インテリジェントなプロセスオートメーションのためのメーカーに依存しないIO-Linkインターフェース

インダストリー4.0は、情報技術（IT）と通信技術が融合したITCである。インダストリー4.0は、センサー、アクチュエーター、データ処理をネットワーク化し、フィールドデバイスレベルまでエンド・ツー・エンドで通信することを基本としている。インダストリー4.0のビジョンは、経済活動に至るまで、製造業のすべての機能、分野、セグメントのプロセス全体を制御するためのすべてのアプリケーションのデジタル化、自動化、ネットワーク化を包含している。この変革の主な原動力となるのは、顧客の要求の高まりと、製造企業がこれまで以上に迅速かつダイナミックで個別化された顧客の要望を満たすことができるようになる必要性である。そのためには、硬直化した中央集権的な生産管理システムから、フィールド・デバイス・レベルに至るまで分散化されたインテリジェンスへの移行が必要である。

生産プロセスにおけるインダストリー4.0の導入は、リアルタイム操作における適応的な製造と個別プロセスの最適化を達成することを目的としている。材料や部品は、定義された生産技術やプロセス技術に従って独自に選択されるべきであり、「製品がシステムを制御する」というモットーに沿って、リアルタイムでの適応や再調整が可能でなければならない。

インダストリー4.0は、システムの予防保全や保守の概念から、工場の境界や場所を越えても予測可能な診断やリモートメンテナンスへと移行しつつある。

インダストリー4.0の欠点の1つは、標準化の欠如と用語の定義の不正確さである。システム間の一貫性、ひいてはグローバルな使いやすさを実現するには、国際的な規範や標準に基づく技術、システム、プロセスの標準化されたフレームワークが必要である。さらに、構造化原則、インターフェース、データフォーマットの基本的な標準化も必要である。

これまでのネットワーキングとフィールドバスシステムは大手PLCメーカによって開発され、システム固有のテクノロジーをサポートし、そのプログラミングとコンフィギュレーションツールに最適化されています。Profibus/ProfiNet (Siemens), DeviceNet and ControlNet (Rockwell Automation), Modbus and CANopen (Schneider Electric), Interbus (Phoenix Contact) or CC-Link (Mitsubishi Electric)などの競合システムが市場にあります。どのフィールドバスを使用するかは、使用するPLCのタイプによって決まります。ケーブル長、データビット数、機能範囲に大きな技術的違いがあります。診断、要求データの非循環伝送、アラーム処理、個々のバスノード間のクロストラフィックなどのさらなる機能は、すべてのフィールドバスシステムでサポートされているわけではありません。

従来のオートメーション技術では、通信は最も低いフィールドバスレベル、つまりセンサーとアクチュエーターで終了してきました（図1）。多くの場合、そこでは通信に対応していないモジュールが使用され、純粋なアナログ信号やスイッチング入出力信号に制限されています。デジタル・インターフェイスを備えた市販のセンサーやアクチュエーターは標準化されておらず、通信用に各社固有のハードウェアとソフトウェアが使用されている。センサーによっては、特殊で高価なモジュールを制御システムに設置する必要があります。多種多様なケーブルタイプとピン配置による異種配線は、高い設置コストにつながります。アナログ信号とデジタル信号の両方の耐干渉性を確保するためには、高いシールド対策が必要です。実際に、信号伝送中の干渉は、多くの場合、不良または不十分なシールドが原因であることが何度も示されている。また、さまざまなインターフェースや伝送プロトコルのネットワーク化や統合も複雑で、エラーが発生しやすい。機械の改造、デバイスの交換や点検を行う場合、パラメータはデバイス上で手動で設定するか、別のツールを使って各センサーやアクチュエーターに直接設定する必要があります。何度も示されているように、これはエラーの主な原因であり、システムの安全な操作のための操作である。現場機器レベルから上位レベルへの継続的な通信がないため、センサーやアクチュエーターからの診断データは利用できない。しかし、システム内での位置決めや、暑さ、寒さ、振動、汚れ、湿気などの厳しい工業生産条件下での使用により、システムのダウンタイムの原因となっているのは、まさにこれらのアセンブリであることがよくあります。診断データがなければ、トラブルシューティングや修復は困難で時間がかかることが多い。計画外のダウンタイムを避けるための予防メンテナンスは、問題外でさえあります。

このようにバスシステムが多岐にわたり、標準規格がないことは、オートメーション技術の発展にとって大きなデメリットである。オートメーション製品のメーカーも、このことを認識しなければならなかった。そこで大手サプライヤは、センサとアクチュエータの通信のために、一般的に有効で世界的に標準化されたI/Oインタフェース技術を開発する目的でコンソーシアムを結成しました。その結果が、標準化され、フィールドバスに依存せず、メーカに依存しない、コスト効率の良いポイントツーポイント接続によるスイッチングデバイスとセンサの制御レベルへの接続を実現する IO-Link コンセプトです。この通信規格は IEC 61131-9 規格で定義されています。IO-Link デバイスは、フィールドデバイスレベルから最高のオートメーションレベルまで、透過性と継続的な通信を実現します（図 2）。オープンインタフェースとして、IO-Link はすべての一般的なフィールドバスおよびオートメーションシステムに統合できます。IO-Link では、アナログ信号、スイッチング信号、デジタル信号が並行して使用されていましたが、最終的にはデジタル伝送のみが使用されるようになります。IO-Link は、アクチュエータやセンサのレベルまで、集中的な故障診断とローカライズの可能性を提供します。システム制御からセンサのパラメータを動的に設定できるため、フィールドデバイスは運転中にそれぞれの生産要件に合わせることができます。したがって、IO-Link インタフェースを備えたフィールドデバイスは、インダストリー 4.0 の実装の基礎となります。

IO-Link インタフェースは、オートメーション技術の USB インタフェースと呼ばれています。どちらも信号伝送用のコスト効率の高いシリアルポイントツーポイント接続で、プラグアンドプレイ操作に適しています。主な特徴は、ねじ込み式プラグ接続の標準化されたケーブルを使用した非常にシンプルな配線です。ターミナル・ストリップの廃止による配線作業の大幅な時間短縮に加え、コネクター・ソリューションは、誤った不適切な接続によるエラーの原因を回避します。アナログ信号伝送用、スイッチング接点用、外部パラメータ設定用の別々のマルチピンプラグケーブルが不要になるため、配線の手間が削減されるだけでなく、各デバイスを中央周辺部に個別に接続する必要がなくなるため、制御盤内の必要スペースも削減されます。メーカーに依存しない標準化により、センサや IO モジュールのインターフェースの種類が減り、接続ケーブルの種類も減ります。

IO-Link インタフェースを備えたセンサは、信頼性の高い診断オプションを提供します。診断メッセージ、特に予防的なステータスメッセージは、説明を含めて転送され、HMI（ヒューマンマシンインタフェース）に表示されます。これにより、センサの故障、光学センサの汚れ、許容できない動作温度、断線、短絡が発生した場合に迅速に対応することができ、ダウンタイムの長期化を防ぐことができます。

しかし、センサを交換する必要がある場合、これまでのエラーの主な原因は、正しいパラメータ設定、あるいは間違ったセンサの使用でした。IO-Link デバイスでは、パラメータは IO-Link マスタに保存されます。IO-Link では、デバイスは固有のシリアル番号、ベンダー ID、デバイス ID によって識別されるため、デバイスの取り違えを防ぐことができます。デバイスが交換されると、パラメータも自動的にセンサに転送されます。これにより、誤った操作や、不正な操作を防ぐことができます。パラメータの変更は文書化されるため、後日追跡することもできます。

IO-Link のデータ伝送は 24 V 信号に基づいているため、電磁干渉の影響を特に受けません。信号伝送は純粋にデジタルであり、チェックサムによって保護されているため、アナログ信号のような信号変換による誤伝送や不正確さは排除されています。シールドケーブルや個別のアース対策は一般的に不要です。

IO-Link システムは、Profinet、Ethernet/IP などの上位通信システムと IO-Link デバイスとの間のゲートウェイとしての IO-Link マスタで構成される。IO-Link デバイスは、センサ、スイッチングデバイス、バルブ、信号灯などの通信可能なフィールドデバイスです。

IO-Link によるデータ伝送は、常に IO-Link マスタとスレーブとしての IO-Link デバイスの間で行われます。IO-Link マスタとして、フィールドバスインタフェースモジュールと PLC インタフェースモジュールの両方が利用できます。スイッチングデバイスは、従来通りスイッチング入力またはスイッチング出力として動作させることも、IO-Link モードでスイッチングステータスをデジタル伝送することもできます。両方の信号が同じピン 4 を介して伝送されるため、パラレル動作は不可能です。IO-Link システムでは、IO-Link を持つコンポーネントと持たないコンポーネントを必要に応じて組み合わせ、並列に動作させることができます。IO-Link 非対応の標準デバイスは、特別な標準 IO ポートを介して、またはマスタの互換 IO-Link ポートを介して接続できます。バイナリセンサやアナログセンサをマスタ経由でフィールドバスレベルにリンクすることができます。IO-Link ポートの下位互換性は、IO-Link モードと標準 IO モード (SIO) の2つの異なる動作モードによって IO-Link インタフェースモジュールによって保証されています。IO-Link センサはバイナリデバイスのように操作できる。つまり、IO-Link スイッチセンサを従来のオートメーションソリューションに統合することもできます。初期化中、IO-Link マスタは自動的に通信を確立します。標準センサと IO-Link センサの混在動作は IO-Link 規格でサポートされています。

IO-Link では、スイッチング信号用のラインもシリアル通信に使用されます。技術的には、データを連続して送受信する半二重インタフェースです。M12 コネクタが標準で使用されます。IO-Link マスタまでの最大ケーブル長は 20m です。

IO-Link インタフェース仕様の最初のコンセプト段階では、センサとアクチュエータのスイッチングに焦点が当てられていました。その一方で、IO-Link インタフェースの使用は計測デバイスにも意味があることが認識されるようになりました。すでに多くのセンサメーカが、さまざまな物理的測定変数用のデバイスを提供しています。IO-Link 仕様では、ピン 1、3、4 だけがポートクラス A のピンアサインに従って恒久的に定義されています。ピン 2 と 5 は、電流要件が増加した場合の追加電源に使用され、代わりにアナログ出力 0/4-20 mA または測定デバイスの第 2 スイッチング出力に使用することができます（図 3）。
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ユーザーがアナログ出力を完全に廃止したくない限り、アナログ出力、スイッチング出力、デジタルインターフェースの並列動作は、外部パラメータ設定、故障メッセージの評価、診断信号機能など、興味深い可能性を提供します。後に制御システムを純粋なデジタル測定値伝送に変更する場合、かかる労力は制御ソフトウェアの設定変更に限られます。非接触温度測定用の赤外線温度計のような測定装置は、ピコアンペア範囲の極小信号を処理しなければならない。このため、シールドケーブルの使用などの外部対策だけでなく、高レベルの内部干渉イミュニティ対策が必要となる。IO-Link コンソーシアムは、デジタル信号は干渉されないので、IO-Link デバイスの接続にシールドケーブルは不要であることを宣伝している。計測機器に IO-Link インタフェースが導入されたことで、ある種の制約が避けられなくなった。市場はすでにこれに反応し、シールド付きプレハブケーブルを提供している。

IO-Link 通信はサイクリックおよびアサイクリックなデータの伝送をサポートします。プロセスデータとプロセスデータの有効性に関するステータス情報はサイクリックに送信される。識別データ、パラメータ、診断情報などのデバイスデータは、IO-Link マスタの要求に応じて非周期的に交換されます。さらに、エラーメッセージ（短絡、中断）や警告メッセージ（汚染、過熱）などのイベントは、デバイスからマスタに通知されます。

IO-Link では、制御システムのユーザプログラムによるデバイスへのアクセスを標準化するために、デバイスプロファイルが定義されています。データ構造、データコンテンツ、基本機能はこれらのプロファイルで定義されます。これにより、コントローラへのプログラムによる同一のアクセスが保証されます。スマートセンサプロファイル」デバイスプロファイルは IO-Link 用に定義されている。

IO-Link デバイスの一部は IODD（IO Device Description）、つまりデバイス記述ファイルである。IODD の構造は、すべてのメーカーのすべてのデバイスで同じです。これにより、製造元に関係なく、すべての IO-Link デバイスに対して同じ取り扱いが保証されます。IODD には、識別、デバイスパラメータとその値域、エラーメッセージ、プロセスおよび診断データ、通信プロパティに関するすべての情報と説明テキストが含まれています（図 4）。テキストは多言語で保存できます。接続されたデバイスのポートは IO-Link マスタに割り当てられる（図 5）。IO-Link マスタは通常フィールドバススレーブとして制御システムに接続されます。

パラメータ設定と診断は、マシンコントロールユニットのファンクションブロックによって自動的に実行されます。パラメータ設定中、ファンクションモジュールはまず IO-Link 経由で接続されたデバイスの識別パラメータを問い合わせます。次にデータベース比較を使用して、これらのセンサが機械に認証されているかどうかをチェックします。もしそうであれば、ファンクションモジュールはセンサに関連するコンフィギュレーションパラメータをデータベースから検索します。必要であれば、IO-Link 経由でそれぞれのセンサに自動的に書き込まれます。例えば、放射率、スイッチング接点のスイッチングポイントと機能、アナログ出力のスケーリング、最大値メモリをパ ラメータ化することができます（図 6）。
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コマンド機能として、温度シミュレーション、セルフテスト、工場出荷時設定へのリセットも可能です（図7）。ハードウェアやソフトウェアのエラー、メンテナンス要求、仕様外のデバイスの動作は、特に診断機能を使用して分析することができます。

IO-Link デバイスのユーザ固有のパラメータ設定は、USB IO-Link マスタを搭載した PC 経由、PLC 制御システムのソフトウェアツール経由、システム制御システムのファンクションブロックによるプログラム制御の 3 つの方法で外部から行うことができます。

古くからのコミッショニング・エンジニアは、かつては電流測定器を使ってアナログ・センサをチェックする方がずっと簡単だったと言うに違いない。装置のボタンやスイッチを使ってパラメータを設定できたからだ。しかし、デジタル通信の他の利点がなければ、生産コストを最適化するための国際競争において、デジタル通信が本当に決め手となり得るのかという疑問が生じます。

IO-Link USB マスタはサービス用に提供されている（図 8）。これにより IO-Link デバイスを USB インタフェースを使って PC から操作できるようになる。特別な IO-Link アダプタを供給ラインにループさせることで、有線または Bluetooth 経由のワイヤレスで、フィードバックなしにデータにアクセスして記録することができる。デバイスのパラメータをクローンするためのアダプタも用意されている。

純粋なデジタル信号通信への切り替えがどの程度早く行われるかは予測できず、機械の自動化の程度、産業、アプリケーションに密接に依存していることは確かです。IO-Link インタフェースとアナログ出力を備えた最新のセンサは追加コストなしで提供されることが多いので、システムの置き換えや拡張、あるいは新しいシステムを構築する際には、これらのデバイスを事前に使用することをお勧めします。これにより、センサや配線の変換コストをかけることなく、後からの切り替えが非常に簡単に、かつ可能になります。

現在 3000 以上の IO-Link 製品が利用可能です。IO-Link マスタは現在 16 のフィールドバスシステムで利用可能です。さらに、8 社の制御システムメーカが集中型マスタをすでに提供しています。また、信号灯、バルブ、パワーコンタクタ、周波数変換器などのアクチュエータだけでなく、物体認識や位置検出など、さまざまな測定変数用のセンサメーカーも多数あります。現在では、さまざまな企業が機器設計や技術サポートの技術も提供している。認定要件と認定テストツールの使用により、市場で入手可能なすべての製品が IO-Link 規格を満たしていることが保証されます。