Använd IO-Link för ökad flexibilitet, tillgänglighet och effektivitet i fabriker med Industry 4.0

För att stödja den datainsamling och analys som är utmärkande för Industry 4.0 krävs ofta linje- och processförändringar som inkluderar att lägga till, ta bort eller programmera om digitala givare, ställdon, indikatorer och andra enheter. Detta kan vara svårt att på ett effektivt sätt implementera i äldre protokoll för automationsnätverk med dess olika egenskaper. Installationer med Industry 4.0 behöver ytterligare ett lager av anslutningar och flexibilitet mellan de installerade nätverken och den växande mängden av lokala givare, ställdon och indikatorer.

För att hantera dessa utmaningar har IO-Link utvecklats som en öppen standard som kan ansluta signaler från enheter såsom givare, ställdon och indikatorer till nätverk på högre nivåer som t.ex. Ethernet IP, Modbus TCP/IP och PROFINET och därifrån till programmerbara logikstyrenheter (PLC), HMI-enheter (human-machine interface), SCADA-system (supervisory control and data acquisition) samt till molnet. Serieanslutningen IO-Link är standardiserad enligt IEC 61131-9 med enkla, oskärmade standardkablar med tre eller fem ledare som definieras enligt IEC 60974-5-2. Konstruktörer av automationssystem kommer att upptäcka att IO-Link är särskilt lämpat för att stödja snabb driftsättning och fjärrkonfiguration, övervakning och diagnostik av anslutna enheter vilket krävs för fabriker med Industry 4.0.

Artikeln nedan beskriver funktionerna och fördelarna med IO-Link samt strukturen och driften av IO-Link-nätverk, inklusive användningen av olika typer av IO-Link-enheter för att konstruera lokala nätverk av givare, ställdon och indikatorer för att stödja Industry 4.0. Den presenterar verkliga exempel på IO-Link-masterhubbar och enheter för datakonvertering från Banner Engineering vilka kan användas av konstruktörer för att effektivt distribuera mängder av kantenheter med Industry 4.0.

Var passar IO-Link in?

IO-Link tillhandahåller ett nätverk på lägre nivå som samlar in data från utspridda givare, ställdon och indikatorer, ansluter till omvandlare som konverterar data till formatet för IO-Link och som sedan, efter behov, distribuerar dem till IO-Link-hubbar eller masterenheter för anslutning till högre fabriksnätverk som t.ex. Ethernet, Modbus och PROFINET (Figur 1).

Figur 1: IO-Link är en komplett lösning för anslutning av både äldre och andra givare, ställdon och enheter (vänster) till befintlig SCADA, HMI och moln (höger) i nätverk med Industry 4.0. (Bildkälla: Banner Engineering)

IO-Links viktigaste egenskaper är bland annat följande:

• Öppen standard
• Stödjer snabb integration, konfiguration och driftsättning av lokala enheter för att påskynda omställningar och möjliggöra ökad flexibilitet med minimalt behov av praktisk support från tekniker
• Kompatibilitet med befintliga automationsnätverk
• Robust tvåvägskommunikation som kan vara antingen synkron eller asynkron för att maximera effektiviteten i kommunikationen
• Stöd för fjärrdiagnostik ner på enhetsnivå
• Kapacitet att dynamiskt ändra parametrar för givare eller ställdon för att påskynda optimering av process
• Integrerad identifiering av enhet och automatisk omfördelning av parametrar för att maximera tillgängligheten

Så här ansluter du enheter med IO-Link

Enheterna i ett IO-Link-nätverk ansluts med oskärmade kablar med tre eller fem ledare som kan vara upp till 20 m långa. IEC 60947-5-2 definierar fördelningen av master- och enhetsstift. Hankontakter tilldelas enheten och honkontakter används till masterenheten. Anslutningarna kan vara av modellen M5, M8 eller M12 med upp till fem stift. Mellan masterenhetens stift1 och 3 levereras 24 VDC med upp till 200 mA för att fungera som en valbar strömförsörjning för enheter. Stift 4 definieras som en digital ingång (DI) eller digital utgång (DO) baserat på IEC 61131-2 och stöd finns för bakåtkompatibilitet med äldre enheter enligt IEC60947-5-2.

Det finns två klassificeringar av master-portar; A och B. för portar med klass A är stift 2 och 5 inte anslutna (NC) och i portar med klass B kan stiften konfigureras som DI, DO, inte anslutna (NC) eller så kan de tillhandahålla en extra strömförsörjning. I de flesta industriella installationer används snabbkopplingskontakter av typen M12. En sammanfattning av fördelningen av stift enligt IEC 60974-5 visas i figur 2:

• Stift 1: +24 VDC, max 200 mA (L+)
• Stift 2: Digital I/O (endast PNP)
• Stift 3: 0 V (L-)
• Stift 4: Digital I/O (NPN, PNP eller drag/tryck) och IO-Link-kommunikation
• Stift 5: Centrumstift NC (valfri)

Figur 2: IO-Link är en enkel lösning för att tillhandahålla strömförsörjning och dataanslutning till kantenheter som t.ex. givare och ställdon. (Bildkälla: Banner Engineering)

Varför IO-Link?

IO-Link bidrar till betydande prestandaförbättringar i nätverk med Industry 4.0 genom enkel installation eller utbyte av enheter med standardiserat, tillförlitligt och billigt kablage. Dessutom är den utformad för att förenkla integrationen av isolerade givare i befintliga nätverk. Fördelarna med IO-Link är bl.a att:

Tillgången till data möjliggörs med IO-Link för att ansluta isolerade enheter och öar av automation till ett enhetligt nätverk. Givardata inte alltid är tillgängligt eller lätt att samla in. Med IO-Link blir det enkelt att samla in data och den kan vara tillgänglig i realtid för att optimera processer och stödja proaktivt underhåll av maskiner och givare. IO-Link stöder tre primära datatyper som ytterligare kan kategoriseras som antingen cykliska data, som överförs automatiskt enligt ett regelbundet schema, eller acykliska data, som överförs på begäran eller efter behov:

• Processdata: Detta avser information som t.ex. avläsningar av givare som enheten överför till masterenheten samt information från masterenheten för att styra enhetens drift, som t.ex. specifika segment i en belysningsarmatur i ett torn. Processdata kan vara cykliska eller acykliska.
• Servicedata: Innehåller information om enheten och kallas ibland enhetsdata. Servicedata inkluderar enhetens parametervärden, enhetsbeskrivning samt modell- och serienummer. Den är acyklisk och kan läsas från eller skrivas till en enhet efter behov.
• Händelsedata: Omfattar felhantering och inkluderar felmeddelanden som t.ex. att parameterinställningar har överskridits eller underhållsvarningar som t.ex. en smutsig lins på en bildsensor. De sänds acykliskt närhelst en utlösande händelse inträffar.

Fjärrkonfiguration ger nätverksoperatörer och tekniker möjlighet att med hjälp av programvara avläsa och ändra enhetsparametrar utan att fysiskt behöva gå in i varje enskild enhet. Givarnas parametrar kan ändras dynamiskt efter behov för att förfina befintliga processer, påskynda produkt- och processförändringar, stödja massanpassning och minimera stilleståndstider för maskiner och linjer.

Förenklat utbyte av enheter möjliggörs av möjligheten att fjärrkonfigurera enheter. Funktionen Auto Device Replacement (ADR) i IO-Link kan tillhandahålla automatiska justeringar av parametrar och omfördelning av utbytta enheter. Med ADR kan nätverksoperatörerna importera befintliga parametervärden till en utbytesenhet eller uppdatera parametrarna efter behov för att säkerställa snabba och korrekta nätverksmodifieringar och underhåll.

Utökad diagnostik drar nytta av de cykliska och acykliska kommunikationsmöjligheterna hos IO-Link för att ge nätverksoperatörer omfattande information om driftstatus för varje enhet i fabriken. Möjligheten att fjärrdiagnostisera enhetens funktion kan påskynda identifieringen av enheter som håller på att försämras eller som agerar utanför specifikationerna. Detta möjliggör en mer effektiv schemaläggning av underhåll eller byte av enheter.

Standardiserad och enkel kabeldragning är en viktig egenskap hos IO-Link. Till skillnad från andra nätverksprotokoll ansluts IO-Link-enheter, -omvandlare, -hubbar och -masterenheter med enkla och billiga oskärmade kablar samt med snabbkopplingskontakter. Arkitekturen med master-slav hos IO-Link förenklar kabeldragningen ytterligare och eliminerar problem med nätverkskonfiguration.

Att komma igång: IO-Link master/styrenhet

Konstruktörer av automationssystem som lägger till eller utökar användningen av IO-Link kan börja med att välja en IO-Link-master (eller styrenhet), som t.ex. DXMR90-4K från Banner Engineering, som konsoliderar data från flera olika källor, tillhandahåller lokal databehandling och möjliggör anslutning till nätverket på högre nivå (figur 3).

Figur 3: IO-Link-masterenhet DXMR90-4K kan kombinera data från fyra lokala källor och ansluta till ett nätverk på högre nivå. (Bildkälla: Banner Engineering)

De fyra portarna i DXMR90-4K stödjer samtidig kommunikation med upp till fyra IO-Link-enheter. Den stödjer datainsamling, kantbearbetning och protokollkonvertering för anslutning till industriellt Ethernet eller Modbus/TCP samt kan överföra data till webbservrar. Andra egenskaper hos DXMR90-4K är:

• Kompakt och lätt kapsling som sparar utrymme och förenklar driftsättning
• IP67-klassning vilket eliminerar behovet av ett separat styrskåp som i sin tur bidrar till minskade installationskostnader
• Underlättar konsoliderade kabeldragningar som minimerar kablarnas komplexitet och vikt vilket kan vara särskilt viktigt i tillämpningar med robotteknik
• Utbyggbar intern logikstyrning med hjälp av åtgärdsregler och programmering med ScriptBasic som stödjer hög flexibilitet

För enklare installationer kan konstruktörer använda sig av enheter som R45C-2K-MQ, en IO-Link Master med två portar för anslutning mot Modbus.

IO-Link-hubbar

När flertalet givare eller ställdon behöver anslutas till en enda Master IO kan konstruktörer använda en IO-Link-hubb för att samla ihop givar- och ställdonssignaler och överföra dem till en IO-Link-master via en enda kabel. Som exempel har R90C-4B21-KQ fyra ingångsportar och ansluts till masterenheten med standardkontakt M12 (figur 4). Det är en kompakt omvandlare från bimodal (PNP eller NPN) till IO-Link som ansluter diskreta ingångar och skickar värdet till en IO-Link-Master. Den har följande egenskaper:

• Fördröjningslägen som inkluderar PÅ/AV-fördröjning, PÅ/AV/återutlösningsbar engångstillslag, PÅ/AV, pulssträckare och totalisator
• Mätvärden inkluderar antal, händelser per minut och varaktighet
• Diskret spegling gör att signalerna (in och ut) kan speglas till vilken som helst av de fyra portarna
• Diskreta in-och utgångar (I/O) kan konfigureras oberoende av varandra som NPN eller PNP
• Robust, övergjuten IP68-klassad konstruktion

Bild 4: Hubben R90C-4B21-KQ kan konsolidera kommunikationen från fyra enheter och ansluta dem till en IO-Link-masterenhet. (Bildkälla: Banner Engineering)

Signalomvandlare för IO-Link

Olika typer av omvandlare finns tillgängliga för IO-Link-nätverk för att ansluta givare och andra enheter som kan använda en rad olika signaltyper, som t.ex. diskreta PNP- eller NPN-signaler, analoga signaler på 0 till 10 VDC och transducers för ström. Exempel på signalomvandlare för IO-Link är t.ex:

• R45C-K-IIQ, omvandlare för IO-Link till analog ström in eller ut (figur 5)
• R45C-K-UUQ, omvandlare för analog spänning in eller ut
• R45C-K-IQ, omvandlare för analog ström ut
• R45C-K-UQ, omvandlare för analog spänning ut

Figur 5: IO-Link-omvandlaren R45C-K-IIQ kan ansluta en masterenhet till lokala enheter med hjälp av analoga in- och utgångar. (Bildkälla: Banner Engineering)

Det finns även inline-omvandlare för IO-Link som är ungefär lika stora som ett AA-batteri. Omvandlarna kan hantera olika signaltyper och konvertera dem till IO-Link, Modbus eller andra protokoll. S15C-I-KQ är till exempel en omvandlare för analog ström till IO-Link som ansluts till en strömkälla på mellan 4 och 20 mA och matar ut värdet till en IO-Link-master. Den lilla storleken på omvandlarna gör det enkelt att lägga till äldre givare till nätverk med standardprotokoll för process- eller miljöövervakning. IP68-klassningen gör att de i stor utsträckning kan användas i industriella miljöer.

Sammanfattning

IO-Link ger de anslutningsmöjligheter som behövs för att samla in den data som krävs för att optimera prestandan i fabriker med Industry 4.0 genom att ansluta äldre och andra kantenheter till det huvudsakliga nätverket med Ethernet IP, Modbus TCP/IP eller PROFINET. Den stödjer höga nivåer av datatillgänglighet, utökad diagnostik, fjärrkonfiguration och förenklat byte av enheter vilket påskyndar process- och linjeändringar med anslutningar som är standardiserade enligt IEC 61131-9, detta med enkla oskärmade standardkablar med tre eller fem ledare som definieras i IEC 60974-5-2.

Rekommenderad läsning

1. Hur man utformar ett modulärt överlagrat nätverk för optimering av databehandling inom IIoT för Industry 4.0
2. Hur man säkerställer signalintegriteten för Gigabit Ethernet i industriella automationsinstallationer med långa avstånd