Interfaz IO-Link independiente del fabricante para la automatización inteligente de procesos

La Industria 4.0 es la fusión de la tecnología de la información (TI) y la tecnología de las telecomunicaciones para formar las TIC. Se basa en la conexión en red de sensores, actuadores y procesamiento de datos para la comunicación de extremo a extremo hasta el nivel de los dispositivos de campo. La visión de la Industria 4.0 abarca la digitalización, automatización y conexión en red de todas las aplicaciones para controlar el proceso global de todas las funciones, áreas y segmentos de la industria manufacturera, hasta la actividad económica. Esta transformación está impulsada principalmente por las crecientes exigencias de los clientes y la necesidad de que las empresas manufactureras sean capaces de satisfacer los deseos de los clientes de forma cada vez más rápida, dinámica e individualizada. Para ello es necesario pasar de sistemas de control de la producción rígidos y centralizados a una inteligencia descentralizada hasta el nivel de los dispositivos de campo.

La introducción de la Industria 4.0 en los procesos de producción pretende lograr una fabricación adaptativa y la optimización de los procesos individuales en funcionamiento en tiempo real. Los materiales y componentes deben seleccionarse de forma independiente de acuerdo con las tecnologías de producción y proceso definidas y debe ser posible adaptarlos y reajustarlos en tiempo real de acuerdo con el lema "El producto controla el sistema". Las ventajas son una mayor eficiencia y flexibilidad gracias a una respuesta más rápida a un mayor número de variantes, ciclos de cambio más cortos para productos complejos, la producción de diferentes series o productos individuales con el mismo sistema, productos individualizados adaptados a los clientes y la producción de series pequeñas y muy pequeñas a costes competitivos.

La Industria 4.0 se aleja del concepto de mantenimiento preventivo y revisión de los sistemas para acercarse al diagnóstico predecible y el mantenimiento remoto, incluso más allá de los límites y ubicaciones de la planta. Todo ello requiere el acceso a fuentes de datos inteligentes conectadas, como sensores o actuadores.

Una deficiencia de la Industria 4.0 es la frecuente falta de normalización y la definición imprecisa del término. La coherencia entre sistemas y, por tanto, la usabilidad global requieren un marco normalizado para tecnologías, sistemas y procesos basado en normas y estándares internacionales. A ello hay que añadir la normalización fundamental de los principios de estructuración, las interfaces y los formatos de datos.

Los principales fabricantes de PLC han desarrollado sistemas de red y bus de campo que admiten una tecnología específica del sistema y se adaptan de forma óptima a sus herramientas de programación y configuración. En el mercado existen varios sistemas competidores, como Profibus/ProfiNet (Siemens), DeviceNet y ControlNet (Rockwell Automation), Modbus y CANopen (Schneider Electric), Interbus (Phoenix Contact) o CC-Link (Mitsubishi Electric). El tipo de PLC utilizado determina qué bus de campo se utiliza. Existen diferencias técnicas significativas en la longitud del cable, el número de bits de datos y la gama de funciones. Otras funciones como el diagnóstico, la transmisión acíclica de datos de demanda, la gestión de alarmas y el tráfico cruzado entre los distintos nodos de bus no son compatibles con todos los sistemas de bus de campo.

En la tecnología de automatización clásica, la comunicación ha terminado hasta ahora en el nivel más bajo del bus de campo, es decir, en los sensores y actuadores (Fig. 1). En muchos casos, allí se utilizan módulos no aptos para la comunicación, que se limitan a señales de entrada y salida puramente analógicas o de conmutación. Los sensores y actuadores disponibles en el mercado con interfaz digital no están normalizados, sino que utilizan hardware y software específicos de la empresa para la comunicación. Dependiendo del sensor, es necesario utilizar módulos especiales y costosos en el sistema de control para su instalación. El cableado heterogéneo con una gran variedad de tipos de cables y asignaciones de pines conlleva unos costes de instalación elevados. Para garantizar la inmunidad a las interferencias de las señales analógicas y digitales, son necesarias medidas de apantallamiento elevadas. En la práctica, se ha demostrado una y otra vez que las interferencias durante la transmisión de señales suelen deberse a un apantallamiento defectuoso o inadecuado. La interconexión e integración de las distintas interfaces y protocolos de transmisión también es compleja y propensa a errores. En caso de cambio de máquina, sustitución o inspección de los dispositivos, los parámetros deben ajustarse manualmente en el dispositivo o directamente para cada sensor y actuador utilizando una herramienta independiente. Como se ha demostrado una y otra vez, esta es una fuente importante de errores y manipulación para el funcionamiento seguro de los sistemas. Al no existir una comunicación continua desde el nivel de dispositivo de campo a los niveles superiores, no se dispone de datos de diagnóstico de los sensores y actuadores. Sin embargo, a menudo son precisamente estos conjuntos los responsables de los tiempos de inactividad de los sistemas debido a su colocación en el sistema y a su uso en condiciones de producción industrial difíciles como el calor, el frío, las vibraciones, la suciedad y la humedad. Sin datos de diagnóstico, la localización y rectificación de averías suele ser difícil y llevar mucho tiempo. El mantenimiento preventivo para evitar paradas imprevistas es incluso imposible.

Una gama tan amplia de sistemas de bus y la falta de normas es una gran desventaja para el desarrollo de la tecnología de automatización. Los fabricantes de productos de automatización también han tenido que reconocerlo. Por ello, los principales proveedores han formado un consorcio con el objetivo de desarrollar una tecnología de interfaz de E/S de validez general y estandarizada en todo el mundo para la comunicación de sensores y actuadores. El resultado es el concepto IO-Link para la conexión estandarizada, independiente del bus de campo y del fabricante, de dispositivos de conmutación y sensores al nivel de control mediante una conexión punto a punto rentable. Este estándar de comunicación se define en la norma IEC 61131-9. Los dispositivos IO-Link crean transparencia y comunicación continua desde el nivel del dispositivo de campo hasta el nivel superior de automatización (Fig. 2). Como interfaz abierta, IO-Link puede integrarse en todos los buses de campo y sistemas de automatización habituales. Con IO-Link, en última instancia sólo se utilizará la transmisión digital en lugar del anterior uso paralelo de señales analógicas, de conmutación y digitales. IO-Link ofrece la posibilidad de diagnóstico y localización centralizados de fallos hasta el nivel de actuador/sensor. Gracias a la posibilidad de parametrización dinámica de los sensores desde el control del sistema, los dispositivos de campo pueden ajustarse a los requisitos de producción respectivos durante el funcionamiento. Los dispositivos de campo con interfaz IO-Link constituyen, por tanto, la base para la implantación de la Industria 4.0.

Sin duda, la interfaz IO-Link se conoce con razón como la interfaz USB de la tecnología de automatización. Ambas son conexiones serie punto a punto económicas para la transmisión de señales y son aptas para el funcionamiento plug-and-play. Una característica clave es el cableado muy sencillo mediante cables estandarizados con conexión de enchufe atornillable. Además del enorme ahorro de tiempo en el cableado gracias a la eliminación de las regletas de terminales, la solución de conectores evita la fuente de error de una conexión incorrecta e inadecuada. La eliminación de cables multipolo separados para la transmisión de señales analógicas, el contacto de conmutación y la parametrización externa reduce el esfuerzo de cableado, así como el espacio necesario en el armario de control, puesto que ya no es necesario conectar cada dispositivo por separado a la periferia central. La estandarización independiente del fabricante reduce la variedad de interfaces para sensores y módulos IO, así como los diferentes cables de conexión.

Los sensores con interfaz IO-Link ofrecen una opción de diagnóstico fiable. Los mensajes de diagnóstico, especialmente los mensajes de estado preventivos, pueden reenviarse incluyendo la descripción y mostrarse en la HMI (interfaz hombre-máquina). Esto permite reaccionar rápidamente en caso de fallo de un sensor, suciedad de los sensores ópticos, una temperatura de funcionamiento inadmisible, rotura de cables o cortocircuito y evitar tiempos de inactividad más largos.

Sin embargo, si hay que sustituir un sensor, una de las principales fuentes de error hasta ahora ha sido la parametrización correcta o incluso el uso de un sensor equivocado. Con los dispositivos IO-Link, los parámetros se almacenan en el maestro IO-Link. Con IO-Link, los dispositivos se identifican por sus números de serie, proveedor e ID de dispositivo únicos, lo que evita que se mezclen los dispositivos. Cuando se sustituye un dispositivo, los parámetros también se transfieren automáticamente al sensor. Esto evita un funcionamiento incorrecto o incluso la manipulación. Los cambios de parámetros también pueden documentarse y rastrearse posteriormente.

La transmisión de datos IO-Link se basa en una señal de 24 V y, por tanto, es especialmente insensible a las interferencias electromagnéticas. Dado que la transmisión de la señal es puramente digital y se asegura mediante sumas de comprobación, se descartan las transmisiones defectuosas y las imprecisiones debidas a conversiones de señal, como ocurre con las señales analógicas. Por lo general, no se requieren cables apantallados ni medidas de puesta a tierra independientes.

Un sistema IO-Link consta de maestros IO-Link como pasarela entre los sistemas de comunicación de nivel superior, como Profinet, Ethernet/IP y los dispositivos IO-Link. Los dispositivos IO-Link son los dispositivos de campo con capacidad de comunicación, como sensores, dispositivos de conmutación, válvulas o luces de señalización.

La transmisión de datos a través de IO-Link se realiza siempre entre un maestro IO-Link y el dispositivo IO-Link como esclavo. Tanto los módulos de interfaz de bus de campo como los módulos de interfaz PLC están disponibles como maestros IO-Link. Los dispositivos de conmutación pueden funcionar como antes, como entrada o salida de conmutación, o el estado de conmutación puede transmitirse digitalmente en modo IO-Link. Dado que ambas señales se transmiten a través del mismo pin 4, no es posible el funcionamiento en paralelo. En un sistema IO-Link, los componentes con y sin IO-Link pueden combinarse y funcionar en paralelo según sea necesario. Los dispositivos estándar no aptos para IO-Link pueden conectarse a través de puertos IO estándar especiales o a través de los puertos IO-Link compatibles del maestro. De este modo, los sensores binarios o analógicos pueden conectarse al nivel de bus de campo a través del maestro. El módulo de interfaz IO-Link garantiza la compatibilidad descendente de los puertos IO-Link mediante dos modos de funcionamiento diferentes, el modo IO-Link y el modo IO estándar (SIO). Los sensores IO-Link pueden funcionar como un dispositivo binario. Esto significa que un sensor de conmutación IO-Link también puede integrarse en soluciones de automatización clásicas. Durante la inicialización, el maestro IO-Link establece automáticamente la comunicación. El estándar IO-Link admite el funcionamiento mixto de sensores estándar y sensores IO-Link.

Con IO-Link, la línea para la señal de conmutación también se utiliza para la comunicación serie. Técnicamente, se trata de una interfaz semidúplex en la que los datos se envían y reciben sucesivamente. Se utilizan conectores M12 de serie. La longitud máxima del cable hasta el maestro IO-Link es de 20 metros.

En la fase conceptual inicial para la especificación de la interfaz IO-Link, la atención se centró en la conmutación de sensores y actuadores. Entretanto, se ha reconocido que el uso de la interfaz IO-Link también tiene sentido para los dispositivos de medición. Cada vez son más los fabricantes de sensores que ofrecen dispositivos para diversas variables físicas medidas. En la especificación IO-Link, sólo los pines 1, 3 y 4 están definidos de forma permanente de acuerdo con la asignación de pines de la clase A de puertos. Los pines 2 y 5, que se utilizan para una fuente de alimentación adicional en caso de mayores requisitos de corriente, pueden utilizarse alternativamente para la salida analógica 0/4-20 mA o para una segunda salida de conmutación en los dispositivos de medición (Fig. 3).

Mientras el usuario no quiera prescindir por completo de la salida analógica, el funcionamiento en paralelo de la salida analógica, la salida de conmutación y la interfaz digital ofrece interesantes posibilidades para la parametrización externa, la evaluación de avisos de avería y las funciones de señales de diagnóstico. Si el sistema de control se convierte posteriormente a una transmisión de valores medidos puramente digital, el esfuerzo que ello supone se limita a cambiar la configuración del software de control. Los dispositivos de medición, como los termómetros de infrarrojos para la medición de temperatura sin contacto, deben procesar las señales más pequeñas en el rango de los picoamperios. Esto requiere un alto nivel de medidas de inmunidad a las interferencias internas, así como medidas externas como el uso de un cable apantallado. El consorcio IO-Link publicita el hecho de que no es necesario ningún cable apantallado para conectar los dispositivos IO-Link, ya que las señales digitales no pueden sufrir interferencias. Con la introducción de la interfaz IO-Link para dispositivos de medición, ciertas restricciones son inevitables. El mercado ya ha reaccionado y ofrece cables prefabricados con apantallamiento.

La comunicación IO-Link admite la transmisión de datos cíclicos y acíclicos. Los datos de proceso y la información de estado sobre la validez de los datos de proceso se transmiten cíclicamente. Los datos del dispositivo, como los datos de identificación, los parámetros y la información de diagnóstico, se intercambian acíclicamente a petición del maestro IO-Link. Además, un dispositivo señaliza al maestro eventos como mensajes de error (cortocircuito, interrupción) o mensajes de advertencia (contaminación, sobrecalentamiento).

Los perfiles de dispositivo se definen para IO-Link con el fin de estandarizar el acceso a los dispositivos por parte del programa de usuario del sistema de control. La estructura de datos, el contenido de datos y la funcionalidad básica se definen en estos perfiles. De este modo se garantiza un acceso idéntico del programa al controlador. El perfil de dispositivo "Smart Sensor Profile" está definido para IO-Link.

Parte de un dispositivo IO-Link es el IODD (IO Device Description), es decir, un archivo de descripción del dispositivo. La estructura del IODD es la misma para todos los dispositivos de todos los fabricantes. Esto garantiza el mismo manejo para todos los dispositivos IO-Link, independientemente del fabricante. Contiene toda la información y textos descriptivos para la identificación, parámetros del dispositivo con rangos de valores, mensajes de error, datos de proceso y diagnóstico, así como propiedades de comunicación (Fig. 4). Los textos pueden almacenarse en varios idiomas. Los puertos de los dispositivos conectados se asignan en el maestro IO-Link (Fig. 5). A continuación, el maestro IO-Link suele conectarse al sistema de control como esclavo de bus de campo.

La parametrización y el diagnóstico se realizan automáticamente mediante un bloque de funciones en la unidad de control de la máquina. Durante la parametrización, el módulo de funciones consulta primero los parámetros de identificación de los dispositivos conectados a través de IO-Link. A continuación, mediante una comparación de bases de datos, se comprueba si estos sensores están autorizados para las máquinas. En caso afirmativo, el módulo funcional busca también en la base de datos los parámetros de configuración asociados a los sensores. Si es necesario, éstos se escriben automáticamente en los sensores respectivos a través de IO-Link. Por ejemplo, para el pirómetro se pueden parametrizar la emisividad, los puntos de conmutación y la función del contacto de conmutación, la escala de la salida analógica y la memoria de valor máximo (Fig. 6).

También es posible simular la temperatura, realizar un autotest y restablecer los ajustes de fábrica como funciones de comando (fig. 7). Los errores en el hardware o el software, las solicitudes de mantenimiento o el funcionamiento del aparato fuera de las especificaciones pueden analizarse, entre otras cosas, mediante la función de diagnóstico. La integración en el sistema de control también permite acceder a los sensores para su mantenimiento a distancia.

La parametrización específica del usuario de un dispositivo IO-Link puede realizarse externamente de tres formas: a través de un PC con un maestro USB IO-Link, mediante una herramienta de software en el sistema de control PLC o controlada por programa mediante bloques de función en el sistema de control del sistema.

Un ingeniero de puesta en servicio veterano seguramente argumentará que antes era mucho más fácil comprobar un sensor analógico utilizando un dispositivo de medición de corriente. La parametrización podía realizarse mediante botones o interruptores en el aparato. Sin embargo, si luego hay que prescindir de las demás ventajas de la comunicación digital, se plantea la cuestión de si ésta puede seguir siendo realmente un argumento de compra decisivo en la actual competencia internacional por optimizar los costes de producción.

Para ello se ofrecen maestros USB IO-Link (Fig. 8). Esto permite manejar un dispositivo IO-Link a través de un PC mediante una interfaz USB. En la línea de alimentación pueden conectarse adaptadores IO-Link especiales para acceder a los datos y registrarlos sin retroalimentación, ya sea por cable o de forma inalámbrica a través de Bluetooth. También hay disponibles adaptadores para clonar los parámetros del dispositivo.

No se puede predecir con qué rapidez se producirá el cambio a una comunicación de señales puramente digital y, desde luego, depende estrechamente del grado de automatización de las máquinas, la industria y las aplicaciones. Dado que los sensores modernos con interfaz IO-Link y salida analógica se ofrecen a menudo sin coste adicional, es aconsejable utilizar estos dispositivos de antemano al sustituir o ampliar un sistema, o incluso para sistemas nuevos. Esto hace que un cambio posterior sea extremadamente sencillo y posible sin costes de conversión para los sensores y el cableado.

Ya están disponibles más de 3000 productos IO-Link. Ya se dispone de maestros IO-Link para 16 sistemas de bus de campo. Además, 8 fabricantes de sistemas de control ya ofrecen maestros centralizados. También hay numerosos fabricantes de sensores para una amplia gama de variables medidas, para el reconocimiento de objetos o la detección de posiciones, así como actuadores como luces de señalización, válvulas, contactores de potencia o convertidores de frecuencia. En la actualidad, varias empresas también ofrecen tecnología para el diseño de dispositivos y asistencia técnica. El requisito de certificación y el uso de herramientas de prueba acreditadas garantizan que todos los productos disponibles en el mercado cumplen la norma IO-Link.