Användning av IO-Link i industriella tillämpningar

I och med framväxten av den fjärde industriella revolutionen och Industry 4.0 har omfattande och intelligent automation kommit att definieras av avancerade styrenheter, övervakning och diagnostik. Sådana funktioner är endast möjliga genom industriella anslutningar - genom vilka styrenheter och maskinutrustning förenas i en plattform (som t.ex. IO-Link) för kontinuerligt datautbyte.

Figur 1: IO-Link kompletterar befintliga nätverksprotokoll genom att det enkelt kan integreras i fältbuss- eller Ethernet-nätverk via en primär IO-Link. Anslutningen mellan en primär IO-Link och dess IO-Link-enheter sker genom oskärmad och oövervakad tre- eller femtrådig kabel som även kan strömförsörja IO-Link-enheterna. Här, kommer 24 V DC strömförsörjningen från den primära enheten. (Bildkälla: Pepperl+Fuchs)

Den viktigaste tekniken som ligger till grund för industriella anslutningar är standardiserade nätverk och enheter med inbyggda kommunikationsfunktioner. Det finns många protokoll för dessa funktioner. Det är dock inte alla industriprotokoll som uppfyller de krav på datautbyte och intelligens som dagens automation kräver. IO-Link skapades för att tillgodose ett stort antal av dessa moderna tillämpningar.

Som vi har beskrivit i en tidigare artikel på digikey.com är IO-Link ett kabelanslutet protokoll för punkt till punkt-kommunikation som underlättar smart dubbelriktad datakommunikation mellan enheter. Vanligtvis har primära IO-Link (lokala styrenheter) flera portar för IO-Link (kanaler) som olika IO-Link-enheter kan anslutas till oberoende av varandra. Det är dessa anslutningar från nod till nod som gör IO-Link till ett kommunikationsprotokoll för punkt till punkt-kommunikation.

IO-Link lanserades 2009 av ett konsortium med 41 medlemmar som numera har hundratals medlemmar och har blivit ett allmänt accepterat kommunikationsprotokoll för att använda information som är viktig för:

• Optimering av verksamheter
• Minskning av stilleståndstid och effektivisering av underhåll
• Minskning av råvarukostnader och för att fatta strategiska operativa beslut.

Det harmoniserade gränssnittet IO-Link definieras i standarden IEC 61131-9 och stöds av Siemens, Omron Corp., ifm Efector, Balluff, Cinch Connectivity, Banner Engineering, Rockwell Automation, SICK, Pepperl+Fuchs och ett dussintals andra komponent- och systemtillverkare. Det är inte konstigt att anslutningar med IO-Link i stor utsträckning används i verksamheter som omfattar monteringsautomation, verktygsmaskiner och intralogistik. De tre huvudsakliga användningsområdena i dessa och andra industriella miljöer är statuskommunikation, maskinstyrning och att göra enheter intelligenta.

Styrningslägena i IO-Link är relaterade till användningsområdena

Figur 2: Den typ av kontakt som används med anslutningskabeln beror på typen av port. Klass A-portar på primära IO-Link använder kontaktdonen M8 eller M12 (som AL1120 från ifm efector som visas här) med upp till fyra stift, medan klass B-portar använder kontaktdonen M12 med fem stift (för dubbelriktad datakommunikation). Det läge som tilldelas en primär port vid en viss tidpunkt bestäms av den enhet som den är ansluten till och den aktuella användningen. (Bildkälla: ifm Efector)

Om du kommer ihåg det från tidigare artiklar på digikey.com så ser kommunikationsprotokollet IO-Link till att varje anslutningsport på en primär IO-Link-enhet (styrning) kan användas i fyra kommunikationslägen. Dessa inkluderar ett helt inaktiverat läge samt driftlägen för IO-Link, digital ingång (DI) och digital utgång (DQ). Lägena relaterar löst till de tre huvudsakliga användningsområdena för IO-Link som anges ovan.

Driftläget IO-Link har stöd för dubbelriktad datakommunikation med fältenheter och används vanligtvis vid datainsamling för övervakning, testning och diagnostik. En primär port i DI-läge tar emot digitala ingångar och fungerar när porten är ansluten till givare - i det här fallet fungerar de som ingångsenheter. En port i DQ-läge fungerar däremot som en digital utgång, vanligtvis när porten är ansluten till ett ställdon (i det här fallet, i praktiken en utgångsenhet) eller när en system-PLC är konfigurerad för att skicka instruktioner direkt till en annan enhet med IO-Link.

Även om det ligger utanför artikelns ramar, så är det värt att notera att portarna på en primär IO-Link lätt kan växla mellan olika lägen. Till exempel kan en primär port som är ansluten till en givare köras i DI-läge - och sedan växla till kommunikationsläget IO-Link när diagnostik- och övervakningsdata från givaren begärs av den primära enheten.

Tillämpning med IO-Link 1 av 3: kommunikation av status för åtgärd

Figur 3: IO-Link underlättar skapandet av mycket avancerade styr- och automationssystem. Verktygsindustrin använder enorma mängder givare med IO-Link för att verifiera att arbetsstycken är korrekt fastsatta och att tryck och positioner för ändverktygen stämmer. (Bildkälla: Getty Images)

Maskinövervakning är möjligt med IO-Link-enheter som är konfigurerade för att rapportera status som i sin tur kan informera systemet om nödvändiga justeringar och korrigeringar. Tänk på ett användningsområde inom verktygsindustrin - Tryckgivare med IO-Link som kontrollerar att arbetsstycken är fastspända med ett tryck som är lämpligt för att hålla fast dem ordentligt utan skador vid borttagning av material. Här stöder givarna med IO-Link i huvudsak optimeringen av maskinens uppgifter för att få färre avvisade arbetsstycken.

Enheter med IO-Link kan även hantera statuskommunikation för åtgärder som kan användas för att stödja förbättrade underhållsrutiner för att minimera stilleståndstid. Positionsgivare med IO-Link på en monteringsmaskin kan exempelvis kontinuerligt rapportera placeringen av ändmekanismerna för att säkerställa att ingen av dem är utanför räckvidden eller feljusterad.

Genom att analysera diagnostikdata från enheter med IO-Link kan anläggningens maskintekniker förutse och korrigera fel och potentiella haverier innan de inträffar. Teknikerna kan även identifiera svaga länkar i en maskin eller anläggning - för att kunna informera om operativa förändringar på företagsnivå, inköpsbeslut och framtida konstruktioner av maskiner för egen räkning.

Tillämpning med IO-Link 2 av 3: avancerade styr- och automationssystem

Figur 4: Ett avancerat styrsystem med IO-Link innefattar en primär IO-Link (styrenhet), som t.ex. Omron NX-ILM400 som visas här, och olika givare med IO-Link, strömförsörjningsenheter och mekatroniska enheter som är anslutna till den primära enheten. System med IO-Link för sådana tillämpningar kopplar vanligtvis samman den primära IO-Link-enheten och enheterna till en PLC eller något annat automationssystem. (Bildkälla: Omron)

Styrning och automatisering är andra tillämpningsfunktioner som stöds av IO-Link. När en installation med IO-Link har stöd för funktioner som körs utan ingripande av personal, ansluter ofta den primära IO-Link-enheten till ett värdsystem eller en PLC på högre nivå som bearbetar mottagna data och sedan direkt eller indirekt styr ställdon i konstruktionen till lämpliga samordnade reaktioner. Sådan automatiserad styrning kräver att IO-Link-systemet ansluts till en styrenhet på högre nivå via standardiserade fältbuss- eller Ethernet-protokoll och kablage. Faktum är att de flesta primära IO-Link-enheter har fältbuss- eller Ethernet-portar för sådana anslutningar.

Enheter i avancerade styrtillämpningar som innehåller IO-Link-system integreras på något av tre sätt:

• De ansluts direkt till värddatorn eller PLC:n.
• De ansluts till en primär IO-Link-enhet och kommunicerar via protokollet IO-Link.
• De använder kommunikation som är kompatibel med IO-Link och ansluts till en primär IO-Link-enhet via en hubb för IO-Link.

Den senare fungerar i huvudsak som en mellanhand för att ansluta enheter som inte är IO-Link-enheter till den primära enheten.

En ytterligare fördel med IO-Link-system som har anslutningar för fältbuss- och Ethernet-kommunikation, är att de går att ansluta på långa avstånd, vilket i sin tur gör det möjligt för installatörer att placera de primära IO-Link-enheterna i ett styrskåp eller vid de yttersta maskinerna om det är det vettigaste för en viss tillämpning.

Överväg hur primära IO-Link-enheter kan ge fördelar vid avancerade monteringstillämpningar genom att fungera som styrenheter på låg nivå som kan bearbeta både digitala och analoga signaler. Här kan primärenheterna:

• Ta emot information som skapas av linjära kodare med IO-Link längs axlarna i en XY-konfiguration.
• Behandla informationen som en gateway
• Skicka den bearbetade informationen från fältenheten med IO-Link till PLC:n eller någon annan enhet för systemstyrning.

Tillämpning med IO-Link 3 av 3: enheters intelligens

Figur 5: Gränssnittet för anslutning med IO-Link är mycket litet och får plats i de flesta kompakta fältenheter. Här visas proximitetssensorn Balluff BUS004Z med anslutning för IO-Link. (Bildkälla: Balluff)

Den tredje tillämpningen för IO-Link är att göra enheterna smarta. Dessa enheter med IO-Link, som är särskilt vanliga i givarkonstruktioner som liknar äldre givaralternativ utan (eller med blygsam) programmering, kan ta emot instruktioner, övervaka och utföra rutiner för självtestning - och generera information. Eftersom IO-Link även gör det möjligt för enheterna att tillhandahålla mer än grundläggande information med två värden (ja-nej eller godkänt-underkänt) är det också möjligt att rapportera exakta värden. Uppgifter inom processautomatisering drar exempelvis nytta av temperaturgivare med IO-Link som gör mer än att bara rapportera hög eller låg temperaturstatus, genom att kontinuerligt rapportera det exakta temperaturvärdet för en övervakad zon eller volym.

En annan fördel med IO-Link i smarta fältenheter är att de fysiska anslutningarna är kompakta. Detta i motsats till de fysiska anslutningarna för fältbuss- och Ethernet-gränssnitt, som ibland kan vara för stora för att passa på mikroenheter i fält.

Smarta komponenter med IO-Link kan även styras noggrant. Istället för grundläggande av- och på-styrning kan man t.ex. beordra ett ställdon att stängas när ett scenario uppfyller en uppsättning villkor.

Inmatningsenheter som tryckknappsomkopplare från RAFIkan utnyttja funktioner i IO-Link för att stödja funktioner i smarta enheter - inklusive färgkodade indikeringslampor.

Det finns vissa förbehåll vid användning av IO-Link i smarta enheter. Även om en trådlös form av IO-Link är under utveckling, så är det fortfarande ett kommunikationsprotokoll för kabelanslutning - så det är fortfarande föremål för alla de begränsningar som finns med kabelanslutningar. För att bibehålla dataintegriteten får kablaget mellan den primära IO-Link-enheten och övriga enheter inte vara längre än 20 m. Eftersom protokollet IO-Link endast kan överföra upp till 32 byte data per cykel, är det dessutom otillräckligt för användning med fältenheter såsom kameror, som kan generera många MB data per minut.

Sammanfattning

System med IO-Link kan i stor utsträckning användas för att komplettera befintliga protokoll som ligger till grund för praktiskt taget obegränsade styr- och datainsamlingssystem. Enkelheten i system med IO-Link - som består av endast en primär IO-Link-enhet och dess enheter och deras anslutna tre- eller femtrådiga kablar - har bidragit till att de har blivit så populära. Plug-and-play-installation och kostnadseffektivitet är andra fördelar med IO-Link.

Konsortiet med medlemsföretag bakom IO-Link har genom sitt arbete säkerställt en bred kompatibilitet mellan styrenheter, enheter och ställdon från olika tillverkare, vilket har gett konstruktörerna det bredaste urvalet av utrustning för deras specifika användningsområden.