Hur man gör ställdon i smarta fabriker produktivare med IO-Link

Övergången till Industry 4.0, eller Industrial Internet of Things (IIoT) fortsätter för att uppnå större effektivitet, säkerhet, produktivitet och lägre totalkostnader. En viktig del av detta arbete är enheternas anslutningsmöjligheter. Det kan vara en utmaning eftersom det kräver att man väljer en lämplig kommunikationsstandard och utformar relaterade gränssnitt och tillhörande program, vilket kan göra införandet av smarta fabriker långsammare.

Konstruktörer av system för industriell automation behöver en standardiserad, tillförlitlig, effektiv och mer modulär metod för att underlätta snabba och kostnadseffektiva installationer.

För att lösa detta problem kan de använda sig av IO-Link, ett beprövat gränssnitt för användning i smarta fabriker. IO-Link är ett dubbelriktat, punkt-till-punkt, digitalt kommunikationsgränssnitt (SDCI) som styrs av flera standarder, inklusive IEC 61131-2, IEC 61131-9 (SDCI) och IO-Link 1.1.3.

Artikeln diskuterar kortfattat övergången till smarta fabriker och de utmaningar som detta innebär för konstruktörer. Därefter ges en översikt över IO-Links funktion och hur det förenklar installationen av smarta fabriker. Den presenterar exempel på enheter med IO-Link från Analog Devices, inklusive en slavenhet som kan användas för att ersätta pneumatiska ställdon och ge förbättrad prestanda, en slavenhet med en integrerad DC/DC-omvandlare och en master-enhet. Referenskonstruktioner för att snabbt förverkliga industriella ställdon med IO-Link ingår.

Förenklar övergången till smarta fabriker

Övergången till smarta fabriker ökar behovet av ett enkelt sätt att lägga till intelligens i molnkanten för att driftsätta, övervaka och konfigurera om givare och ställdon. IO-Links enkla installation och dubbelriktade kommunikationsförmåga stöder utbyggnaden av intelligens i molnkanten. I ett fall kunde IO-Link bidra till en 90-procentig minskning av installations- och driftsättningstiderna.

I praktiken kan parameterinställningar laddas ner via IO-Link för att ställa in eller konfigurera om enheter. Detta eliminerar behovet av ingrepp från en tekniker och minskar stilleståndstiden. IO-Links smarta diagnostik, feldetektering och dataloggning kan användas för att samla in driftinformation i realtid på hela fabriksgolvet, vilket ytterligare minskar stilleståndstiden.

Arkitekturen i ett system med IO-Link består av punkt-till-punkt-anslutningar mellan IO-Link-mastern och olika IO-Link-enheter. Användningen av standardiserade M8- eller M12-kontakter och en 20 m lång 3- eller 4-trådig kabel förenklar systeminstallationen. Master-enheter i IO-Link har vanligtvis 4 eller 8 portar, där var och en är ansluten till en IO-Link-enhet. Respektive port kan arbeta i SIO-läge (standard in-/utgång) eller i dubbelriktat kommunikationsläge. Eftersom det är en punkt-till-punkt-arkitektur är IO-Link inte en fältbuss, men den är kompatibel för användning med fältbussar och industriell Ethernet och kan anslutas till programmerbara logikstyrenheter (PLC) samt gränssnitt mellan människa och maskin (HMI) (figur 1).

Figur 1: IO-Link är kompatibelt med fältbussar och IEEE Industrial Ethernet-nätverk. (Bildkälla: IO-Link Community)

IO-Link arbetar i SDCI-läge och är dessutom bakåtkompatibelt med standarden IEC 60974-5-2 för binära givare. Den grundläggande punkt-till-punkt-kommunikationen använder ett 3-trådigt gränssnitt (L+, C/Q och L-). I IO-Link-läge är kommunikationen mellan master- och slavenheter dubbelriktad med tre möjliga överföringshastigheter: COM1 är 4,8 kbit/s, COM2 är 38,4 kbit/s och COM3 är 230,4 kbit/s (figur 2). En IO-Link-master måste ha stöd för alla tre datahastigheter så att den kan kommunicera med samtliga anslutna slavenheter. Slavenheter har endast stöd för en datahastighet. Kommunikationen sker med impulser på 24 V och NRZ-kodning (nonreturn-to-zero) på C/Q-linjen. I IO-Link-läget kan stift 2 vara i läget digital ingång (DI), digital utgång (DO) eller inte ansluten. IO-Link-enheten (givare eller ställdon) agera inom 300 ms efter att L+ överskrider ett gränsvärde på 18 V.

Figur 2: IO-Link-kommunikationen är dubbelriktad och har stöd för 4,8, 38,4 och 230,4 kbit/s. (Bildkälla: )

Beskrivning av IO-Link-enheten

Alla givare och ställdon med IO-Link innehåller en IODD-fil (IO-Link device description) (figur 3). IODD är en xml-fil som ger IO-Link-mastern den information som den behöver för att identifiera och konfigurera enheten och tolka dess information.

• Innehållet i IODD omfattar följande
  • Egenskaper som behövs för att stödja kommunikation
  • Enhetens parametrar
  • Identifieringsinformation
  • Process- och diagnostikinformation
  • En bild av enheten och tillverkarens logotyp.
• Strukturen i IODD beskrivs separat av IEC 61131-9.
• En centraliserad databas för IODD-filer upprätthålls av IO-Link Consortium.

Figur 3: IODD är en xml-fil som innehåller den information som IO-Link-mastern behöver för att identifiera, konfigurera och kommunicera med respektive slavenhet. (Bildkälla: Analog Devices)

Datalänk och datatyper

Utbyte av meddelanden mellan IO-Link-mastern och enheterna hanteras av datalänklagret (DL). Meddelanden är ramar som är mellan 1 och 66 UART-ord (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) långa och kallas "M-sekvenser". Meddelanden kan avse information på begäran, begäranden och kommandon från systemhanteringen och vanlig processinformation. Master-modulen innehåller en datalänkhanterare som tar hand om fel och felmeddelanden och hanterar driftlägen som exempelvis väckning, SIO och COM-hastigheter. När master-enheten skickar en begäran måste enheterna svara.

Kommunikation via IO-Link kan vara synkron eller asynkron. IO-Link-master-enheter och slavenheter innehåller processdatahanterare för synkron kommunikation och en handläggare för asynkron kommunikation av data för händelser, styrning, parametrar och en dataenhete för indexservice (ISDU). Asynkron information finns på begäran och kan innehålla följande:

• Information om konfiguration och underhåll eller styrning.
• Händelsestyrd, med tre nivåer av brådska:
  • Fel
  • Varning
  • Meddelanden
• Siddata för att läsa enhetsparametrar direkt
• Serviceinformation för stora datastrukturer

Det kan vara komplicerat att integrera IO-Link i master-enheter och enheter. Standarderna måste implementeras helt för att garantera enheternas interoperabilitet och en tillförlitlig systemdrift. För att snabbt integrera en effektiv och tillförlitlig kommunikation via IO-Link i ställdon för smarta fabriker, kan konstruktörer använda förkonstruerade lösningar för master-enheter och enheter. Styrkretsarna för IO-Link i enheten har extremt låg strömförbrukning och aktivt skydd mot omvänd polaritet, och finns med eller utan en inbyggd DC/DC-omvandlare. De har även ett seriellt gränssnitt för kringutrustning (SPI) som stöder omfattande diagnostik. Transceiverkretsar för IO-Link-Master med dubbla kanaler har stöd för drift med låg strömförbrukning och förenklar valet av microcontroller (MCU) genom att inkludera ramhanterare med UART- och FIFO-funktioner.

Ersätta pneumatiska ställdon med IO-Link

IO-Link är ett enkelt sätt att förändra traditionella tillvägagångssätt för processtyrning och förbättra fabriksverksamheten genom att ersätta pneumatiska ställdon med servoenheter och sofistikerad digital styrning. Konstruktörer kan exempelvis använda referenskonstruktionen för drivning av servoenheter med IO-Link MAXREFDES37# för att påskynda marknadsintroduktionen (figur 4). Referenskonstruktionen har 5 V strömförsörjning och innehåller fyra PWM-utgångar (pulsbreddsmodulering) samt fyra digitala ingångar för styrning av upp till fyra servomotorer.

Kortet har en M12-4 kontakt för anslutning till en IO-Link-master. Kontakterna med tre stift har stöd för snabb anslutning till vanliga servomotorer på 5 V, varav en ingår i den grundläggande referenskonstruktionen. Anslutning till 5 V digitala ingångar, skyddsjord och alla fyra PWM-kanaler sker med hjälp av kopplingsplintar med instickskontakter. En enhetsstack för IO-Link från Technologie Management Gruppe Technologie und Engineering's (TMG TE) ingår. MAXREFDES37# kan användas i kombination med den tvåkanaliga IO-Link mastern MAXREFDES277 i Pmod-format som innehåller ett grafiskt användargränssnitt (GUI) för enkel verifiering med hjälp av en Windows PC.

Figur 4: MAXREFDES37# har en M12-kontakt (vänster) för anslutning till en IO-Link-master och levereras med en servomotor (höger). (Bildkälla: Analog Devices)

MAXREFDES37# innehåller IO-Link-transceiverkretsen MAX14821ETG+T DC/DC-buckregulatorkretsen MAX17504ATP+T. Transceivern MAX14821ETG+T kan användas med IO-Link-enheter och binära givare och ställdon för 24 V. Alla specificerade datahastigheter för IO-Link, och drivkretsarna för C/Q- och DO kan försörja eller sänka upp till 100 mA. Transceivern kör DL-lagerprotokollet för gränssnitt mot en microcontrollerenhet (MCU). Två interna linjära regulatorer ger 5 och 3,3 V DC för att driva givare och ställdon, samt digitala in- och utgångar på 24 V som också ingår. Inbyggda drivkretsar för DO och C/Q kan konfigureras oberoende av varandra för push-pull-drift, sekundärsidesdrift (NPN) och primärsidesdrift (PNP). Transceivern kan konfigureras och övervakas via SPI.

Den inbyggda synkront likriktade step-down DC/DC-omvandlaren MAX17504 arbetar i ett inspänningsområde på 4,5 till 60 VDC. Den har ett utspänningsområde från 0,9 V till 90 % av inspänningen och levererar upp till 3,5 A. Regleringsnoggrannheten är ±1,1 % från -40 till +125 grader Celsius (°C). Den har en toppeffektivitet på >90 % och en avstängningsström på 2,8 μA.

Transceiver för master eller enheter med integrerad DC/DC

För konstruktörer av IO-Link-master och enheter finns MAX22514. En hög integrationsnivå - inklusive en DC/DC-buck-regulator, två linjära regulatorer och ett integrerat överspänningsskydd - samt låg effektförlust och ett val av en WLP-kapsling (WLP) (2,5 x 2,6 mm) eller en TQFN-kapsling (TQFN) (4 x 5 mm) gör att den här transceivern är väl lämpad för industriella IO-Link-tillämpningar med begränsat utrymme (figur 5).

Artikelnummer MAX22514AWA+ finns exempelvis som WLP. SPI har stöd för konfigurerbarhet och diagnostik och stöder även datahastigheterna COM1, COM2 och COM3.

Figur 5: Transceivern MAX22514 är högintegrerad och lämpar sig för användning som IO-Link-master och enheter. (Bildkälla: Analog Devices)

För att minska utvecklingstiden kan konstruktörer använda referenskonstruktioner som MAXREFDES278#. Det är en referensdesign för ett 8-kanalig solenoidställdon baserat på IO-Link-transceivern MAX22514 som demonstrerar MAX22200, en 1 A oktal integrerad seriekontrollerad solenoiddrivenhet med inbyggda (FET:ar). Referenskonstruktionen innehåller en inbyggd DC/DC-buck-regulator. Windows-kompatibelt program ingår som ger ett grafiskt användargränssnitt (GUI) för att utforska funktionerna hos MAX22514. En USB-A- till mikro-B kabel används för att ansluta utvärderingskortet till en dator.

Master med dubbla kanaler

När en IO-Link-master med två kanaler behövs kan konstruktörer använda sig av transceivern MAX14819ATM+, som innehåller två extra digitala ingångskanaler. En inbyggd ramhantering för IO-Link eliminerar behovet av externa UART:ar, och den inbyggda cykeltimern avlastar MCU:n från att behöva hantera tidskritiska uppgifter. Transceivern kan användas i kombination med de digitala isolatorerna MAX14931FAWE+ och MAX12930EASA+T. MAX14931FAWE+ har fyra kanaler för överföring av digitala signaler i en riktning. MAX12930EASA+T har två kanaler för dataöverföring. Utvärderingssatsen MAX14819EVKIT# är tillgänglig för MAX14819A och innehåller de digitala isolatorerna MAX14931 och MAX12930 (figur 6).

Figur 6: Utvärderingssatsen MAX14819EVKIT# för IO-Link master med två kanaler, innehåller transceivern MAX14819 och de digitala isolatorerna MAX12930 och MAX14931. (Bildkälla: Analog Devices)

Sammanfattning

För att dra nytta av IIoT och Industry 4.0 måste givare och omvandlare distribueras snabbt och kostnadseffektivt. IO-Link ger konstruktörer av industriella automationssystem en standardiserad, tillförlitlig, effektiv och modulär metod. Som visats kan konstruktörer med hjälp av standardkomponenter använda IO-Link för att lägga till intelligens i molnkanten för att driftsätta, övervaka och konfigurera om givare och ställdon.

Rekommenderad läsning

1. Hur man utformar ett modulärt överlagrat nätverk för optimering av databehandling inom IIoT för industri 4.0