Rozhraní IO-Link nezávislé na výrobci pro inteligentní automatizaci procesů

Průmysl 4.0 je spojením informačních technologií (IT) a telekomunikačních technologií do ITC. Je založena na propojení senzorů, akčních členů a zpracování dat za účelem komplexní komunikace až na úroveň provozních zařízení. Vize Průmyslu 4.0 zahrnuje digitalizaci, automatizaci a propojení všech aplikací pro řízení celkového procesu pro všechny funkce, oblasti a segmenty výrobního průmyslu až po hospodářskou činnost. Tato transformace je vyvolána především rostoucími požadavky zákazníků a potřebou výrobních podniků být schopny plnit stále rychlejší, dynamičtější a individualizovanější přání zákazníků. To vyžaduje přechod od rigidních, centralizovaných systémů řízení výroby k decentralizované inteligenci až na úroveň provozních zařízení.

Zavedením Průmyslu 4.0 do výrobních procesů má být dosaženo adaptivní výroby a optimalizace jednotlivých procesů v reálném čase. Materiály a komponenty by měly být vybírány samostatně v souladu s definovanými výrobními a procesními technologiemi a mělo by být možné je v reálném čase přizpůsobovat a přenastavovat v souladu s heslem "Výrobek řídí systém". Přínosem je vyšší efektivita a flexibilita díky rychlejší reakci na větší počet variant, kratší výměnné cykly u složitých výrobků, výroba různých sérií nebo jednotlivých výrobků se stejným systémem, individualizované výrobky na míru zákazníkům a výroba malých a velmi malých sérií při konkurenceschopných nákladech.

Průmysl 4.0 se odklání od konceptu preventivní údržby a servisu systémů směrem k předvídatelné diagnostice a údržbě na dálku, a to i přes hranice závodů a lokalit. To vše vyžaduje přístup k propojeným inteligentním zdrojům dat, jako jsou senzory nebo akční členy.

Jedním z nedostatků Průmyslu 4.0 je častá absence standardizace a nepřesná definice tohoto pojmu. Mezisystémová konzistence, a tedy i globální použitelnost vyžaduje standardizovaný rámec pro technologie, systémy a procesy založený na mezinárodních normách a standardech. Kromě toho je zásadní standardizace principů strukturování, rozhraní a datových formátů.

Předchozí síťové a sběrnicové systémy byly vyvinuty předními výrobci PLC, které podporují specifickou systémovou technologii a jsou optimálně přizpůsobeny jejich programovacím a konfiguračním nástrojům. Na trhu existuje několik konkurenčních systémů, jako jsou Profibus/ProfiNet (Siemens), DeviceNet a ControlNet (Rockwell Automation), Modbus a CANopen (Schneider Electric), Interbus (Phoenix Contact) nebo CC-Link (Mitsubishi Electric). Typ použitého PLC určuje, která sběrnice se použije. Existují významné technické rozdíly v délce kabelu, počtu datových bitů a rozsahu funkcí. Další funkce, jako je diagnostika, acyklický přenos dat požadavků, zpracování alarmů a křížový provoz mezi jednotlivými uzly sběrnice, nejsou podporovány každým sběrnicovým systémem.
.

V klasické automatizační technice dosud komunikace končila na nejnižší úrovni sběrnice, tj. na senzorech a akčních členech (obr. 1). V mnoha případech se zde používají moduly neumožňující komunikaci, které se omezují na čistě analogové nebo spínací vstupní a výstupní signály. Snímače a akční členy dostupné na trhu s digitálním rozhraním nejsou standardizovány, ale používají pro komunikaci specifický firemní hardware a software. V závislosti na typu snímače je třeba v řídicím systému pro instalaci použít speciální a drahé moduly. Heterogenní zapojení s nejrůznějšími typy kabelů a přiřazením vývodů vede k vysokým nákladům na instalaci. Aby byla zajištěna odolnost proti rušení analogových i digitálních signálů, jsou nutná vysoká stínicí opatření. V praxi se opakovaně ukázalo, že rušení při přenosu signálu je často způsobeno vadným nebo nedostatečným stíněním. Síťové propojení a integrace různých rozhraní a přenosových protokolů je rovněž složitá a náchylná k chybám. Při přestavbě stroje, výměně nebo kontrole zařízení je třeba nastavit parametry ručně na zařízení nebo přímo pro každý snímač a akční člen pomocí samostatného nástroje. Jak se opakovaně ukázalo, je to hlavní zdroj chyb a manipulací pro bezpečný provoz systémů. Protože neexistuje nepřetržitá komunikace z úrovně provozních zařízení do vyšších úrovní, nejsou k dispozici diagnostické údaje ze snímačů a akčních členů. Často jsou to však právě tyto sestavy, které jsou zodpovědné za výpadky systému z důvodu jejich umístění v systému a používání v náročných podmínkách průmyslové výroby, jako je teplo, chlad, vibrace, nečistoty a vlhkost. Bez diagnostických údajů je odstraňování závad a náprava často obtížná a časově náročná. O preventivní údržbě, která by zabránila neplánovaným odstávkám, nemůže být ani řeč.

Takto široká škála sběrnicových systémů a nedostatek standardů je velkou nevýhodou pro rozvoj automatizační techniky. To si museli uvědomit i výrobci automatizačních produktů. Přední dodavatelé proto vytvořili konsorcium s cílem vyvinout obecně platnou a celosvětově standardizovanou technologii rozhraní I/O pro komunikaci snímačů a akčních členů. Výsledkem je koncepce IO-Link pro standardizované, na průmyslové sběrnici nezávislé a na výrobci nezávislé připojení spínacích přístrojů a snímačů k řídicí úrovni prostřednictvím cenově výhodného spojení bod-bod. Tento komunikační standard je definován v normě IEC 61131-9. Zařízení IO-Link vytvářejí transparentní a nepřetržitou komunikaci od úrovně provozních přístrojů až po nejvyšší úroveň automatizace (obr. 2). Jako otevřené rozhraní lze IO-Link integrovat do všech běžných provozních sběrnic a automatizačních systémů. S rozhraním IO-Link se nakonec bude používat pouze digitální přenos namísto dosavadního paralelního používání analogových, spínacích a digitálních signálů. IO-Link nabízí možnost centrální diagnostiky a lokalizace poruch až na úroveň akčních členů/senzorů. Díky možnosti dynamické parametrizace snímačů ze systémového řízení lze provozní zařízení přizpůsobit příslušným požadavkům výroby během provozu. Polní zařízení s rozhraním IO-Link tak tvoří základ pro implementaci Průmyslu 4.0.
.

Rozhraní IO-Link je jistě právem označováno jako rozhraní USB automatizační techniky. Obě rozhraní jsou cenově výhodná sériová spojení typu bod-bod pro přenos signálů a jsou vhodná pro provoz typu plug-and-play. Klíčovou vlastností je velmi jednoduché zapojení pomocí standardizovaných kabelů se šroubovací zástrčkou. Kromě obrovské časové úspory při zapojování díky eliminaci svorkovnic se díky konektorovému řešení vyhnete zdroji chyb nesprávného a nevhodného zapojení. Eliminace samostatných vícekolíkových zástrčkových kabelů pro přenos analogového signálu, spínacího kontaktu a externí parametrizace snižuje náročnost zapojení i potřebu místa v rozváděči, protože každé zařízení již nemusí být připojeno zvlášť k centrálnímu obvodu. Standardizace nezávislá na výrobci snižuje rozmanitost rozhraní pro snímače a moduly IO i různých propojovacích kabelů.

Senzory s rozhraním IO-Link nabízejí spolehlivou možnost diagnostiky. Diagnostická hlášení, zejména preventivní stavová hlášení, lze předávat včetně popisu a zobrazovat na HMI (Human Machine Interface). To umožňuje rychle reagovat v případě poruchy snímače, znečištění optických snímačů, nepřípustné provozní teploty, přerušení vodiče nebo zkratu a vyhnout se delším odstávkám.

Pokud je však třeba vyměnit snímač, byla dosud hlavním zdrojem chyb správná parametrizace nebo dokonce použití nesprávného snímače. U zařízení IO-Link jsou parametry uloženy v řídicím zařízení IO-Link master. V systému IO-Link jsou zařízení identifikována pomocí jedinečných sériových čísel, ID výrobce a ID zařízení, což zabraňuje záměně zařízení. Při výměně zařízení se parametry automaticky přenesou i do snímače. Tím se zabrání nesprávnému provozu nebo dokonce manipulaci. Změny parametrů lze také dokumentovat, a tak je později sledovat.

Přenos dat IO-Link je založen na 24V signálu, a proto je obzvláště necitlivý na elektromagnetické rušení. Protože je přenos signálu čistě digitální a zabezpečený pomocí kontrolních součtů, jsou vyloučeny chybné přenosy a nepřesnosti způsobené převodem signálu jako u analogových signálů. Stíněné kabely a samostatná uzemňovací opatření nejsou obecně vyžadována.

Systém IO-Link se skládá z IO-Link masterů jako brány mezi komunikačními systémy vyšší úrovně, jako je Profinet, Ethernet/IP a zařízeními IO-Link. Zařízení IO-Link jsou provozní zařízení schopná komunikace, jako jsou senzory, spínací zařízení, ventily nebo signální světla.

Přenos dat prostřednictvím IO-Link probíhá vždy mezi IO-Link master a zařízením IO-Link jako slave. Jako IO-Link master jsou k dispozici jak moduly rozhraní průmyslové sběrnice, tak moduly rozhraní PLC. Spínací zařízení mohou být buď provozována jako dosud jako spínací vstup nebo spínací výstup, nebo může být spínací stav přenášen digitálně v provozním režimu IO-Link. Protože se oba signály přenášejí přes stejný pin 4, není možný paralelní provoz. V systému IO-Link lze komponenty s IO-Link a bez IO-Link kombinovat a provozovat paralelně podle potřeby. Standardní zařízení bez podpory IO-Link lze připojit buď přes speciální standardní IO porty, nebo přes kompatibilní IO-Link porty masteru. Binární nebo analogové senzory tak mohou být propojeny na úrovni sběrnice prostřednictvím masteru. Kompatibilitu portů IO-Link směrem dolů zajišťuje modul rozhraní IO-Link prostřednictvím dvou různých provozních režimů, režimu IO-Link a standardního režimu IO (SIO). Senzory IO-Link lze provozovat jako binární zařízení. To znamená, že spínací senzor IO-Link lze integrovat i do klasických automatizačních řešení. Během inicializace IO-Link master automaticky naváže komunikaci. Smíšený provoz standardních senzorů a senzorů IO-Link je podporován standardem IO-Link.

U IO-Link se linka pro spínací signál používá také pro sériovou komunikaci. Technicky se jedná o poloduplexní rozhraní, ve kterém se data odesílají a přijímají postupně. Standardně se používají konektory M12. Maximální délka kabelu k řídicí jednotce IO-Link je 20 metrů.

V počáteční fázi koncepce specifikace rozhraní IO-Link byl kladen důraz na spínání senzorů a akčních členů. Mezitím se zjistilo, že použití rozhraní IO-Link má smysl i pro měřicí zařízení. Stále více výrobců snímačů již nabízí zařízení pro různé fyzikální měřené veličiny. Ve specifikaci IO-Link jsou trvale definovány pouze piny 1, 3 a 4 podle přiřazení pinů třídy A portu. Piny 2 a 5, které se používají pro přídavné napájení v případě zvýšených proudových požadavků, lze alternativně použít pro analogový výstup 0/4-20 mA nebo pro druhý spínací výstup na měřicích přístrojích (obr. 3).
.

Pokud se uživatel nechce zcela zbavit analogového výstupu, nabízí paralelní provoz analogového výstupu, spínacího výstupu a digitálního rozhraní zajímavé možnosti externí parametrizace, vyhodnocování poruchových hlášení a diagnostických signálních funkcí. Pokud je řídicí systém později převeden na čistě digitální přenos naměřených hodnot, omezuje se vynaložené úsilí na změnu konfigurace řídicího softwaru. Měřicí zařízení, jako jsou infračervené teploměry pro bezkontaktní měření teploty, musí zpracovávat nejmenší signály v rozsahu pikoampérů. To vyžaduje vysokou úroveň vnitřních opatření odolnosti proti rušení i vnějších opatření, jako je použití stíněného kabelu. Konsorcium IO-Link inzeruje skutečnost, že k propojení zařízení IO-Link není zapotřebí stíněný kabel, protože digitální signály nemohou být rušeny. Se zavedením rozhraní IO-Link pro měřicí zařízení jsou určitá omezení nevyhnutelná. Trh na to již zareagoval a nabízí prefabrikované kabely se stíněním.

Komunikace IO-Link podporuje přenos cyklických a acyklických dat. Cyklicky se přenášejí procesní data a stavové informace o platnosti procesních dat. Data zařízení, jako jsou identifikační data, parametry a diagnostické informace, se vyměňují acyklicky na žádost řídicí jednotky IO-Link. Kromě toho jsou nadřazenému zařízení signalizovány události, jako jsou chybová hlášení (zkrat, přerušení) nebo varovná hlášení (znečištění, přehřátí).

Pro IO-Link jsou definovány profily zařízení, aby bylo možné standardizovat přístup k zařízením pomocí uživatelského programu řídicího systému. V těchto profilech je definována struktura dat, obsah dat a základní funkce. Tím je zajištěn shodný přístup programu k řídicí jednotce. Pro IO-Link je definován profil zařízení "Smart Sensor Profile".

Součástí zařízení IO-Link je IODD (IO Device Description), tj. soubor s popisem zařízení. Struktura IODD je stejná pro všechna zařízení všech výrobců. To zaručuje stejné zacházení se všemi zařízeními IO-Link bez ohledu na výrobce. Obsahuje všechny informace a popisné texty pro identifikaci, parametry zařízení s rozsahy hodnot, chybová hlášení, procesní a diagnostické údaje a také komunikační vlastnosti (obr. 4). Texty mohou být uloženy ve více jazycích. Porty připojených zařízení jsou přiřazeny v IO-Link master (obr. 5). Zařízení IO-Link master je pak obvykle připojeno k řídicímu systému jako podřízené zařízení sběrnice.

Parametrizace a diagnostika se provádí automaticky pomocí funkčního bloku v řídicí jednotce stroje. Během parametrizace se funkční blok nejprve dotazuje na identifikační parametry připojených zařízení prostřednictvím IO-Link. Poté se pomocí porovnání s databází zkontroluje, zda jsou tyto snímače pro stroje autorizovány. Pokud tomu tak je, funkční modul v databázi vyhledá také konfigurační parametry přiřazené k těmto snímačům. V případě potřeby jsou pak automaticky zapsány do příslušných snímačů prostřednictvím IO-Link. Pro pyrometr lze například parametrizovat emisivitu, spínací body a funkci spínacího kontaktu, škálování analogového výstupu a paměť maximální hodnoty (obr. 6).
.

Jako příkazové funkce jsou možné také simulace teploty, autotest a obnovení továrního nastavení (obr. 7). Pomocí diagnostické funkce lze mimo jiné analyzovat chyby v hardwaru nebo softwaru, požadavky na údržbu nebo provoz zařízení mimo specifikaci. Integrace do řídicího systému také zpřístupňuje senzory pro vzdálenou údržbu.

Uživatelsky specifickou parametrizaci zařízení IO-Link lze provádět externě třemi způsoby: prostřednictvím PC s USB IO-Link master, prostřednictvím softwarového nástroje v řídicím systému PLC nebo programově pomocí funkčních bloků v řídicím systému systému.

Staří zavedení technici jistě namítnou, že dříve bylo mnohem jednodušší kontrolovat analogové čidlo pomocí ampérmetrů. Parametrizaci bylo možné nastavit pomocí tlačítek nebo přepínačů na přístroji. Jestliže se však pak musíte obejít bez dalších výhod digitální komunikace, vyvstává otázka, zda to v dnešní mezinárodní konkurenci při optimalizaci výrobních nákladů může být skutečně ještě rozhodujícím argumentem při nákupu.

Pro tuto službu jsou nabízeny IO-Link USB mastery (obr. 8). To umožňuje ovládat zařízení IO-Link prostřednictvím počítače s využitím rozhraní USB. Do přívodního vedení lze zapojit speciální adaptéry IO-Link, které umožňují přístup k datům a jejich záznam bez zpětné vazby, a to buď kabelově, nebo bezdrátově přes Bluetooth. K dispozici jsou také adaptéry pro klonování parametrů zařízení.

Jak rychle dojde k přechodu na čistě digitální přenos signálu, nelze předvídat a zcela jistě to úzce závisí na stupni automatizace strojů, odvětví a aplikací. Vzhledem k tomu, že moderní snímače s rozhraním IO-Link a analogovým výstupem jsou často nabízeny bez příplatku, je vhodné tato zařízení využít s předstihem při výměně nebo rozšiřování systému, případně i u nových systémů. Díky tomu je pozdější přechod na nový systém velmi jednoduchý a možný bez jakýchkoli nákladů na konverzi snímačů a kabeláže.

V současné době je k dispozici více než 3 000 produktů IO-Link. IO-Link mastery jsou nyní k dispozici pro 16 sběrnicových systémů. Kromě toho již 8 výrobců řídicích systémů nabízí centralizované mastery. K dispozici je také mnoho výrobců snímačů pro širokou škálu měřených veličin, pro rozpoznávání objektů nebo detekci polohy a také akčních členů, jako jsou signální světla, ventily, výkonové stykače nebo měniče frekvence. Různé společnosti nyní nabízejí také technologie pro návrh zařízení a technickou podporu. Požadavek na certifikaci a použití akreditovaných testovacích nástrojů zajišťuje, že všechny výrobky dostupné na trhu splňují normu IO-Link.