Interfaccia IO-Link indipendente dal produttore per un'automazione di processo intelligente

L'Industria 4.0 è la fusione delle tecnologie dell'informazione (IT) e delle telecomunicazioni per formare l'ITC. Si basa sul collegamento in rete di sensori, attuatori ed elaborazione dati per una comunicazione end-to-end fino al livello dei dispositivi di campo. La visione dell'Industria 4.0 comprende la digitalizzazione, l'automazione e il collegamento in rete di tutte le applicazioni per il controllo del processo complessivo di tutte le funzioni, aree e segmenti dell'industria manifatturiera, fino all'attività economica. Questa trasformazione è guidata principalmente dalle crescenti esigenze dei clienti e dalla necessità per le aziende manifatturiere di essere in grado di soddisfare desideri sempre più rapidi, dinamici e personalizzati dei clienti. Ciò richiede il passaggio da sistemi di controllo della produzione rigidi e centralizzati a un'intelligenza decentralizzata fino al livello dei dispositivi di campo.

L'introduzione dell'Industria 4.0 nei processi di produzione è finalizzata alla produzione adattiva e all'ottimizzazione dei singoli processi in tempo reale. I materiali e i componenti dovrebbero essere selezionati in modo indipendente in base alle tecnologie di produzione e di processo definite e dovrebbe essere possibile adattarli e riadattarli in tempo reale in linea con il motto "Il prodotto controlla il sistema". I vantaggi sono una maggiore efficienza e flessibilità grazie a una risposta più rapida a un maggior numero di varianti, cicli di cambio formato più brevi per i prodotti complessi, la produzione di serie diverse o di singoli prodotti con lo stesso sistema, prodotti personalizzati su misura per i clienti e la produzione di serie piccole e piccolissime a costi competitivi.

L'Industria 4.0 si sta spostando dal concetto di manutenzione preventiva e assistenza dei sistemi verso una diagnostica prevedibile e una manutenzione remota, anche al di là dei confini e delle sedi degli impianti. Tutto ciò richiede l'accesso a fonti di dati intelligenti connesse, come sensori o attuatori.

Una carenza dell'Industria 4.0 è la frequente mancanza di standardizzazione e la definizione imprecisa del termine. La coerenza tra i sistemi e quindi l'usabilità globale richiede un quadro standardizzato per le tecnologie, i sistemi e i processi basato su norme e standard internazionali. A ciò si aggiunge la fondamentale standardizzazione dei principi di strutturazione, delle interfacce e dei formati dei dati.

I precedenti sistemi di rete e bus di campo sono stati sviluppati dai principali produttori di PLC, che supportano una tecnologia specifica del sistema e si adattano in modo ottimale ai loro strumenti di programmazione e configurazione. Esistono diversi sistemi concorrenti sul mercato, come Profibus/ProfiNet (Siemens), DeviceNet e ControlNet (Rockwell Automation), Modbus e CANopen (Schneider Electric), Interbus (Phoenix Contact) o CC-Link (Mitsubishi Electric). Il tipo di PLC utilizzato determina il bus di campo da utilizzare. Esistono differenze tecniche significative per quanto riguarda la lunghezza del cavo, il numero di bit di dati e la gamma di funzioni. Ulteriori funzioni come la diagnostica, la trasmissione aciclica dei dati di richiesta, la gestione degli allarmi e il traffico incrociato tra i singoli nodi del bus non sono supportati da tutti i sistemi fieldbus.

Nella tecnologia di automazione classica, la comunicazione si è finora conclusa al livello più basso del bus di campo, cioè ai sensori e agli attuatori (Fig. 1). In molti casi, vengono utilizzati moduli non compatibili con la comunicazione, che si limitano a segnali di ingresso e uscita puramente analogici o di commutazione. I sensori e gli attuatori disponibili sul mercato con interfaccia digitale non sono standardizzati, ma utilizzano hardware e software specifici per la comunicazione. A seconda del sensore, è necessario utilizzare moduli speciali e costosi nel sistema di controllo per l'installazione. Il cablaggio eterogeneo con un'ampia varietà di tipi di cavi e di assegnazioni dei pin comporta costi di installazione elevati. Per garantire l'immunità alle interferenze dei segnali analogici e digitali, sono necessarie misure di schermatura elevate. In pratica, è stato dimostrato più volte che le interferenze durante la trasmissione dei segnali sono spesso dovute a schermature difettose o inadeguate. Anche il collegamento in rete e l'integrazione delle varie interfacce e dei protocolli di trasmissione sono complessi e soggetti a errori. In caso di cambio macchina, sostituzione o ispezione dei dispositivi, i parametri devono essere impostati manualmente sul dispositivo o direttamente per ogni sensore e attuatore utilizzando uno strumento separato. Come è stato dimostrato più volte, questa è una delle principali fonti di errore e di manipolazione per il funzionamento sicuro dei sistemi. Poiché non esiste una comunicazione continua tra il livello del dispositivo di campo e i livelli superiori, i dati diagnostici dei sensori e degli attuatori non sono disponibili. Tuttavia, spesso sono proprio questi gruppi a essere responsabili dei tempi di inattività del sistema a causa del loro posizionamento nel sistema e dell'utilizzo in condizioni di produzione industriale difficili, come calore, freddo, vibrazioni, sporcizia e umidità. Senza dati diagnostici, la risoluzione dei problemi e l'eliminazione dei guasti sono spesso difficili e richiedono tempo. La manutenzione preventiva per evitare fermi macchina non pianificati è addirittura fuori discussione.

L'ampia gamma di sistemi bus e la mancanza di standard rappresentano un grosso svantaggio per lo sviluppo della tecnologia di automazione. Anche i produttori di prodotti di automazione hanno dovuto riconoscerlo. I principali fornitori hanno quindi formato un consorzio con l'obiettivo di sviluppare una tecnologia di interfaccia I/O generalmente valida e standardizzata a livello globale per la comunicazione di sensori e attuatori. Il risultato è il concetto IO-Link per il collegamento standardizzato, indipendente dal bus di campo e dal produttore, di dispositivi di commutazione e sensori al livello di controllo mediante una connessione punto-punto conveniente. Questo standard di comunicazione è definito nella norma IEC 61131-9. I dispositivi IO-Link creano trasparenza e comunicazione continua dal livello del dispositivo di campo al più alto livello di automazione (Fig. 2). Essendo un'interfaccia aperta, IO-Link può essere integrato in tutti i più comuni bus di campo e sistemi di automazione. Con IO-Link, in definitiva, si utilizzerà solo la trasmissione digitale invece del precedente uso parallelo di segnali analogici, di commutazione e digitali. IO-Link offre la possibilità di diagnosticare e localizzare i guasti a livello centrale, fino al livello dell'attuatore/sensore. Grazie alla possibilità di parametrizzazione dinamica dei sensori dal controllo del sistema, i dispositivi di campo possono essere adattati ai rispettivi requisiti di produzione durante il funzionamento. I dispositivi di campo con interfaccia IO-Link costituiscono quindi la base per l'implementazione di Industria 4.0.

L'interfaccia IO-Link è sicuramente definita a ragione l'interfaccia USB della tecnologia di automazione. Entrambe sono connessioni seriali punto-punto economiche per la trasmissione di segnali e sono adatte al funzionamento plug-and-play. Una caratteristica fondamentale è la semplicità di cablaggio, grazie all'utilizzo di cavi standardizzati con connessione a spina avvitabile. Oltre all'enorme risparmio di tempo nel cablaggio dovuto all'eliminazione delle morsettiere, la soluzione dei connettori evita la fonte di errore di una connessione errata e impropria. L'eliminazione di cavi multipolari separati per la trasmissione del segnale analogico, il contatto di commutazione e la parametrizzazione esterna riduce il lavoro di cablaggio e lo spazio necessario nell'armadio di controllo, poiché ogni dispositivo non deve più essere collegato separatamente alla periferia centrale. La standardizzazione indipendente dal produttore riduce la varietà di interfacce per i sensori e i moduli IO e i diversi cavi di collegamento.

I sensori con interfaccia IO-Link offrono un'opzione diagnostica affidabile. I messaggi diagnostici, in particolare quelli di stato preventivo, possono essere inoltrati con la descrizione e visualizzati sull'HMI (Human Machine Interface). In questo modo è possibile reagire rapidamente in caso di guasto del sensore, contaminazione dei sensori ottici, temperatura di esercizio inaccettabile, rottura dei fili o cortocircuito, evitando tempi di fermo più lunghi.

Tuttavia, se è necessario sostituire un sensore, una delle principali fonti di errore è stata finora la corretta parametrizzazione o addirittura l'utilizzo del sensore sbagliato. Con i dispositivi IO-Link, i parametri sono memorizzati nel master IO-Link. Con IO-Link, i dispositivi sono identificati da numeri di serie univoci, dal fornitore e dall'ID del dispositivo, il che impedisce di confondere i dispositivi. Quando si sostituisce un dispositivo, anche i parametri vengono automaticamente trasferiti al sensore. In questo modo si evitano operazioni errate o addirittura manipolazioni. Le modifiche dei parametri possono anche essere documentate e tracciate in un secondo momento.

La trasmissione dei dati IO-Link si basa su un segnale a 24 V ed è quindi particolarmente insensibile alle interferenze elettromagnetiche. Poiché la trasmissione del segnale è puramente digitale e protetta da checksum, sono escluse trasmissioni difettose e imprecisioni dovute a conversioni del segnale come nel caso dei segnali analogici. In genere non sono necessari cavi schermati e misure di messa a terra separate.

Un sistema IO-Link è costituito da master IO-Link che fungono da gateway tra i sistemi di comunicazione di livello superiore, come Profinet, Ethernet/IP e i dispositivi IO-Link. I dispositivi IO-Link sono dispositivi di campo in grado di comunicare, come sensori, dispositivi di commutazione, valvole o luci di segnalazione.

La trasmissione dei dati tramite IO-Link avviene sempre tra un master IO-Link e un dispositivo IO-Link come slave. Come master IO-Link sono disponibili sia moduli di interfaccia fieldbus che moduli di interfaccia PLC. I dispositivi di commutazione possono essere utilizzati come un ingresso o un'uscita di commutazione, oppure lo stato di commutazione può essere trasmesso digitalmente in modalità operativa IO-Link. Poiché entrambi i segnali vengono trasmessi attraverso lo stesso pin 4, il funzionamento in parallelo è impossibile. In un sistema IO-Link, i componenti con e senza IO-Link possono essere combinati e gestiti in parallelo a seconda delle esigenze. I dispositivi standard non compatibili con IO-Link possono essere collegati tramite speciali porte IO standard o tramite le porte IO-Link compatibili del master. I sensori binari o analogici possono quindi essere collegati al livello del bus di campo tramite il master. La compatibilità verso il basso delle porte IO-Link è garantita dal modulo di interfaccia IO-Link attraverso due diverse modalità operative, la modalità IO-Link e la modalità IO standard (SIO). I sensori IO-Link possono essere gestiti come un dispositivo binario. Ciò significa che un sensore di commutazione IO-Link può essere integrato anche in soluzioni di automazione classiche. Durante l'inizializzazione, il master IO-Link stabilisce automaticamente la comunicazione. Il funzionamento misto di sensori standard e sensori IO-Link è supportato dallo standard IO-Link.

Con IO-Link, la linea per il segnale di commutazione viene utilizzata anche per la comunicazione seriale. Tecnicamente, si tratta di un'interfaccia half-duplex in cui i dati vengono inviati e ricevuti in successione. I connettori M12 sono utilizzati come standard. La lunghezza massima del cavo verso il master IO-Link è di 20 metri.

Nella fase iniziale di progettazione delle specifiche dell'interfaccia IO-Link, l'attenzione era rivolta alla commutazione di sensori e attuatori. Nel frattempo, è stato riconosciuto che l'uso dell'interfaccia IO-Link ha senso anche per i dispositivi di misura. Sempre più produttori di sensori offrono già dispositivi per diverse variabili fisiche di misura. Nelle specifiche IO-Link, solo i pin 1, 3 e 4 sono definiti in modo permanente in base all'assegnazione dei pin della classe A della porta. I pin 2 e 5, utilizzati per un'alimentazione supplementare in caso di maggiori requisiti di corrente, possono essere utilizzati in alternativa per l'uscita analogica 0/4-20 mA o per una seconda uscita di commutazione sui dispositivi di misura (Fig. 3).

Se l'utente non vuole rinunciare completamente all'uscita analogica, il funzionamento in parallelo dell'uscita analogica, dell'uscita di commutazione e dell'interfaccia digitale offre interessanti possibilità per la parametrizzazione esterna, la valutazione dei messaggi di errore e le funzioni di segnale diagnostico. Se il sistema di controllo viene successivamente convertito alla trasmissione puramente digitale dei valori di misura, l'impegno si limita alla modifica della configurazione del software di controllo. I dispositivi di misura, come i termometri a infrarossi per la misurazione della temperatura senza contatto, devono elaborare i segnali più piccoli nella gamma dei pico-ampere. Ciò richiede un elevato livello di immunità alle interferenze interne e misure esterne, come l'uso di un cavo schermato. Il consorzio IO-Link pubblicizza il fatto che non è necessario alcun cavo schermato per collegare i dispositivi IO-Link, in quanto i segnali digitali non possono subire interferenze. Con l'introduzione dell'interfaccia IO-Link per i dispositivi di misura, alcune restrizioni sono inevitabili. Il mercato ha già reagito a questa situazione e offre cavi prefabbricati con schermatura.

La comunicazione IO-Link supporta la trasmissione di dati ciclici e aciclici. I dati di processo e le informazioni di stato sulla validità dei dati di processo vengono trasmessi ciclicamente. I dati del dispositivo, come i dati di identificazione, i parametri e le informazioni diagnostiche, vengono scambiati aciclicamente su richiesta del master IO-Link. Inoltre, eventi come messaggi di errore (cortocircuito, interruzione) o messaggi di avvertimento (contaminazione, surriscaldamento) vengono segnalati al master da un dispositivo.

I profili dei dispositivi sono definiti per IO-Link al fine di standardizzare l'accesso ai dispositivi da parte del programma utente del sistema di controllo. La struttura dei dati, il contenuto dei dati e la funzionalità di base sono definiti in questi profili. Ciò garantisce un accesso identico del programma al controllore. Il profilo del dispositivo "Smart Sensor Profile" è definito per IO-Link.

Parte integrante di un dispositivo IO-Link è la IODD (IO Device Description), ovvero un file di descrizione del dispositivo. La struttura dell'IODD è la stessa per tutti i dispositivi di tutti i produttori. Ciò garantisce la stessa gestione di tutti i dispositivi IO-Link, indipendentemente dal produttore. Contiene tutte le informazioni e i testi descrittivi per l'identificazione, i parametri del dispositivo con gli intervalli di valore, i messaggi di errore, i dati di processo e di diagnostica e le proprietà di comunicazione (Fig. 4). I testi possono essere memorizzati in più lingue. Le porte dei dispositivi collegati sono assegnate nel master IO-Link (Fig. 5). Il master IO-Link viene quindi solitamente collegato al sistema di controllo come slave fieldbus.

La parametrizzazione e la diagnostica vengono eseguite automaticamente da un blocco funzione nell'unità di controllo della macchina. Durante la parametrizzazione, il modulo funzionale interroga innanzitutto i parametri di identificazione dei dispositivi collegati tramite IO-Link. Un confronto con il database consente di verificare se i sensori sono autorizzati per le macchine. In caso affermativo, il modulo funzionale trova anche i parametri di configurazione associati ai sensori nel database. Se necessario, questi vengono scritti automaticamente sui rispettivi sensori tramite IO-Link. Ad esempio, per il pirometro è possibile parametrizzare l'emissività, i punti di commutazione e la funzione del contatto di commutazione, la scala dell'uscita analogica e la memoria del valore massimo (Fig. 6).

Come funzioni di comando sono possibili anche la simulazione della temperatura, un autotest e il ripristino delle impostazioni di fabbrica (Fig. 7). Gli errori nell'hardware o nel software, le richieste di manutenzione o il funzionamento del dispositivo al di fuori delle specifiche possono essere analizzati, tra l'altro, con la funzione di diagnostica. L'integrazione nel sistema di controllo rende inoltre i sensori accessibili per la manutenzione a distanza.

La parametrizzazione specifica dell'utente di un dispositivo IO-Link può essere effettuata esternamente in tre modi: tramite un PC con un master IO-Link USB, tramite uno strumento software nel sistema di controllo PLC o programmata da blocchi funzione nel sistema di controllo del sistema.

Un ingegnere di vecchia data che si occupa della messa in servizio sosterrà sicuramente che un tempo era molto più semplice controllare un sensore analogico utilizzando un dispositivo di misurazione della corrente. La parametrizzazione poteva essere impostata tramite pulsanti o interruttori sul dispositivo. Tuttavia, se poi si deve rinunciare agli altri vantaggi della comunicazione digitale, ci si chiede se questa possa davvero essere ancora un fattore decisivo nella competizione internazionale per ottimizzare i costi di produzione.

I master USB IO-Link sono offerti per il servizio (Fig. 8). In questo modo, un dispositivo IO-Link può essere gestito da un PC tramite un'interfaccia USB. Speciali adattatori IO-Link possono essere inseriti nella linea di alimentazione per accedere ai dati e registrarli senza feedback, sia via cavo che in modalità wireless tramite Bluetooth. Sono disponibili anche adattatori per la clonazione dei parametri del dispositivo.

La rapidità con cui avverrà il passaggio alla comunicazione di segnali puramente digitali non è prevedibile e dipende certamente dal grado di automazione delle macchine, dal settore e dalle applicazioni. Poiché i moderni sensori con interfaccia IO-Link e uscita analogica sono spesso offerti senza costi aggiuntivi, è consigliabile utilizzare questi dispositivi in anticipo quando si sostituisce o si amplia un sistema, o anche per i nuovi sistemi. In questo modo, una successiva sostituzione è estremamente semplice e possibile senza costi di conversione per i sensori e il cablaggio.

Sono ora disponibili oltre 3000 prodotti IO-Link. I master IO-Link sono ora disponibili per 16 sistemi fieldbus. Inoltre, 8 produttori di sistemi di controllo offrono già master centralizzati. Vi sono anche numerosi produttori di sensori per un'ampia gamma di variabili misurate, per il riconoscimento di oggetti o il rilevamento della posizione, nonché di attuatori come luci di segnalazione, valvole, contattori di potenza o convertitori di frequenza. Diverse aziende offrono ora anche la tecnologia per la progettazione dei dispositivi e l'assistenza tecnica. Il requisito della certificazione e l'uso di strumenti di prova accreditati garantiscono che tutti i prodotti disponibili sul mercato soddisfino lo standard IO-Link.