Użycie technologii IO-Link zwiększa elastyczność, dostępność i sprawność w fabrykach Przemysłu 4.0

Wspomaganie gromadzenia i analizy danych, czyli procesów specyficznych dla Przemysłu 4.0, może często wymagać modyfikacji w liniach i procesach, takich jak dodawanie, usuwanie lub przeprogramowywanie czujników cyfrowych, aktuatorów, wskaźników i innych urządzeń. Skuteczna realizacja takich działań może być trudna w starszych protokołach sieci automatyki o różnych charakterystykach. Instalacje Przemysłu 4.0 potrzebują kolejnej warstwy łączności i elastyczności między zainstalowanymi sieciami a rosnącą masą lokalizacyjnych czujników, aktuatorów i wskaźników.

Aby sprostać tym wyzwaniom, opracowano otwarty standard IO-Link, który jest w stanie łączyć sygnały z urządzeń takich jak czujniki, aktuatory i wskaźniki z sieciami wyższego szczebla, takimi jak Ethernet IP, Modbus TCP/IP i PROFINET, a stamtąd z programowalnymi sterownikami logicznymi (PLC), urządzeniami interfejsów człowiek-maszyna (HMI), systemami kontroli nadzorczej i akwizycji danych (SCADA) oraz z chmurą. Łączność szeregowa IO-Link została standaryzowana w normie IEC 61131-9 i jest realizowana przy pomocy prostych, nieekranowanych kabli trój- lub wieloprzewodowych, zdefiniowanych w normie IEC 60974-5-2. Technologia IO-Link będzie szczególnie odpowiednia dla projektantów systemów automatyki do szybkiego wdrażania, zdalnej konfiguracji, monitorowania i diagnostyki podłączonych urządzeń niezbędnych w fabrykach Przemysłu 4.0.

W niniejszym artykule dokonano przeglądu możliwości i korzyści technologii IO-Link oraz przeanalizowano strukturę i działanie sieci IO-Link, w tym wykorzystanie różnych rodzajów urządzeń z technologią IO-Link do budowy lokalnych sieci czujników, aktuatorów i wskaźników wspierających Przemysł 4.0. Zaprezentowano rzeczywiste przykłady koncentratorów, konwerterów danych oraz urządzeń głównych IO-Link firmy Banner Engineering, których projektanci mogą używać do efektywnego i masowego wdrażania urządzeń brzegowych dla Przemysłu 4.0.

Jakie zastosowania ma technologia IO-link?

Technologia IO-Link służy do budowania sieci niższego poziomu, która rejestruje dane z rozproszonych czujników, aktuatorów i wskaźników, łączy się z konwerterami, które przekształcają dane w format IO-Link, a następnie rozprowadza je do koncentratora lub urządzeń głównych IO-Link, które są niezbędne do podłączenia do sieci fabrycznych wyższego poziomu, takich jak Ethernet, Modbus i PROFINET (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Technologia IO-Link stanowi kompletne rozwiązanie do łączenia m.in. starszych czujników, aktuatorów i urządzeń (po lewej) z istniejącymi systemami kontroli nadzorczej i akwizycji danych (SCADA), interfejsami człowiek-maszyna (HMI) oraz chmurą (po prawej) w sieciach Przemysłu 4.0. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Kluczowe atrybuty technologii IO-Link:

• Otwarty standard
• Umożliwia szybką integrację, konfigurację i rozruch technologiczny lokalnych urządzeń w celu przyspieszenia procesów przezbrajania oraz zwiększenia elastyczności przy minimalnym angażowaniu techników
• Zgodność z istniejącymi sieciami automatyki
• Solidna dwukierunkowa komunikacja synchroniczna lub asynchroniczna, umożliwiająca zmaksymalizowanie sprawności komunikacji
• Zdalna pomoc diagnostyczna nawet na poziomie urządzeń
• Możliwość dynamicznej zmiany parametrów czujnika lub aktuatora w celu przyspieszenia optymalizacji procesu
• Zintegrowana identyfikacja urządzenia i automatyczne zmiany przydziału parametrów w celu zmaksymalizowania dostępności

Sposób podłączania urządzeń IO-Link

Urządzenia w sieci IO-Link są podłączane za pomocą nieekranowanych kabli o długości do 20m z trzema lub pięcioma żyłami. W normie IEC 60947-5-2 zdefiniowano przypisania wtyków urządzenia głównego i urządzeń podrzędnych. Złącza męskie są przypisane do urządzenia podrzędnego, a złącza żeńskie do głównego. Złącza mogą być typu M5, M8 lub M12 z maksymalnie pięcioma wtykami. W urządzeniu głównym na wtykach 1 i 3 dostarczany jest prąd stały o napięciu 24V i maksymalnym natężeniu 200mA, który stanowi opcjonalne zasilanie dla urządzeń podrzędnych. Na podstawie normy IEC 61131-2 wtyk 4 definiuje się jako wejście cyfrowe (DI) lub wyjście cyfrowe (DO), z kolei zgodnie z normą IEC60947-5-2 zapewnia on wsteczną kompatybilność z urządzeniami starszego typu.

Istnieją dwie klasy portów urządzeń głównych: A i B. W portach klasy A wtyki 2 i 5 są niepodłączone (NC), a w portach klasy B te wtyki można skonfigurować jako cyfrowe wejścia (DI), cyfrowe wyjścia (DO), wtyki niepodłączone (NC) lub jako dodatkowe zasilanie. W większości instalacji przemysłowych stosowane są szybkozłącza M12. Podsumowanie przypisań wtyków zgodnie z normą IEC 60974-5 przedstawiono na ilustracji 2:

Ilustracja 2: technologia IO-Link to proste rozwiązanie zapewniające zasilanie i wymianę danych z urządzeniami brzegowymi, takimi jak czujniki i aktuatory. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

• Wtyk 1: +24V=, maks. 200mA (L+)
• Wtyk 2: wejście-wyjście cyfrowe (tylko PNP)
• Wtyk 3: 0V (L-)
• Wtyk 4: wejście-wyjście cyfrowe (NPN, PNP lub push-pull) i komunikacja IO-Link
• Wtyk 5: wtyk środkowy niepodłączony (opcjonalnie)