Niezależny od producenta interfejs IO-Link dla inteligentnej automatyzacji procesów

Przemysł 4.0 to połączenie technologii informatycznych (IT) i telekomunikacyjnych w ITC. Opiera się on na połączeniu w sieć czujników, siłowników i przetwarzania danych w celu zapewnienia kompleksowej komunikacji aż do poziomu urządzenia terenowego. Wizja Przemysłu 4.0 obejmuje cyfryzację, automatyzację i łączenie w sieć wszystkich aplikacji do kontrolowania całego procesu dla wszystkich funkcji, obszarów i segmentów przemysłu wytwórczego, aż po działalność gospodarczą. Transformacja ta jest przede wszystkim napędzana przez rosnące wymagania klientów i potrzebę, aby firmy produkcyjne były w stanie spełniać coraz szybsze, bardziej dynamiczne i zindywidualizowane życzenia klientów. Wymaga to przejścia od sztywnych, scentralizowanych systemów kontroli produkcji do zdecentralizowanej inteligencji aż do poziomu urządzeń terenowych.

Wprowadzenie Przemysłu 4.0 w procesach produkcyjnych ma na celu osiągnięcie adaptacyjnej produkcji i optymalizacji poszczególnych procesów w czasie rzeczywistym. Materiały i komponenty powinny być wybierane niezależnie, zgodnie z określonymi technologiami produkcji i procesu, a także powinna istnieć możliwość ich adaptacji i ponownej regulacji w czasie rzeczywistym, zgodnie z mottem "Produkt kontroluje system". Korzyści to zwiększona wydajność i elastyczność dzięki szybszej reakcji na większą liczbę wariantów, krótsze cykle przezbrajania dla złożonych produktów, produkcja różnych serii lub pojedynczych produktów przy użyciu tego samego systemu, zindywidualizowane produkty dostosowane do klientów oraz produkcja małych i bardzo małych serii po konkurencyjnych kosztach.

Przemysł 4.0 odchodzi od koncepcji konserwacji zapobiegawczej i serwisowania systemów w kierunku przewidywalnej diagnostyki i zdalnej konserwacji, nawet ponad granicami zakładu i lokalizacji. Wszystko to wymaga dostępu do połączonych inteligentnych źródeł danych, takich jak czujniki lub siłowniki.

Jednym z niedociągnięć Przemysłu 4.0 jest częsty brak standaryzacji i nieprecyzyjna definicja tego terminu. Spójność międzysystemowa, a tym samym globalna użyteczność, wymaga znormalizowanych ram dla technologii, systemów i procesów opartych na międzynarodowych normach i standardach. Ponadto istnieje fundamentalna standaryzacja zasad strukturyzacji, interfejsów i formatów danych.

Poprzednie systemy sieciowe i fieldbus zostały opracowane przez wiodących producentów sterowników PLC, które obsługują technologię specyficzną dla systemu i są optymalnie dostosowane do ich narzędzi programistycznych i konfiguracyjnych. Na rynku dostępnych jest kilka konkurencyjnych systemów, takich jak Profibus/ProfiNet (Siemens), DeviceNet i ControlNet (Rockwell Automation), Modbus i CANopen (Schneider Electric), Interbus (Phoenix Contact) lub CC-Link (Mitsubishi Electric). Typ używanego sterownika PLC określa, która magistrala jest używana. Istnieją znaczne różnice techniczne w długości kabla, liczbie bitów danych i zakresie funkcji. Inne funkcje, takie jak diagnostyka, acykliczna transmisja danych zapotrzebowania, obsługa alarmów i ruch krzyżowy między poszczególnymi węzłami magistrali nie są obsługiwane przez każdy system magistrali.

W klasycznej technologii automatyzacji komunikacja kończyła się dotychczas na najniższym poziomie magistrali polowej, tj. na czujnikach i siłownikach (rys. 1). W wielu przypadkach stosowane są tam moduły nie obsługujące komunikacji, które są ograniczone do czysto analogowych lub przełączających sygnałów wejściowych i wyjściowych. Czujniki i siłowniki dostępne na rynku z interfejsem cyfrowym nie są standaryzowane, ale wykorzystują do komunikacji sprzęt i oprogramowanie specyficzne dla danej firmy. W zależności od czujnika, do instalacji w systemie sterowania należy użyć specjalnych i kosztownych modułów. Niejednorodne okablowanie z szeroką gamą typów kabli i przypisań pinów prowadzi do wysokich kosztów instalacji. Aby zapewnić odporność na zakłócenia zarówno sygnałów analogowych, jak i cyfrowych, konieczne są wysokie środki ekranowania. W praktyce wielokrotnie wykazano, że zakłócenia podczas transmisji sygnału są często spowodowane wadliwym lub nieodpowiednim ekranowaniem. Tworzenie sieci i integracja różnych interfejsów i protokołów transmisji jest również złożona i podatna na błędy. W przypadku zmiany maszyny, wymiany lub kontroli urządzeń, parametry muszą być ustawiane ręcznie na urządzeniu lub bezpośrednio dla każdego czujnika i siłownika za pomocą osobnego narzędzia. Jak wielokrotnie wykazano, jest to główne źródło błędów i manipulacji dla bezpiecznego działania systemów. Ponieważ nie ma ciągłej komunikacji z poziomu urządzenia polowego do wyższych poziomów, dane diagnostyczne z czujników i siłowników nie są dostępne. Jednak często to właśnie te podzespoły są odpowiedzialne za przestoje systemu ze względu na ich umiejscowienie w systemie i użytkowanie w trudnych warunkach produkcji przemysłowej, takich jak ciepło, zimno, wibracje, brud i wilgoć. Bez danych diagnostycznych rozwiązywanie problemów i usuwanie usterek jest często trudne i czasochłonne. Konserwacja zapobiegawcza w celu uniknięcia nieplanowanych przestojów jest wręcz wykluczona.

Tak szeroki zakres systemów magistrali i brak standardów jest główną wadą dla rozwoju technologii automatyzacji. Producenci produktów automatyki również musieli zdać sobie z tego sprawę. Wiodący dostawcy utworzyli zatem konsorcjum w celu opracowania ogólnie obowiązującej i globalnie znormalizowanej technologii interfejsu I/O do komunikacji czujników i siłowników. Rezultatem jest koncepcja IO-Link dla znormalizowanego, niezależnego od magistrali polowej i niezależnego od producenta połączenia urządzeń przełączających i czujników z poziomem sterowania za pomocą ekonomicznego połączenia punkt-punkt. Ten standard komunikacji jest zdefiniowany w normie IEC 61131-9. Urządzenia IO-Link zapewniają przejrzystość i ciągłą komunikację od poziomu urządzenia polowego do najwyższego poziomu automatyzacji (rys. 2). Jako otwarty interfejs, IO-Link może być zintegrowany ze wszystkimi popularnymi magistralami polowymi i systemami automatyki. Dzięki IO-Link docelowo wykorzystywana będzie wyłącznie transmisja cyfrowa, zamiast dotychczasowego równoległego wykorzystania sygnałów analogowych, przełączających i cyfrowych. IO-Link oferuje możliwość centralnej diagnostyki i lokalizacji usterek aż do poziomu siłownika/czujnika. Dzięki możliwości dynamicznej parametryzacji czujników z poziomu sterowania systemem, urządzenia polowe można dostosować do odpowiednich wymagań produkcyjnych podczas pracy. Urządzenia polowe z interfejsem IO-Link stanowią zatem podstawę do wdrożenia Przemysłu 4.0.

Interfejs IO-Link jest z pewnością słusznie nazywany interfejsem USB w technologii automatyzacji. Oba są ekonomicznymi połączeniami szeregowymi typu punkt-punkt do transmisji sygnałów i nadają się do pracy w trybie plug-and-play. Kluczową cechą jest bardzo proste okablowanie przy użyciu znormalizowanych kabli z przykręcanymi wtyczkami. Oprócz ogromnej oszczędności czasu w okablowaniu dzięki wyeliminowaniu listew zaciskowych, rozwiązanie złącza pozwala uniknąć źródła błędów związanych z nieprawidłowym i niewłaściwym połączeniem. Eliminacja oddzielnych wielopinowych kabli wtykowych do transmisji sygnału analogowego, styku przełączającego i zewnętrznej parametryzacji zmniejsza nakłady na okablowanie, a także przestrzeń wymaganą w szafie sterowniczej, ponieważ każde urządzenie nie musi być już podłączane osobno do centralnego obwodu. Niezależna od producenta standaryzacja zmniejsza różnorodność interfejsów dla czujników i modułów IO, a także różnych kabli połączeniowych.

Czujniki z interfejsem IO-Link oferują niezawodną opcję diagnostyczną. Komunikaty diagnostyczne, w szczególności komunikaty o stanie prewencyjnym, mogą być przekazywane wraz z opisem i wyświetlane na interfejsie HMI (Human Machine Interface). Umożliwia to szybką reakcję w przypadku awarii czujnika, zanieczyszczenia czujników optycznych, niedopuszczalnej temperatury pracy, przerwania przewodu lub zwarcia i uniknięcie dłuższych przestojów.

Jeśli jednak czujnik musi zostać wymieniony, głównym źródłem błędów była do tej pory prawidłowa parametryzacja lub nawet użycie niewłaściwego czujnika. W przypadku urządzeń IO-Link parametry są przechowywane w urządzeniu nadrzędnym IO-Link. Dzięki IO-Link urządzenia są identyfikowane za pomocą unikalnych numerów seryjnych, dostawcy i identyfikatora urządzenia, co zapobiega pomyleniu urządzeń. Po wymianie urządzenia parametry są również automatycznie przenoszone do czujnika. Zapobiega to nieprawidłowej obsłudze lub nawet manipulacji. Zmiany parametrów mogą być również dokumentowane i śledzone w późniejszym czasie.

Transmisja danych IO-Link opiera się na sygnale 24 V i dlatego jest szczególnie niewrażliwa na zakłócenia elektromagnetyczne. Ponieważ transmisja sygnału jest czysto cyfrowa i zabezpieczona za pomocą sum kontrolnych, wykluczone są błędne transmisje i niedokładności wynikające z konwersji sygnału, jak w przypadku sygnałów analogowych. Ekranowane kable i oddzielne uziemienie nie są generalnie wymagane.

System IO-Link składa się z masterów IO-Link jako bramy pomiędzy systemami komunikacyjnymi wyższego poziomu, takimi jak Profinet, Ethernet/IP i urządzeniami IO-Link. Urządzenia IO-Link to zdolne do komunikacji urządzenia polowe, takie jak czujniki, urządzenia przełączające, zawory lub lampki sygnalizacyjne.

Transmisja danych za pośrednictwem IO-Link odbywa się zawsze między urządzeniem master IO-Link a urządzeniem slave IO-Link. Zarówno moduły interfejsu fieldbus, jak i moduły interfejsu PLC są dostępne jako urządzenia master IO-Link. Urządzenia przełączające mogą być obsługiwane jak dotychczas, jako wejście lub wyjście przełączające, lub stan przełączania może być przesyłany cyfrowo w trybie pracy IO-Link. Ponieważ oba sygnały są przesyłane przez ten sam pin 4, praca równoległa jest niemożliwa. W systemie IO-Link, komponenty z i bez IO-Link mogą być łączone i obsługiwane równolegle w zależności od potrzeb. Standardowe urządzenia nie obsługujące IO-Link mogą być podłączone albo przez specjalne standardowe porty IO, albo przez kompatybilne porty IO-Link urządzenia nadrzędnego. W ten sposób czujniki binarne lub analogowe mogą być połączone z poziomem magistrali polowej za pośrednictwem urządzenia nadrzędnego. Kompatybilność w dół portów IO-Link jest zapewniona przez moduł interfejsu IO-Link poprzez dwa różne tryby pracy, tryb IO-Link i standardowy tryb IO (SIO). Czujniki IO-Link mogą być obsługiwane jak urządzenia binarne. Oznacza to, że czujnik przełączający IO-Link może być również zintegrowany z klasycznymi rozwiązaniami automatyki. Podczas inicjalizacji urządzenie nadrzędne IO-Link automatycznie nawiązuje komunikację. Standard IO-Link obsługuje mieszane działanie standardowych czujników i czujników IO-Link.

W przypadku IO-Link linia dla sygnału przełączającego jest również używana do komunikacji szeregowej. Z technicznego punktu widzenia jest to interfejs półdupleksowy, w którym dane są wysyłane i odbierane kolejno. Standardowo używane są złącza M12. Maksymalna długość kabla do urządzenia nadrzędnego IO-Link wynosi 20 metrów.

W początkowej fazie opracowywania specyfikacji interfejsu IO-Link skupiono się na przełączaniu czujników i elementów wykonawczych. W międzyczasie uznano, że wykorzystanie interfejsu IO-Link ma również sens w przypadku urządzeń pomiarowych. Coraz więcej producentów czujników oferuje już urządzenia dla różnych mierzonych zmiennych fizycznych. W specyfikacji IO-Link tylko piny 1, 3 i 4 są na stałe zdefiniowane zgodnie z przypisaniem pinów Port Class A. Piny 2 i 5, które są używane do dodatkowego zasilania w przypadku zwiększonego zapotrzebowania na prąd, mogą być alternatywnie używane do wyjścia analogowego 0/4-20 mA lub do drugiego wyjścia przełączającego w urządzeniach pomiarowych (rys. 3).

O ile użytkownik nie chce całkowicie zrezygnować z wyjścia analogowego, równoległe działanie wyjścia analogowego, wyjścia przełączającego i interfejsu cyfrowego oferuje interesujące możliwości zewnętrznej parametryzacji, oceny komunikatów o błędach i funkcji sygnału diagnostycznego. Jeśli system sterowania zostanie później przekształcony w czysto cyfrową transmisję wartości pomiarowych, wysiłek związany z tym ogranicza się do zmiany konfiguracji oprogramowania sterującego. Urządzenia pomiarowe, takie jak termometry na podczerwień do bezdotykowego pomiaru temperatury, muszą przetwarzać najmniejsze sygnały w zakresie pikoamperów. Wymaga to wysokiego poziomu wewnętrznej odporności na zakłócenia, a także środków zewnętrznych, takich jak użycie ekranowanego kabla. Konsorcjum IO-Link reklamuje fakt, że do podłączenia urządzeń IO-Link nie jest wymagany kabel ekranowany, ponieważ sygnały cyfrowe nie mogą być zakłócane. Wraz z wprowadzeniem interfejsu IO-Link dla urządzeń pomiarowych, pewne ograniczenia są nieuniknione. Rynek już na to zareagował i oferuje prefabrykowane kable z ekranowaniem.

Komunikacja IO-Link obsługuje transmisję danych cyklicznych i acyklicznych. Dane procesowe i informacje o statusie dotyczące ważności danych procesowych są przesyłane cyklicznie. Dane urządzenia, takie jak dane identyfikacyjne, parametry i informacje diagnostyczne, są wymieniane acyklicznie na żądanie urządzenia nadrzędnego IO-Link. Ponadto, zdarzenia takie jak komunikaty o błędach (zwarcie, przerwa) lub komunikaty ostrzegawcze (zanieczyszczenie, przegrzanie) są sygnalizowane do urządzenia nadrzędnego przez urządzenie.

Profile urządzeń są zdefiniowane dla IO-Link w celu standaryzacji dostępu do urządzeń przez program użytkownika systemu sterowania. Struktura danych, zawartość danych i podstawowa funkcjonalność są zdefiniowane w tych profilach. Zapewnia to identyczny dostęp programu do sterownika. Profil urządzenia "Smart Sensor Profile" jest zdefiniowany dla IO-Link.

Częścią urządzenia IO-Link jest IODD (IO Device Description), tj. plik opisu urządzenia. Struktura IODD jest taka sama dla wszystkich urządzeń wszystkich producentów. Gwarantuje to taką samą obsługę wszystkich urządzeń IO-Link, niezależnie od producenta. Zawiera wszystkie informacje i teksty opisowe do identyfikacji, parametry urządzenia z zakresami wartości, komunikaty o błędach, dane procesowe i diagnostyczne, a także właściwości komunikacyjne (rys. 4). Teksty mogą być przechowywane w wielu językach. Porty podłączonych urządzeń są przypisywane w IO-Link Master (Rys. 5). Master IO-Link jest następnie zwykle podłączany do systemu sterowania jako slave magistrali fieldbus.

Parametryzacja i diagnostyka są przeprowadzane automatycznie przez blok funkcyjny w jednostce sterującej maszyny. Podczas parametryzacji blok funkcyjny najpierw wysyła zapytanie o parametry identyfikacyjne podłączonych urządzeń za pośrednictwem IO-Link. Następnie porównywana jest baza danych w celu sprawdzenia, czy czujniki te są autoryzowane dla maszyn. Jeśli tak jest, blok funkcjonalny wyszukuje również parametry konfiguracyjne powiązane z czujnikami w bazie danych. W razie potrzeby są one następnie automatycznie zapisywane w odpowiednich czujnikach za pośrednictwem IO-Link. Na przykład, emisyjność, punkty przełączania i funkcja styku przełączającego, skalowanie wyjścia analogowego i pamięć wartości maksymalnej mogą być sparametryzowane dla pirometru (Rys. 6).

Symulacja temperatury, autotest i przywrócenie ustawień fabrycznych są również możliwe jako funkcje poleceń (rys. 7). Błędy w sprzęcie lub oprogramowaniu, żądania konserwacji lub działanie urządzenia poza specyfikacją można analizować między innymi za pomocą funkcji diagnostycznej. Integracja z systemem sterowania sprawia, że czujniki są dostępne do zdalnej konserwacji.

Parametryzacja urządzenia IO-Link przez użytkownika może być przeprowadzona zewnętrznie na trzy sposoby: za pomocą komputera PC z masterem USB IO-Link, za pomocą narzędzia programowego w systemie sterowania PLC lub sterowana programowo przez bloki funkcyjne w systemie sterowania.

Doświadczony inżynier z pewnością stwierdzi, że kiedyś znacznie łatwiej było sprawdzić czujnik analogowy za pomocą urządzenia do pomiaru prądu. Parametryzację można było ustawić za pomocą przycisków lub przełączników na urządzeniu. Jeśli jednak trzeba wtedy obejść się bez innych zalet komunikacji cyfrowej, pojawia się pytanie, czy rzeczywiście może to być decydujący czynnik w międzynarodowej konkurencji w celu optymalizacji kosztów produkcji.

W ramach usługi oferowane są mastery USB IO-Link (rys. 8). Umożliwia to obsługę urządzenia IO-Link za pośrednictwem komputera PC z interfejsem USB. Specjalne adaptery IO-Link można podłączyć do linii zasilającej w celu uzyskania dostępu i rejestrowania danych bez sprzężenia zwrotnego, przewodowo lub bezprzewodowo przez Bluetooth. Dostępne są również adaptery do klonowania parametrów urządzenia.

Nie można przewidzieć, jak szybko nastąpi przejście na czysto cyfrową komunikację sygnałów i z pewnością jest to ściśle uzależnione od stopnia automatyzacji maszyn, branży i zastosowań. Ponieważ nowoczesne czujniki z interfejsem IO-Link i wyjściem analogowym są często oferowane bez dodatkowych kosztów, zaleca się stosowanie tych urządzeń z wyprzedzeniem podczas wymiany lub rozbudowy systemu, a nawet w przypadku nowych systemów. Dzięki temu późniejsza wymiana jest niezwykle prosta i możliwa bez ponoszenia kosztów konwersji czujników i okablowania.

Obecnie dostępnych jest ponad 3000 produktów IO-Link. Mastery IO-Link są obecnie dostępne dla 16 systemów fieldbus. Ponadto 8 producentów systemów sterowania oferuje już scentralizowane urządzenia nadrzędne. Istnieje również wielu producentów czujników dla szerokiego zakresu mierzonych zmiennych, do rozpoznawania obiektów lub wykrywania pozycji, a także siłowników, takich jak lampki sygnalizacyjne, zawory, styczniki mocy lub przetwornice częstotliwości. Różne firmy oferują obecnie również technologię projektowania urządzeń i wsparcie techniczne. Wymóg certyfikacji i wykorzystanie akredytowanych narzędzi testowych zapewnia, że wszystkie produkty dostępne na rynku spełniają standard IO-Link.