Interface IO-Link indépendante du fabricant pour l'automatisation intelligente des processus

L'industrie 4.0 est la fusion de la technologie de l'information (TI) et de la technologie des télécommunications pour former la TIC. La base est la mise en réseau des capteurs, des actionneurs et du traitement des données pour une communication continue jusqu'au niveau des appareils de terrain. La vision de l'industrie 4.0 englobe la numérisation, l'automatisation et la mise en réseau de toutes les applications pour contrôler l'ensemble du processus pour toutes les fonctions, domaines et segments de l'industrie de fabrication jusqu’au niveau d’action économique. Cette transformation est principalement motivée par les exigences croissantes des clients ou par la nécessité de pouvoir répondre aux demandes des clients de plus en plus rapides, dynamiques et individualisées de la part des entreprises de fabrication. Cela nécessite la transition des systèmes de commande de production centralisés et rigides vers une intelligence décentralisée au niveau des appareils de terrain.

L'introduction de l'industrie 4.0 dans les processus de production doit permettre une fabrication adaptative et une optimisation des différents processus en temps réel. Selon les techniques de production et de processus définies, les matériaux et composants doivent être sélectionnés indépendamment et un ajustement et un réajustement en temps réel doivent être possibles selon la devise « Le produit commande l'installation ». Les avantages sont une augmentation de l'efficacité et de la flexibilité grâce à une réponse plus rapide à une plus grande variété de variantes, des cycles de conversion plus courts pour des produits complexes, la fabrication de différentes séries ou de produits individuels avec la même installation, des produits personnalisés adaptés aux clients ainsi que la production de petites et très petites séries à des coûts compétitifs.

Avec l'industrie 4.0, le concept passe de la maintenance préventive et de l’entretien des installations à des diagnostics prévisibles et à la télémaintenance, bien au-delà des limites de l'usine et des sites. Tout ceci nécessite l'accès aux sources de données intelligentes connectées comme les capteurs ou les actionneurs.

Un inconvénient de l'industrie 4.0 est l'absence fréquente de norme et la définition imprécise du terme.  La continuité inter-système et donc la capacité opérationnelle mondiale nécessitent des conditions-cadres uniformes pour les technologies, les systèmes et les processus sur la base de normes et de standards internationaux. À cela s'ajoutent les uniformisations fondamentales des principes de structuration, des interfaces et des formats de données.

Jusqu'à présent, les mises en réseau et les systèmes de bus de terrain ont été développés par les principaux fabricants d'API, qui prennent en charge une technologie spécifique au système et sont parfaitement adaptés à leurs outils de programmation et de configuration. Ainsi, il existe plusieurs systèmes concurrents tels que Profibus/ProfiNet (Siemens), DeviceNet et ControlNet (Rockwell Automation), Modbus et CANopen (Schneider Electric), Interbus (Phoenix Contact) ou CC-Link (Mitsubishi Electric) sur le marché. Le type d’API employé détermine quel bus de terrain est utilisé. Il existe des différences techniques importantes pour la longueur du câble, le nombre de bits de données et l'étendue des fonctions. D'autres fonctions telles que le diagnostic, la transmission acyclique des données de demande, la gestion des alarmes et le trafic transversal entre les différents participants au bus ne sont pas prises en charge par tous les systèmes de bus de terrain.

Dans la technologie d'automatisation classique, la communication se termine jusqu'à présent au niveau du bus de terrain le plus bas, c'est-à-dire les capteurs et les actionneurs (figure 1). On y utilise souvent des modules non communicants qui se limitent à des signaux d'entrée et de sortie purement analogiques ou de commutation. Les capteurs et actionneurs disponibles sur le marché avec une interface numérique ne sont pas normalisés, mais utilisent du matériel hardware et des logiciels spécifiques à l'entreprise pour la communication. Pour l'installation, des modules spéciaux et coûteux doivent être utilisés dans la commande en fonction du capteur. Le câblage hétérogène avec les types de câbles et les affectations de raccordement les plus divers entraîne des coûts d'installation élevés. Pour garantir l'immunité aux interférences des signaux tant analogiques que numériques, il est nécessaire de prendre des mesures importantes en matière de blindage. <0} Dans la pratique, il apparaît à maintes reprises que les interférences lors de la transmission du signal sont souvent dues à un blindage défectueux ou insuffisant. La mise en réseau et l'intégration des différentes interfaces et protocoles de transmission sont également coûteuses et sujettes aux erreurs. Lors d'un changement de machine, d'un remplacement ou d'un contrôle des appareils, les paramètres doivent être réglés manuellement sur l'appareil ou via un outil distinct directement pour chaque capteur et actionneur. Comme on le voit à maintes reprises, il s'agit d'une source essentielle d'erreurs et de manipulation pour le fonctionnement sûr des installations. Comme il n'y a pas de communication continue du niveau de l'appareil de terrain avec les niveaux supérieurs, les données de diagnostic des capteurs et des actionneurs ne sont pas disponibles. Mais ce sont souvent ces sous-ensembles qui, en raison de leur positionnement dans l'installation et de leur utilisation dans des conditions de production industrielles difficiles telles que la chaleur, le froid, les vibrations, la saleté et l'humidité, sont responsables des arrêts de l'installation. Sans données de diagnostic, le dépannage et la correction sont souvent difficiles et prennent beaucoup de temps. Une maintenance préventive pour éviter les temps d'arrêt imprévus n'est certainement pas envisageable.

Une offre aussi large de systèmes de bus et l'absence de normes représentent un inconvénient majeur pour le développement de la technologie d'automatisation. Les fabricants de produits d'automatisation ont également dû s'en rendre compte. Ainsi, les principaux fournisseurs se sont regroupés en un consortium dans le but de développer une technologie d'interface d'E/S universellement valable et normalisée dans le monde entier pour la communication des capteurs et des actionneurs. Le concept IO-Link a été créé pour la connexion uniforme, indépendante du bus de terrain et de tous les fabricants de coffrets de commande et de capteurs au niveau de la commande grâce à une connexion point à point économique. Ce standard de communication est défini dans la norme CEI 61131-9. Les appareils IO-Link créent la transparence et la communication de bout en bout du niveau de l'appareil de terrain au niveau d'automatisation le plus élevé (figure 2). En tant qu'interface ouverte, IO-Link peut être intégré dans tous les systèmes courants de bus de terrain et d'automatisation. Avec IO-Link, seule la transmission numérique doit finalement être utilisée au lieu de l'utilisation parallèle actuelle de signaux analogiques, de commutation et numériques. IO-Link offre la possibilité d'un diagnostic et d'une localisation centralisés des erreurs jusqu'au niveau des actionneurs/capteurs. Grâce à la possibilité de paramétrage dynamique des capteurs à partir de la commande de l'installation, les appareils de terrain peuvent être réglés pendant le fonctionnement en fonction des besoins de production respectifs. Les appareils de terrain avec interface IO-Link constituent ainsi la base de la mise en œuvre de l'industrie 4.0.

L'interface IO-Link est certainement appelée à juste titre l'interface USB de la technologie d'automatisation. Les deux sont des connexions sérielles point à point peu coûteuses pour la transmission de signaux et conviennent au fonctionnement plug-and-play. Une caractéristique essentielle est le câblage très simple au moyen de câbles standardisés avec un connecteur à visser. En plus de l'énorme gain de temps lors du câblage sans les borniers, la solution à connecteur évite la source d'erreur d'une connexion incorrecte et inappropriée. La suppression des câbles multipolaires séparés pour la transmission des signaux analogiques, le contact de commutation et le paramétrage externe réduit le câblage et l'encombrement dans l'armoire électrique, car il n'est plus nécessaire de raccorder chaque appareil séparément à la périphérie centrale. La standardisation inter-fabricants réduit la diversité des interfaces des capteurs et des modules IO ainsi que les différentes câbles de connexion. 

Les capteurs avec une interface IO-Link offrent une possibilité de diagnostic fiable. Les messages de diagnostic, en particulier les messages d'état préventifs, y compris la description, peuvent être transmis et affichés sur l'IHM (interface homme-machine). Ainsi, en cas de défaillance du capteur, d'encrassement des capteurs optiques, de température de fonctionnement non autorisée, de rupture de fil ou de court-circuit, il est possible de réagir rapidement et d'éviter des temps d'arrêt plus longs. 

S’il faut cependant remplacer un capteur, il existe actuellement une grande source d'erreur avec un paramétrage correct ou même avec l'utilisation d'un capteur incorrect. Les appareils IO-Link ont, pour leur part, les paramètres stockés dans le maître IO-Link. Avec IO-Link, l'identification de l'appareil est effectuée par le numéro de série unique, le fournisseur et l'ID de l'appareil, ce qui exclut toute confusion entre les appareils. En cas de remplacement d'un appareil, les paramètres sont également transférés automatiquement au capteur. Une mauvaise utilisation ou manipulation est ainsi exclue. De plus, les modifications de paramètres peuvent être consignées, permettant ainsi de les retracer avec facilité par la suite. 

La transmission de données IO-Link est basée sur un signal 24 V et est donc particulièrement insensible aux interférences électromagnétiques. Comme la transmission du signal est purement numérique et sécurisée au moyen de sommes de contrôle, les transmissions erronées et les inexactitudes dues aux conversions du signal, par ex. pour les signaux analogiques, sont exclues. Des câbles blindés et des mesures de mise à la terre distinctes ne sont généralement pas nécessaires.

Un système IO-Link se compose de maîtres IO-Link servant de passerelle (gateway) entre les systèmes de communication de niveau supérieur tels que Profinet, Ethernet/IP et les périphériques IO-Link. Les périphériques IO-Link sont des appareils de terrain capables de communiquer tels que des capteurs, des coffrets de commande, des vannes ou des voyants lumineux.

Le transfert de données via IO-Link a généralement lieu entre un maître (master)  IO-Link et le périphérique IO-Link comme esclave (slave). Les modules de connexion de bus de terrain et les modules d'interface API sont disponibles comme maîtres IO-Link. Au choix, les coffrets de commande peuvent fonctionner comme auparavant comme entrée ou sortie de commutation ou bien , en mode de fonctionnement IO-Link, l'état de commutation peut être transmis numériquement. Puisque les deux signaux sont transmis par la même broche 4, un fonctionnement en parallèle est exclu. Dans un système IO-Link, les composants avec et sans IO-Link peuvent être combinés à volonté et exploités en parallèle. Les appareils standard non compatibles avec IO-Link peuvent être connectés via des ports IO standard spéciaux ou via les ports IO-Link compatibles du maître. Les capteurs binaires ou analogiques peuvent ainsi être connectés au niveau du bus de terrain via le maître. La compatibilité descendante des ports IO-Link est assurée par la carte de connexion IO-Link grâce à deux modes de fonctionnement différents, le mode IO-Link et le mode IO standard (SIO). Les capteurs IO-Link peuvent être utilisés comme un appareil binaire. Ainsi, un capteur de commutation IO-Link peut également être intégré dans des solutions d'automatisation classiques. Lors de l'initialisation, le maître IO-Link établit automatiquement une communication. Le fonctionnement mixte des capteurs standards et des capteurs IO-Link est pris en charge par le standard IO-Link.

Avec IO-Link, le câble pour le signal de commutation est utilisé simultanément pour la communication série. Techniquement, il s'agit d'une interface semi-duplex dans laquelle l'envoi et la réception de données se font l'un après l'autre. Des connecteurs M12 sont utilisés en standard. La longueur maximale du câble jusqu'au maître IO-Link est de 20 m. 

Dans la première phase du concept de spécification pour l'interface IO-Link, l'accent a été mis sur les capteurs et les actionneurs de commutation. Depuis, il est clair que l'utilisation de l'interface IO-Link s’avère également utile pour les appareils de mesure. De plus en plus de fabricants de capteurs proposent déjà des appareils pour diverses grandeurs de mesure physiques. Dans la spécification IO-Link, selon l'affectation des ports de classe A, seules les broches 1,3 et 4 sont définies de manière fixe. Les broches 2 et 5, qui sont employées si nécessaire pour une alimentation supplémentaire en cas de demande de courant accrue, peuvent aussi être utilisées pour la sortie analogique 0/4-20 mA ou pour une deuxième sortie de commutation pour les appareils de mesure (figure 3).

Tant que les utilisateurs ne veulent pas encore se passer complètement de la sortie analogique, le fonctionnement parallèle de la sortie analogique, de la sortie de commutation et de l'interface numérique offre des possibilités intéressantes de paramétrage externe, d'évaluation des messages d'erreur et de fonctions de signal de diagnostic. Si la commande est ultérieurement convertie en une transmission purement numérique des valeurs mesurées, il faut uniquement modifier la configuration du logiciel de commande. Les appareils de mesure tels que les thermomètres infrarouges pour la mesure de température sans contact doivent traiter des signaux très faibles de l'ordre du pico-ampère. Ceci nécessite un niveau élevé de mesures de sécurité internes ainsi que des mesures externes comme l'utilisation d'un câble blindé. Le consortium IO-Link se targue du fait qu'un câble blindé n'est pas nécessaire pour la connexion des appareils IO-Link, puisque les signaux numériques ne peuvent pas être perturbés. Avec l'introduction de l'interface IO-Link sur les appareils de mesure, certaines restrictions sont inévitables. Le marché y a déjà réagi et propose des câbles produits avec blindage.

La communication IO-Link prend en charge la transmission de données cycliques et acycliques. Les données de processus et les informations d'état sur la validité des données de processus sont transmises de manière cyclique. Les données de l'appareil telles que les données d'identification, les paramètres et les informations de diagnostic sont échangées de manière acyclique à la demande du maître IO-Link. En outre, des événements tels que des messages d'erreur (court-circuit, interruption) ou des messages d'avertissement (encrassement, surchauffe) sont signalés au maître par un périphérique.

Afin d'uniformiser les accès du programme utilisateur de la commande aux périphériques, des profils d'appareils sont définis pour IO-Link. La structure et le contenu des données ainsi que la fonctionnalité de base y sont définis. Ceci permet d'obtenir un accès identique au programme de la commande. Pour IO-Link, le profil de l'appareil « Profil de Capteur Intelligent (Smart Sensor Profile) » est défini.

Le composant d'un appareil IO-Link est l'IODD (IO Device Description), ce qui correspond à un fichier de description de l'appareil. La structure de l'IODD est la même pour tous les appareils de tous les fabricants. Ainsi, la même manipulation est garantie pour tous les périphériques IO-Link, quel que soit le fabricant. Il contient toutes les informations et textes descriptifs pour l'identification, les paramètres de l'appareil avec des plages de valeurs, les messages d'erreur, les données de processus et de diagnostic ainsi que les propriétés de communication (figure 4). Les textes sont disponibles en plusieurs langues. Dans le maître IO-Link, les ports des périphériques connectés sont affectés (figure 5). Le maître IO-Link est alors généralement couplé à la commande comme esclave de bus de terrain. 

Le paramétrage et le diagnostic sont effectués automatiquement par un bloc fonctionnel dans la commande de la machine. Lors du paramétrage, les paramètres d'identification des appareils connectés sont d'abord interrogés par le bloc fonctionnel via IO-Link. Ensuite, la comparaison de la base de données permet de vérifier si ces capteurs sont approuvés pour les machines. Dans le cas positif, le bloc fonctionnel trouve également les paramètres de configuration appartenant aux capteurs dans la base de données. Ceux-ci sont ensuite automatiquement écrits dans les capteurs respectifs via IO-Link si nécessaire. Par exemple, dans le pyromètre (figure 6), l'émissivité, les points de commutation et le fonctionnement du contact de commutation, la mise à l'échelle de la sortie analogique et la mémoire de valeurs maximales peuvent être paramétrés.

En outre, une simulation de température, un autotest et la réinitialisation aux paramètres d'usine sont possibles en tant que fonctions de commande (figure 7). Les erreurs matérielles ou logicielles, les demandes de maintenance ou le fonctionnement de l'appareil en dehors des spécifications peuvent être évalués via, entre autres, la fonction de diagnostic. Grâce à l'intégration dans la commande, les capteurs sont également accessibles pour une maintenance à distance.

Le paramétrage spécifique à l'utilisateur d'un appareil IO-Link peut être effectué en externe de trois manières : via un PC avec un maître IO-Link USB, via un outil logiciel dans la commande API ou par programme via des blocs fonctionnels de la commande de l'installation.

Un ancien responsable de la mise en service argumentera certainement qu'il était jusqu'à présent beaucoup plus simple de contrôler un capteur analogique au moyen d'un ampèremètre. Le paramétrage peut être réglé à l'aide d'un bouton ou d'un interrupteur sur l'appareil. Cependant, si vous devez renoncer aux autres avantages de la communication numérique, la question se pose de savoir si cela peut encore représenter un argument d'achat décisif au niveau de la concurrence internationale pour optimiser les coûts de production. 

Des maîtres USB IO-Link sont proposés pour des opérations de service (figure 8). Ainsi, un appareil IO-Link peut être utilisé via un PC grâce à une interface USB. Des adaptateurs IO-Link spéciaux peuvent être insérés dans le câble d'alimentation afin de pouvoir accéder aux données et les enregistrer sans rétroaction par câble ou sans fil via Bluetooth. Des adaptateurs sont également disponibles pour le clonage des paramètres de l'appareil.

La rapidité du passage à la communication de signal purement numérique n'est pas prévisible et dépend certainement étroitement du degré d'automatisation des machines, de l'industrie et des applications. Comme les capteurs modernes avec interface IO-Link et sortie analogique sont souvent proposés sans supplément de prix, il est recommandé d'utiliser ces appareils à l'avance lors d'un remplacement, d'une extension du système ou d'une nouvelle installation. Une modification ultérieure devient ainsi très simple et possible sans frais de conversion pour les capteurs et câbles. 

Entre-temps, plus de 3 000 produits IO-Link sont déjà proposés. Les maîtres IO-Link sont désormais disponibles pour 16 systèmes de bus de terrain. En outre, 8 fabricants de commandes proposent déjà des maîtres centraux. À cela s'ajoutent de nombreux fabricants de capteurs pour les grandeurs de mesure les plus diverses, pour la détection d'objets ou la détection de position, ainsi que des actionneurs tels que des voyants lumineux, des vannes, des contacteurs de puissance ou des convertisseurs de fréquence. On trouve aussi diverses entreprises proposant la technologie pour la conception des appareils et un support technique. L'obligation de certification et l'utilisation d'outils de test accrédités garantissent que tous les produits disponibles sur le marché répondent au standard IO-Link.