Interface IO-Link independente do fabricante para automação inteligente de processos

A Indústria 4.0 é a fusão da tecnologia da informação (TI) e da tecnologia das telecomunicações para formar as TIC. Baseia-se na ligação em rede de sensores, actuadores e processamento de dados para uma comunicação de extremo a extremo até ao nível do dispositivo no terreno. A visão da Indústria 4.0 engloba a digitalização, a automatização e a ligação em rede de todas as aplicações para controlar o processo global de todas as funções, áreas e segmentos da indústria transformadora, até à atividade económica. Esta transformação é impulsionada principalmente pelas crescentes exigências dos clientes e pela necessidade de as empresas de fabrico serem capazes de satisfazer os desejos dos clientes de forma cada vez mais rápida, dinâmica e individualizada. Para tal, é necessária uma transição de sistemas de controlo de produção rígidos e centralizados para uma inteligência descentralizada até ao nível dos dispositivos de campo.

A introdução da Indústria 4.0 nos processos de produção destina-se a conseguir um fabrico adaptável e a otimização de processos individuais em tempo real. Os materiais e componentes devem ser selecionados de forma independente, de acordo com as tecnologias de produção e de processo definidas, e deve ser possível adaptar e reajustar em tempo real, de acordo com o lema "O produto controla o sistema". Os benefícios são o aumento da eficiência e da flexibilidade graças a uma resposta mais rápida a um maior número de variantes, ciclos de mudança mais curtos para produtos complexos, a produção de diferentes séries ou produtos individuais com o mesmo sistema, produtos individualizados adaptados aos clientes e a produção de séries pequenas e muito pequenas a custos competitivos.

A Indústria 4.0 está a afastar-se do conceito de manutenção preventiva e assistência técnica de sistemas para diagnósticos previsíveis e manutenção remota, mesmo para além das fronteiras e locais da fábrica. Tudo isto requer acesso a fontes de dados inteligentes conectadas, como sensores ou actuadores.

Uma lacuna da Indústria 4.0 é a frequente falta de normalização e a definição imprecisa do termo. A coerência entre sistemas e, por conseguinte, a utilização global requer um quadro normalizado para tecnologias, sistemas e processos baseados em normas e padrões internacionais. Além disso, existe a normalização fundamental dos princípios de estruturação, das interfaces e dos formatos de dados.

Os sistemas de rede e de bus de campo anteriores foram desenvolvidos pelos principais fabricantes de PLC, que suportam uma tecnologia específica do sistema e estão otimamente adaptados às suas ferramentas de programação e configuração. Existem vários sistemas concorrentes no mercado, como o Profibus/ProfiNet (Siemens), DeviceNet e ControlNet (Rockwell Automation), Modbus e CANopen (Schneider Electric), Interbus (Phoenix Contact) ou CC-Link (Mitsubishi Electric). O tipo de PLC utilizado determina o fieldbus a utilizar. Existem diferenças técnicas significativas no comprimento do cabo, no número de bits de dados e na gama de funções. Outras funções, como o diagnóstico, a transmissão acíclica de dados de procura, o tratamento de alarmes e o tráfego cruzado entre os nós de bus individuais não são suportados por todos os sistemas de bus de campo.

Na tecnologia de automação clássica, a comunicação tem terminado até agora no nível mais baixo do bus de campo, ou seja, nos sensores e actuadores (Fig. 1). Em muitos casos, são aí utilizados módulos sem capacidade de comunicação, que se limitam a sinais de entrada e saída puramente analógicos ou de comutação. Os sensores e actuadores disponíveis no mercado com uma interface digital não estão normalizados, mas utilizam hardware e software específicos da empresa para a comunicação. Dependendo do sensor, devem ser utilizados módulos especiais e dispendiosos no sistema de controlo para a instalação. A cablagem heterogénea com uma grande variedade de tipos de cabos e atribuições de pinos leva a elevados custos de instalação. Para garantir a imunidade a interferências dos sinais analógicos e digitais, são necessárias medidas de blindagem elevadas. Na prática, tem sido demonstrado repetidamente que as interferências durante a transmissão de sinais se devem frequentemente a uma blindagem deficiente ou inadequada. A ligação em rede e a integração das várias interfaces e protocolos de transmissão são também complexas e susceptíveis de erros. Ao converter uma máquina, substituir ou verificar os dispositivos, os parâmetros têm de ser definidos manualmente no dispositivo ou diretamente para cada sensor e atuador utilizando uma ferramenta separada. Como já foi demonstrado várias vezes, esta é uma grande fonte de erros e de manipulação para o funcionamento seguro dos sistemas. Como não existe uma comunicação contínua do nível do dispositivo de campo para os níveis superiores, os dados de diagnóstico dos sensores e actuadores não estão disponíveis. No entanto, muitas vezes são precisamente estes conjuntos os responsáveis pelos tempos de paragem do sistema, devido ao seu posicionamento no sistema e à sua utilização em condições de produção industrial difíceis, como calor, frio, vibração, sujidade e humidade. Sem dados de diagnóstico, a resolução de problemas e a retificação são muitas vezes difíceis e demoradas. A manutenção preventiva para evitar tempos de paragem não planeados está mesmo fora de questão.

Uma gama tão vasta de sistemas de bus e a falta de normas constituem uma grande desvantagem para o desenvolvimento da tecnologia de automação. Os fabricantes de produtos de automação também tiveram de reconhecer este facto. Por isso, os principais fornecedores formaram um consórcio com o objetivo de desenvolver uma tecnologia de interface I/O válida e padronizada globalmente para a comunicação de sensores e actuadores. O resultado é o conceito IO-Link para a ligação normalizada, independente do fieldbus e do fabricante, de dispositivos de comutação e sensores ao nível de controlo através de uma ligação ponto-a-ponto rentável. Este padrão de comunicação está definido na norma IEC 61131-9. Os dispositivos IO-Link criam transparência e comunicação contínua desde o nível do dispositivo de campo até ao mais alto nível de automação (Fig. 2). Como uma interface aberta, o IO-Link pode ser integrado em todos os sistemas comuns de bus de campo e de automação. Com o IO-Link, apenas a transmissão digital será utilizada em vez da anterior utilização paralela de sinais analógicos, de comutação e digitais. O IO-Link oferece a possibilidade de diagnóstico e localização central de falhas até ao nível do atuador/sensor. Graças à possibilidade de parametrização dinâmica dos sensores a partir do controlo do sistema, os equipamentos de campo podem ser ajustados aos respectivos requisitos de produção durante o funcionamento. Os dispositivos de campo com uma interface IO-Link formam, portanto, a base para a implementação da Indústria 4.0.

A interface IO-Link é certamente referida, com razão, como a interface USB da tecnologia de automação. Ambas são conexões seriais ponto-a-ponto de baixo custo para transmissão de sinais e são adequadas para operação plug-and-play. Uma caraterística fundamental é a cablagem muito simples através de cabos normalizados com ligação de ficha roscada. Para além da enorme poupança de tempo na cablagem devido à eliminação das réguas de terminais, a solução de conetor evita a fonte de erro de uma ligação incorrecta e inadequada. A eliminação de cabos de ficha multipinos separados para a transmissão de sinais analógicos, o contacto de comutação e a parametrização externa reduz o esforço de cablagem, bem como o espaço necessário no armário de controlo, uma vez que cada dispositivo já não precisa de ser ligado separadamente à periferia central. A normalização independente do fabricante reduz a variedade de interfaces para sensores e módulos IO, bem como os diferentes cabos de ligação.

Os sensores com uma interface IO-Link oferecem uma opção de diagnóstico fiável. As mensagens de diagnóstico, especialmente as mensagens de estado preventivo, podem ser transmitidas, incluindo a descrição, e apresentadas na HMI (Human Machine Interface). Desta forma, é possível reagir rapidamente em caso de falha de um sensor, contaminação no caso de sensores ópticos, temperatura de funcionamento não permitida, quebra de fio ou curto-circuito e evitar tempos de paragem mais longos.

No entanto, se um sensor tiver de ser substituído, uma grande fonte de erro até agora tem sido a parametrização correta ou mesmo a utilização do sensor errado. Nos aparelhos IO-Link, os parâmetros são armazenados no IO-Link Master. Com IO-Link, os dispositivos são identificados pelos seus números de série únicos, fornecedor e ID do dispositivo, o que evita que os dispositivos sejam misturados. Quando um dispositivo é substituído, os parâmetros também são automaticamente transferidos para o sensor. Isto evita uma operação incorrecta ou mesmo uma manipulação. As alterações de parâmetros também podem ser documentadas e, assim, rastreadas numa data posterior.

A transmissão de dados IO-Link baseia-se num sinal de 24 V e é, por isso, particularmente insensível a interferências electromagnéticas. Uma vez que a transmissão do sinal é puramente digital e assegurada por meio de somas de controlo, as transmissões defeituosas e as imprecisões devidas a conversões de sinal, como acontece com os sinais analógicos, estão excluídas. Geralmente, não são necessários cabos blindados e medidas de ligação à terra separadas.

Um sistema IO-Link é composto por IO-Link masters como gateway entre os sistemas de comunicação de nível superior, como Profinet, Ethernet/IP e os dispositivos IO-Link. Os dispositivos IO-Link são os dispositivos de campo com capacidade de comunicação, como sensores, dispositivos de comutação, válvulas ou luzes de sinalização.

A transmissão de dados via IO-Link é sempre realizada entre um IO-Link master e o dispositivo IO-Link como escravo. Tanto os módulos de interface de bus de campo como os módulos de interface PLC estão disponíveis como mestres IO-Link. Os dispositivos de comutação podem ser operados como antes, como uma entrada ou saída de comutação, ou o estado de comutação pode ser transmitido digitalmente no modo IO-Link. Como ambos os sinais são transmitidos através do mesmo pino 4, a operação paralela é impossível. Num sistema IO-Link, os componentes com e sem IO-Link podem ser combinados e operados em paralelo, conforme necessário. Dispositivos padrão não compatíveis com IO-Link podem ser conectados através de portas IO padrão especiais ou através das portas IO-Link compatíveis do mestre. Sensores binários ou analógicos podem assim ser ligados ao nível do bus de campo através do master. A compatibilidade descendente das portas IO-Link é assegurada pelo módulo de interface IO-Link através de dois modos de funcionamento diferentes, o modo IO-Link e o modo IO standard (SIO). Os sensores IO-Link podem ser operados como um dispositivo binário. Isto significa que um sensor de comutação IO-Link também pode ser integrado em soluções de automação clássicas. Durante a inicialização, o IO-Link Master estabelece automaticamente a comunicação. A operação mista de sensores padrão e sensores IO-Link é suportada pelo padrão IO-Link.

Com o IO-Link, a linha para o sinal de comutação também é usada para comunicação serial. Tecnicamente, trata-se de uma interface half-duplex, na qual os dados são enviados e recebidos sucessivamente. Os conectores M12 são utilizados como padrão. O comprimento máximo do cabo até ao IO-Link Master é de 20 metros.

Na fase inicial do conceito para a especificação da interface IO-Link, o foco era a comutação de sensores e actuadores. Entretanto, reconheceu-se que a utilização da interface IO-Link também faz sentido para aparelhos de medição. Cada vez mais fabricantes de sensores já estão a oferecer dispositivos para diversas variáveis físicas medidas. Na especificação IO-Link, apenas os pinos 1, 3 e 4 estão permanentemente definidos de acordo com a atribuição de pinos da classe A do porto. Os pinos 2 e 5, que são utilizados para uma fonte de alimentação adicional em caso de maior necessidade de corrente, podem ser utilizados alternativamente para a saída analógica 0/4-20 mA ou para uma segunda saída de comutação nos aparelhos de medição (Fig. 3).

Desde que o utilizador não pretenda prescindir completamente da saída analógica, o funcionamento em paralelo da saída analógica, da saída de comutação e da interface digital oferece possibilidades interessantes para a parametrização externa, a avaliação de mensagens de erro e funções de sinais de diagnóstico. Se o comando for posteriormente convertido para uma transmissão de valores de medição puramente digital, o esforço envolvido limita-se à alteração da configuração do software de comando. Os aparelhos de medição como, por exemplo, termómetros de infravermelhos para a medição de temperatura sem contacto, têm de processar os sinais mais pequenos na gama dos pico-amperes. Isto requer um elevado nível de medidas de imunidade a interferências internas, bem como medidas externas, como a utilização de um cabo blindado. O consórcio IO-Link anuncia o facto de não ser necessário um cabo blindado para ligar os dispositivos IO-Link, uma vez que os sinais digitais não podem sofrer interferências. Com a introdução da interface IO-Link para aparelhos de medição, algumas restrições são inevitáveis. O mercado já reagiu a este facto e oferece cabos pré-fabricados com blindagem.

A comunicação IO-Link suporta a transmissão de dados cíclicos e acíclicos. Os dados do processo e as informações de estado sobre a validade dos dados do processo são transmitidos de forma cíclica. Os dados do dispositivo, tais como dados de identificação, parâmetros e informações de diagnóstico, são trocados aciclicamente a pedido do IO-Link Master. Além disso, eventos como mensagens de erro (curto-circuito, interrupção) ou mensagens de aviso (contaminação, sobreaquecimento) são sinalizados ao mestre por um dispositivo.

Os perfis de dispositivos são definidos para o IO-Link, a fim de normalizar o acesso aos dispositivos pelo programa do utilizador do sistema de controlo. A estrutura de dados, o conteúdo dos dados e a funcionalidade básica são definidos nestes perfis. Isto assegura um acesso idêntico do programa ao controlador. O perfil de dispositivo "Smart Sensor Profile" está definido para IO-Link.

Um dispositivo IO-Link é composto pelo IODD (IO Device Description), ou seja, um ficheiro de descrição do dispositivo. A estrutura do IODD é a mesma para todos os dispositivos de todos os fabricantes. Isto garante o mesmo tratamento para todos os dispositivos IO-Link, independentemente do fabricante. Ele contém todas as informações e textos descritivos para identificação, parâmetros do dispositivo com faixas de valores, mensagens de erro, dados de processo e diagnóstico, bem como propriedades de comunicação (Fig. 4). Os textos podem ser guardados em várias línguas. As portas dos dispositivos conectados são atribuídas no IO-Link Master (Fig. 5). O IO-Link Master é então normalmente ligado ao sistema de controlo como um escravo de fieldbus.

A parametrização e o diagnóstico são efectuados automaticamente por um bloco de funções na unidade de controlo da máquina. Durante a parametrização, o módulo de função consulta primeiro os parâmetros de identificação dos dispositivos ligados através do IO-Link. De seguida, através de uma comparação da base de dados, é verificado se estes sensores estão autorizados para as máquinas. Se for esse o caso, o módulo de função também encontra os parâmetros de configuração associados aos sensores na base de dados. Se necessário, estes são então automaticamente escritos nos respectivos sensores através do IO-Link. Por exemplo, a emissividade, os pontos de comutação e a função do contacto de comutação, a escala da saída analógica e a memória do valor máximo podem ser parametrizados para o pirómetro (Fig. 6).

A simulação da temperatura, um auto-teste e a reposição das definições de fábrica também são possíveis como funções de comando (Fig. 7). Através da função de diagnóstico, podem ser analisados, entre outros, erros de hardware ou software, pedidos de manutenção ou funcionamento do aparelho fora das especificações. A integração no sistema de controlo também torna os sensores acessíveis para manutenção remota.

A parametrização específica do utilizador de um dispositivo IO-Link pode ser realizada externamente de três formas: através de um PC com um IO-Link master USB, através de uma ferramenta de software no sistema de controlo PLC ou controlada por programa através de blocos de função no sistema de controlo do sistema.

Um técnico de comissionamento antigo argumentará certamente que antigamente era muito mais fácil verificar um sensor analógico utilizando um dispositivo de medição de corrente. A parametrização podia ser efectuada através de botões ou interruptores no aparelho. No entanto, se depois tiver de prescindir das outras vantagens da comunicação digital, coloca-se a questão de saber se esta ainda pode ser um argumento de compra decisivo na atual concorrência internacional para otimizar os custos de produção.

Para o serviço, são oferecidos masters USB IO-Link (Fig. 8). Isto permite que um dispositivo IO-Link seja operado através de um PC usando uma interface USB. Adaptadores IO-Link especiais podem ser ligados à linha de alimentação para aceder e registar os dados sem retorno, com ou sem fios, através de Bluetooth. Também estão disponíveis adaptadores para clonagem dos parâmetros do dispositivo.

A rapidez com que a mudança para a comunicação de sinais puramente digital ocorrerá não pode ser prevista e depende certamente do grau de automação das máquinas, da indústria e das aplicações. Uma vez que os sensores modernos com interface IO-Link e saída analógica são frequentemente oferecidos sem custos adicionais, é aconselhável utilizar estes dispositivos antecipadamente aquando da substituição ou expansão de um sistema, ou mesmo para novos sistemas. Isto torna uma mudança posterior extremamente simples e possível sem quaisquer custos de conversão para os sensores e cablagem.

Atualmente, estão disponíveis mais de 3000 produtos IO-Link. Os mestres IO-Link estão agora disponíveis para 16 sistemas de bus de campo. Além disso, 8 fabricantes de sistemas de controlo já oferecem mestres centralizados. Existem também numerosos fabricantes de sensores para uma vasta gama de variáveis medidas, para reconhecimento de objectos ou deteção de posição, bem como de actuadores como luzes de sinalização, válvulas, contactores de potência ou conversores de frequência. Atualmente, várias empresas oferecem também a tecnologia para a conceção de dispositivos e apoio técnico. A exigência de certificação e a utilização de ferramentas de teste acreditadas garantem que todos os produtos disponíveis no mercado cumprem a norma IO-Link.