelle koordinerte responsene. En slik automatisert styring krever at IO-Link-systemet kobles til en styring på høyere nivå via standardiserte feltbuss- eller Ethernet-protokoller og kabler. Faktisk har de fleste IO-Link primære aktuatorer feltbuss- eller Ethernet-porter for slike tilkoblinger.

Enheter i avanserte styringskonstruksjoner som involverer IO-Link-systemer, integreres på én av tre måter:

• De kobler seg direkte til vertsdatamaskinen eller PLS-en
• De kobler til en IO-Link primær aktuator og kommuniserer via IO-Link-protokollen
• De bruker IO-Link-kompatibel kommunikasjon og kobler til en IO-Link primær aktuator via en IO-Link-hub

Sistnevnte fungerer i hovedsak som et mellomledd for å koble ikke-IO-Link-enheter til den primære aktuatoren.

En ekstra fordel med IO-Link-systemer som har konnektivitet for feltbuss- og Ethernet-kommunikasjon, er at langdistanseforbindelser er tillatt – noe som igjen gjør det mulig for installatører å lokalisere IO-Link primære aktuatorer i et styringskabinett eller ved den ytterste maskinkontakten, hvis det er det mest fornuftige for et gitt bruksområde.

Ta i betraktning hvordan IO-Link primære aktuatorer er gunstige for avanserte modulkonstruksjoner ved at de fungere som styringer på lavt nivå som er i stand til å behandle både digitale og analoge signaler. Her kan de primære aktuatorene:

• Godta data generert av IO-Link lineære pulsgivere på aksene i et XY-trinn
• Behandle disse dataene som en gateway
• Sende de behandlede IO-Link-feltenhetsdataene til PLS-en eller en annen systemstyring

IO-Link-bruksområde 3 av 3: Enhetsinformasjonsinnhold

Figur 5: IO-Link-tilkoblingsgrensesnittet er svært lite og passer på de fleste kompakte feltenheter. Her vises en Balluff BUS004Z-nærhetssensor med IO-Link-konnektivitet. (Bildekilde: Balluff)

Det tredje bruksområdet til IO-Link er å gjøre enheter smarte. Disse IO-Link-aktiverte enhetene kan motta instruksjoner, overvåke og utføre selvtestingsrutiner – samt generere data, noe som er spesielt vanlig i sensorkonstruksjoner som ligner eldre sensoralternativer uten (eller med mer beskjeden) programmering. Fordi IO-Link også gjør det mulig for enheter å levere mer enn grunnleggende data med to verdier (ja-nei eller bestå-svikt), er det også mulig å rapportere nøyaktige verdier. For eksempel kan prosessautomatiseringsoppgaver dra nytte av IO-Link-temperatursensorer som gjør mer enn å rapportere høy eller lav temperaturstatus – de rapporterer i stedet den nøyaktige temperaturverdien for en overvåket sone eller et overvåket volum kontinuerlig.

En annen fordel med IO-Link for smarte feltenheter er hvordan de fysiske tilkoblingene er kompakte. Det står i sterk kontrast til de fysiske tilkoblingene til feltbuss- og Ethernet-grensesnitt, som noen ganger kan være for store til å passe på feltmikroenheter.

IO-Link-smartkomponenter kan også styres nøyaktig. For eksempel, i stedet for grunnleggende av-og-på-styringer, kan en aktuator kommanderes til å slå seg av når et scenario oppfyller et sett med betingelser.

Input-enheter, for eksempel trykknappbrytere fra RAFI, kan dra nytte av IO-Link-funksjoner til å støtte funksjoner i smartenheter – som omfatter fargekodede indikatorlamper.

Det er noen forbehold når det kommer til bruken av IO-Link for konstruksjoner med smartenheter. Selv om en trådløs IO-Link-type er under utvikling, er det fortsatt en kablet kommunikasjonsprotokoll – så den er fortsatt underlagt alle begrensningene til fast kabling. For å opprettholde dataintegritet må ikke IO-Link-kabling fra primær aktuator til enhet overstige 20 m. Dessuten, fordi IO-Link-protokollen kun kan overføre opptil 32 byte med data per syklus, er den utilstrekkelig for bruk med feltenheter som kameraer, som kan generere mange MB med data per minutt.

Konklusjon

Bruksområder for IO-Link-systemer florerer for å supplere eksisterende protokoller som støtter et nærmest ubegrenset antall styringer og datainnsamlingssystemer. Sporingsadopsjon (spurring adoption) har vært selve enkelheten i IO-Link-systemer – som kun består av en IO-Link primær aktuator og tilknyttede enheter og tre- eller femlederkablene deres som er ferdiglaget med kontakter. Plug-and-play-installasjon og kostnadseffektivitet er andre fordeler forbundet med IO-Link.

Innsats fra IO-Link-konsortiet av medlemsbedrifter har sikret bred kompatibilitet mellom styringer, enheter og aktuatorer fra ulike produsenter, noe som har gitt konstruksjonsteknikere det bredeste utvalget av utstyr for deres bestemte brukstilfeller.