IO-Link 1.0 till IO-Link 1.1

IO-Link har använts i flera decennier inom industriell I/O, men de senaste åren det skett en dramatisk ökning. Som det förklaras i Digi-Keys artikel “Jämförelse mellan IO-Link 1.0 och 1.1” innehåller International Electrotechnical Commissions öppna standard IEC 61131-9 (benämnd IO-Link) enkelt tillämpade regler för anslutning av automationskomponenter. Det är ett digitalt punkt-till-punkt-kommunikationsgränssnitt (SDCI) för att nätverksansluta små sensorer och styrdon som kallas fältenheter, eller sekundärer, till IO-Link-styrenheter, eller primärer, och vidare till resten av automationsinstallationen. En av fördelarna med IO-Link är att den möjliggör användning av vanlig oskärmad kabel (upp till 20 m lång med tre till fem kardeler) för dessa anslutningar.

Denna artikel förklarar mer i detalj de treIO-Link-funktioner som är nya i version 1.1:

• IO-Link 1.1 möjliggör säkerhetskopiering av data så att personalen på anläggningen kan spara och återanvända komponentparametrar
• IO-Link 1.1 kan processa databredder upp till 32 byte per port
• IO-Link 1.1 tillåter datahastigheter på 230,4 kbaud från IO-Link 1.1-primärer

Figur 1: IO-Link-kommunikation tillåter R.A JONES att närmare övervaka sensorer för prestanda och underhåll och att ändra parametrar via recept. Det säger chefsingenjören för innovation Nate Smith. Faktum är att IO-Link snabbt blir en ledande industristandard för kommunikation med fältenheter (sekundärer) inom automation. (Bildkälla: R.A JONES)

IO-Link 1.1 som parametertilldelningsserver

Styrintegrering av IO-Link-komponenter sker genom konfigurationsmjukvara som använder de standardiserade IOD-komponentbeskrivningsfiler (IODD) som är associerade med varje IO-Link-komponent. Dessa IODD-filer (som registrerar komponentens modell, funktionsintervall, data för att stödja diagnosfunktioner och symbol för visning på datorgränssnitt och grafikskärmar) är .xml-filer som levereras av komponenttillverkaren för att stödja IO-Link V1.0 och V1. 1 via sina egna webbplatser och ioddfinder.io-link.com.

Det som är nytt i IO-Link 1.1 är vissa IO-Link 1.1-primärers förmåga att lokalt lagra IODD-filer och tillhörande data - att tillhandahållaserverfunktioner för parametertilldelning för andra enheter i nätverket. Innan denna funktion fanns (och i äldre IO-Link-installationer) tvingades slutanvändare som behövde sätta i en ny enhet eller en utbytesenhet först att konfigurera enheten, vanligtvis genom att ansluta den till en dators USB-port och manuellt genomföra installationen via mjukvara.

Ytterligare en fördel med denna aspekt av 1.1 är hur slutanvändare nu (i många fall) kan byta ut jämförbara IO-Link edge-enheter från olika tillverkare under drift - vilket ger ett större tillgängligt urval av utbytbara enheter. Det är särskilt användbart vid nödutbyte av defekta eller skadade sensorer på produktionslinjer med hög volym.

Specifikationer för den högre kommunikationshastigheten för IO-Link 1.1

Den andra IO-Link-funktionen som är ny i 1.1 är COM3-kommunikationsläget med en hastighet som stödjer mer avancerade fältenhetsfunktioner. COM3 SDCI-kommunikationens datahastighet är specificerad att vara upp till 230,4 kbit/sek (här även 230,4 kbaud). Det betyder att den senaste IO-Link-iterationen (1.1.3) medför förbättringar som övervinner den sista kvarvarande invändningen mot IO-Link - att standarden har otillräcklig hastighet för modern automationsutrustning.

Mer specifikt kan 1.1.3 erbjuda cykeltider som stöder realtidskommunikation för cykliskt överförd processdata som beskrivs i den tidigare DigiKey-artikeln om detta ämne; även cykler på under 1 millisekund i vissa fall. Processdatan som sänds för realtidsbandbredd (i kB/sek) beror på tiden det tar för primären att begära ett meddelande från enheten, en fördröjning i kommunikationsriktningsomkopplingen, den tid det tar för fältenheten att svara och en ytterligare fördröjning i kommunikationsriktningsomkopplingen.

Det hjälper att förstå lite om bakgrunden till de fysiska microcontrollerkretsarna (i vissa fall fristående IC:ar) för att förstå hur IO-Link-komponenter utför dessa kommunikationsmoment. I primären och dess sekundära fältenheter finns kretsar som kallas kallas universella asynkrona sändtagare (UART) som paketerar eller ramar in data i paket för överföring. Dessa ramar är 11 bitar långa - med en bit som används för att kommunicera Start, 8 bitar (även kallad enoktett i IO-Link-specifikationer och officiell litteratur) som används för att bära faktisk processdata och ytterligare 2 för att kommunicera paritet och slut.

Figur 2:MAX14827AATG + frånMaxim Integrated är en strömsnål IO-Link-sändtagare med dubbla drivkretsar för integration i IO-Link-enheter. Ett 3-ledares UART-gränssnitt möjliggör IO-Link-anslutning till microcontrollerns UART, och ett multiplexerat UART/SPI möjliggör användning av ett seriellt microcontrollergränssnitt för delade UART- och SPI-funktioner. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Enligt Tabell 9 i specifikationerna i IO-Link-utgåva 1.1.3 från juni 2019, behövs ett IO-Link COM3-arrangemang på 4,34 µsek för att sända varje bit. Den tiden plus fördröjningarna mellan paketen i både primär och sekundär (upp till 4,34 µsek respektive det tredubbla) samt 4,34 µsek till 43,0 µsek för fördröjningen för kommunikationsriktningsomkopplaren, ger även i sämsta fall en dataöverföringshastighet under millisekunden vilket är tillräckligt för krävande industritillämpningar.

Den ännu okända storheten (som har kraftig realtidspåverkan på bandbredden) är vilken typ av meddelandesekvens som valts för IO-Link-nätverket. Olika sekvenstyper rymmer olika mängder icke-cyklisk eller on-demand-dataöverföring. Så för att uppskatta realtidsbandbredden för ett IO-Link-arrangemang, måste beräkningar ta hänsyn till både processdatan och den icke-cykliska datan som kan finnas i systemmeddelanden. Vissa typer definierar fasta process- och icke-cykliska oktettvärden on-demand medan andra tillåter leverantören eller användaren att ställa in processdataoktetter till mellan 1 och 32, och icke-cykliska dataoktetter till antingen 1, 2, 8 eller 32. Kort sagt har system som behöver flytta mindre data kortare cykeltider.

En analys av alla ovanstående faktorer ger realtidbandbredden - definierad av (endast) överförd processdata (i kbit) delat med total beräknad cykeltid i kbit/sek. Till exempel: med endast en icke-cyklisk dataoktett (för 1·8) och 32 processdataoktetter (för 32·8) är cykeltiden drygt ett par millisekunder och bandbredden överstiger 100 kbit/sek.

Alla nya IO-Link 1.1-primärer stöder COM3 och automationskomponenterna som utnyttjar denna datahastighet - och anpassar sig automatiskt till de hastigheter som de anslutna sekundärerna råkar använda. Faktum är att det är vanligt att fältenheter med olika cykeltider körs av en primär för att möjliggöra användning av sensorer och styrdon av olika grader av sofistikering, samt inkrementella konstruktionsuppgraderingar. Styrdon som använder en datahastighet på 230,4 kbaud för COM3 (vanligtvis med klass B-portarrangemang som täcks i nästa avsnitt i denna artikel) inkluderar såväl flytande effekt som elektromekaniska komponenter - inklusive pneumatiska ventiler, linjära cylindrar och grenrör samt små fältenheter baserade på stegmotorer. Sensorer som oftast använder COM3 inkluderarpositions- och förflyttningssensorer samt färg-, temperatur- och trycksensorer, vilka alla är vanliga sensortyper inom processtyrning. Vissa mekaniska brytare utnyttjar också detta COM3-kommunikationsläge.

Figur 3:Panasonics intelligenta HG-C1000L-sensorer använder COM3-anslutningarna på IO-Link för att stödja fjärrövervakning och rutiner för förebyggande underhåll. Inbyggd sensorlogik kan upptäcka normal-, fel-, varnings- och larmtillstånd. Dessa sensorer ger också ett sätt att snabbt och fjärrledes konfigurera sensorinställningar och funktioner när det behövs. (Bildkälla: Panasonic Industrial Automation Sales)

Fysiska anslutningar (inklusive dataportar) för IO-Link 1.1

Tänk nu på databredden för IO-Link - upp till 32 byte per port för processdata. Alla aktiverade portar på IO-Link-primärer är inställda på att hantera digitala ut- och insignaler eller köras som en IO-Link-punkt med hjälp av en UART i halv-duplexläge (så att databitar skickas och tas emot i 1-bitssekvenser). En typisk IO-Link-primär med 4 eller 8 portar, kan anslutas direkt till flera fältenheter eller fungera som en mellanhub - och överföringskapacieteten beror på denna primär. Anslutningar till en typisk IO-Link-fältenhet inkluderar matningsledare L+ och M samt C/Q₁-ledare, där den senare bär både processdata och data för parametrering, konfiguration och diagnostik.

Figur 4: Med intelligenta sensorer som denna SICK-trycksensor med IO-Link (tillåter anslutningar via en M12 med 4 eller 5 stift) kan man undvika driftstopp och fel i samband med manuell omprogrammering. Det beror på att de tillåter parametriska redigeringar och omkonfigurering via maskinens PLC. Lägg märke till anslutningarna av L+ och M samt C/Q₁ till IO-Link-kontakten. (Bildkälla:SICK )

Något komplicerande är här att IO-Link-specifikationerna tillåter både klass A- och klass B-portar på primären och sekundären. Klass-A-portar enligt definitionen i IEC 60947-5-2 ska inte förväxlas med A-kodade M12-kontakter enligt definitionen i IEC 61076-2-101. Läs mer om de jättevanliga M12-kontakterna i IO-Link-sammanhang i DigiKey-artikeln “Grunden för IO-Link”. Kort sagt, IO-Link-kontaktstiften 2 och 5 används ibland (och den användningen varierar) medan stiften 1, 3 och 4 alltid används (med användning som endast varierar för den senare). Klass A-arrangemang (baserade på 4 stifts M5-, M8- eller M12-kontakter) möjliggör fler I/O-varianter och till och med högströmsutgång för att driva styrdon. Däremot är klass B-arrangemang alltid M12-anslutningar med 5 stift.

Oavsett klass finns honkontaktuttagen på primären och hankontaktstiften på sekundär-fältenheten.

32 byte per port för processdata är bara ett maximum som används för de mest avancerade IO-Link-anslutna sensorerna och styrdonen; i själva verket kan databredden för en mycket enkel IO-Link-sekundär, såsom en switch, vara endast en bit. Om den inställda databredden är otillräcklig för tillämpningen, tillåter vissa IO-Link-primärer fragmenterad processdataöverföring. Andra expansionsmöjligheter för datakapacitet med IO-Link inkluderar flera användningar av pin-4-ledarna för dubbelriktad IO-Link och switchad kommunikation, samt dubbelkanalig dataöverföring som körs parallellt med IO-Link-data på stift 4. För den senare kan pin-2-ledaren bära enhetsspecifika I/O- eller omkopplingssignaler (ofta men inte alltid associerade med statusövervakning) och frigöra IO-Link-kanalen för att bära kompletterande signaler. Sådan dubbelkanalig IO-Link-dataöverföring möjliggör realtidskommunikation utan de fördröjningar som medförs av fjärrplacerade PLC:er (inklusive cykeltider) som i sin tur stödjer tillämpningar som kräver snabb analys av och svar på maskin- eller enhetsförhållanden.

Slutsats

De tre IO-Link-funktionerna som är nya för version 1.1 inkluderar säkerhetskopiering av data (för att spara och återanvända enhetsparametrar), förmåga att processa databredder upp till 32 byte per port och 230,4 kbaud dataöverföringshastighet från primärer. Dessa funktioner har påskyndat användningen av IO-Link 1.1 för industriell automation.