Независимый от производителя интерфейс IO-Link для интеллектуальной автоматизации процессов

Индустрия 4.0 - это объединение информационных технологий (ИТ) и телекоммуникационных технологий в ИТК. Она основана на объединении в сеть датчиков, исполнительных механизмов и обработки данных для сквозной связи вплоть до уровня полевых устройств. Концепция Индустрии 4.0 включает в себя цифровизацию, автоматизацию и объединение в сеть всех приложений для управления общим процессом для всех функций, областей и сегментов обрабатывающей промышленности, вплоть до экономической деятельности. Эта трансформация в первую очередь обусловлена растущими требованиями клиентов и необходимостью для производственных компаний быть в состоянии выполнять все более быстрые, динамичные и индивидуализированные пожелания клиентов. Это требует перехода от жестких, централизованных систем управления производством к децентрализованным интеллектуальным системам, вплоть до уровня полевых устройств.

Внедрение Индустрии 4.0 в производственные процессы призвано обеспечить адаптивное производство и оптимизацию отдельных процессов в режиме реального времени. Материалы и компоненты должны выбираться самостоятельно в соответствии с определенными технологиями производства и процесса, а также должна быть предусмотрена возможность адаптации и перенастройки в режиме реального времени в соответствии с девизом "Продукт управляет системой". Преимущества заключаются в повышении эффективности и гибкости благодаря более быстрому реагированию на большее количество вариантов, сокращении циклов переналадки для сложных изделий, производстве различных серий или отдельных изделий с помощью одной и той же системы, индивидуализации продукции с учетом пожеланий клиентов и производстве малых и очень малых серий по конкурентоспособным ценам.

Концепция Industry 4.0 предусматривает переход от профилактического обслуживания и ремонта систем к предиктивной диагностике и удаленному обслуживанию, в том числе за пределами предприятия и в разных местах. Все это требует доступа к подключенным интеллектуальным источникам данных, таким как датчики или исполнительные механизмы.

Одним из недостатков Индустрии 4.0 является частое отсутствие стандартизации и неточное определение этого термина. Межсистемная согласованность и, следовательно, глобальное использование требуют стандартизированной структуры для технологий, систем и процессов, основанной на международных нормах и стандартах. Кроме того, необходима фундаментальная стандартизация принципов структурирования, интерфейсов и форматов данных.

Предыдущие системы сетевого взаимодействия и полевых шин были разработаны ведущими производителями ПЛК, которые поддерживают специфические для системы технологии и оптимально адаптированы к их инструментам программирования и конфигурирования. На рынке существует несколько конкурирующих систем, таких как Profibus/ProfiNet (Siemens), DeviceNet и ControlNet (Rockwell Automation), Modbus и CANopen (Schneider Electric), Interbus (Phoenix Contact) или CC-Link (Mitsubishi Electric). Тип используемого ПЛК определяет, какая полевая шина используется. Существуют значительные технические различия в длине кабеля, количестве битов данных и наборе функций. Дополнительные функции, такие как диагностика, ациклическая передача данных по запросу, обработка аварийных сигналов и перекрестный трафик между отдельными узлами шины, поддерживаются не всеми системами полевых шин.

В классической технологии автоматизации связь до сих пор осуществлялась на самом нижнем уровне полевой шины, то есть на уровне датчиков и исполнительных механизмов (рис. 1). Во многих случаях там используются модули без коммуникационных возможностей, которые ограничиваются чисто аналоговыми или коммутационными входными и выходными сигналами. Имеющиеся на рынке датчики и исполнительные устройства с цифровым интерфейсом не стандартизированы, а используют для связи аппаратное и программное обеспечение, специфичное для конкретной компании. В зависимости от датчика для установки в систему управления необходимо использовать специальные и дорогостоящие модули. Неоднородная проводка с большим разнообразием типов кабелей и назначений контактов приводит к высоким затратам на установку. Для обеспечения помехоустойчивости как аналоговых, так и цифровых сигналов необходимы высокие меры экранирования. На практике неоднократно доказывалось, что помехи при передаче сигналов часто возникают из-за дефектов или недостаточного экранирования. Объединение в сеть и интеграция различных интерфейсов и протоколов передачи также сложны и чреваты ошибками. В случае переналадки оборудования, замены или проверки устройств параметры должны быть установлены вручную на устройстве или непосредственно для каждого датчика и исполнительного механизма с помощью отдельного инструмента. Как было неоднократно показано, это является основным источником ошибок и манипуляций, мешающих безопасной эксплуатации систем. Поскольку нет непрерывной связи от уровня полевого устройства до более высоких уровней, диагностические данные от датчиков и исполнительных механизмов недоступны. Однако именно эти узлы часто становятся причиной простоев системы из-за их расположения в системе и использования в сложных условиях промышленного производства, таких как жара, холод, вибрация, грязь и влага. Без диагностических данных поиск и устранение неисправностей зачастую затруднены и занимают много времени. О профилактическом обслуживании во избежание незапланированных простоев даже не может быть и речи.

Такой широкий спектр шинных систем и отсутствие стандартов - это серьезный недостаток для развития технологий автоматизации. Это вынуждены были признать и производители средств автоматизации. Поэтому ведущие поставщики создали консорциум с целью разработки общеприменимой и стандартизированной во всем мире технологии интерфейса ввода-вывода для связи датчиков и исполнительных механизмов. Результатом стала концепция IO-Link для стандартизированного, независимого от полевой шины и производителя подключения коммутационных устройств и датчиков к уровню управления с помощью экономически эффективного соединения "точка-точка". Этот стандарт связи определен в стандарте IEC 61131-9. Устройства IO-Link обеспечивают прозрачность и непрерывную связь от уровня полевых устройств до самого высокого уровня автоматизации (рис. 2). Будучи открытым интерфейсом, IO-Link может быть интегрирован во все распространенные полевые шины и системы автоматизации. С IO-Link в конечном итоге будет использоваться только цифровая передача данных вместо прежнего параллельного использования аналоговых, коммутационных и цифровых сигналов. IO-Link предоставляет возможность централизованной диагностики и локализации неисправностей вплоть до уровня привода/датчика. Благодаря возможности динамической параметризации датчиков из системы управления, полевые устройства могут быть настроены на соответствующие производственные требования в процессе эксплуатации. Таким образом, полевые устройства с интерфейсом IO-Link являются основой для внедрения Индустрии 4.0.

Интерфейс IO-Link, безусловно, справедливо называют интерфейсом USB в технологии автоматизации. Оба они представляют собой экономически эффективные последовательные соединения "точка-точка" для передачи сигналов и подходят для работы по принципу "подключи и работай". Ключевой особенностью является очень простое подключение с помощью стандартизированных кабелей с винтовыми штекерами. Помимо огромной экономии времени на прокладку кабелей за счет отказа от клеммных колодок, решение с разъемами позволяет избежать ошибок при неправильном подключении. Отказ от отдельных многоконтактных штекерных кабелей для передачи аналогового сигнала, переключающего контакта и внешней параметризации снижает трудоемкость проводки, а также уменьшает занимаемое пространство в шкафу управления, поскольку каждое устройство больше не нужно подключать отдельно к центральной периферии. Независимая от производителя стандартизация сокращает разнообразие интерфейсов для датчиков и модулей ввода-вывода, а также различных соединительных кабелей.

Датчики с интерфейсом IO-Link обеспечивают надежную возможность диагностики. Диагностические сообщения, особенно профилактические сообщения о состоянии, могут передаваться с описанием и отображаться на HMI (человеко-машинном интерфейсе). Это означает, что в случае отказа датчика, загрязнения в случае оптических датчиков, недопустимой рабочей температуры, обрыва провода или короткого замыкания можно быстро отреагировать и избежать длительных простоев.

Если датчик все же необходимо заменить, основным источником ошибок до сих пор была правильная параметризация или даже использование неправильного датчика. В устройствах IO-Link параметры хранятся в памяти ведущего устройства IO-Link. Устройства IO-Link идентифицируются по уникальному серийному номеру, идентификатору производителя и устройства, что предотвращает перепутывание устройств. При замене устройства параметры также автоматически переносятся в датчик. Это предотвращает неправильную работу или даже манипуляции. Изменения параметров также могут быть задокументированы и, таким образом, отслежены позднее.

Передача данных IO-Link основана на сигнале 24 В и поэтому особенно нечувствительна к электромагнитным помехам. Поскольку передача сигнала осуществляется исключительно в цифровом виде и защищена контрольными суммами, исключены сбои в передаче и неточности, связанные с преобразованием сигнала, как в случае с аналоговыми сигналами. Экранированные кабели и отдельное заземление, как правило, не требуются.

Система IO-Link состоит из IO-Link-мастеров, являющихся шлюзом между коммуникационными системами более высокого уровня, такими как Profinet, Ethernet/IP, и IO-Link-устройствами. Устройства IO-Link - это полевые устройства с коммуникационными возможностями, такие как датчики, коммутационные устройства, клапаны или сигнальные лампы.

Передача данных через IO-Link всегда осуществляется между ведущим устройством IO-Link и устройством IO-Link в качестве ведомого. В качестве ведущего устройства IO-Link могут использоваться как интерфейсные модули полевой шины, так и интерфейсные модули ПЛК. Коммутационные устройства могут работать как раньше, как переключающий вход или переключающий выход, или состояние переключения может передаваться в цифровом виде в режиме работы IO-Link. Поскольку оба сигнала передаются через один и тот же контакт 4, параллельная работа невозможна. В системе IO-Link компоненты с IO-Link и без него могут быть объединены и работать параллельно по мере необходимости. Стандартные устройства, не поддерживающие IO-Link, могут подключаться либо через специальные стандартные порты IO, либо через совместимые порты IO-Link ведущего устройства. Таким образом, двоичные или аналоговые датчики могут быть подключены к полевой шине через ведущее устройство. Совместимость портов IO-Link по нисходящей линии обеспечивается интерфейсным модулем IO-Link за счет двух различных режимов работы - режима IO-Link и стандартного режима IO (SIO). Датчики IO-Link могут работать как двоичные устройства. Это означает, что датчик-переключатель IO-Link может быть интегрирован в классические решения по автоматизации. При инициализации ведущий IO-Link автоматически устанавливает связь. Смешанная работа стандартных датчиков и датчиков IO-Link поддерживается стандартом IO-Link.

В IO-Link линия для коммутационного сигнала также используется для последовательной связи. Технически это полудуплексный интерфейс, в котором данные отправляются и принимаются последовательно. Стандартно используются разъемы M12. Максимальная длина кабеля до ведущего устройства IO-Link составляет 20 метров.

На начальном этапе разработки концепции интерфейса IO-Link основное внимание уделялось коммутации датчиков и исполнительных механизмов. В то же время было признано, что использование интерфейса IO-Link имеет смысл и для измерительных устройств. Все больше производителей датчиков уже предлагают устройства для измерения различных физических величин. В спецификации IO-Link только контакты 1, 3 и 4 постоянно определены в соответствии с назначением контактов порта класса A. Штырьки 2 и 5, которые используются для дополнительного питания в случае повышенных требований к току, могут также использоваться для аналогового выхода 0/4-20 мА или для второго переключающего выхода на измерительных устройствах (рис. 3).

Если пользователь не хочет полностью отказаться от аналогового выхода, то параллельная работа аналогового выхода, коммутационного выхода и цифрового интерфейса открывает интересные возможности для внешней параметризации, оценки сообщений о неисправностях и функций диагностических сигналов. Если впоследствии система управления будет переведена на чисто цифровую передачу измеренных значений, все усилия сводятся к изменению конфигурации управляющего программного обеспечения. Измерительные устройства, такие как инфракрасные термометры для бесконтактного измерения температуры, должны обрабатывать самые малые сигналы в пикоамперном диапазоне. Это требует высокой степени внутренней помехоустойчивости, а также внешних мер, таких как использование экранированного кабеля. Консорциум IO-Link рекламирует тот факт, что для подключения устройств IO-Link не требуется экранированный кабель, поскольку цифровые сигналы не подвержены помехам. С внедрением интерфейса IO-Link для измерительных приборов неизбежны некоторые ограничения. Рынок уже отреагировал на это и предлагает готовые кабели с экранированием.

Коммуникация IO-Link поддерживает передачу циклических и ациклических данных. Данные процесса и статусная информация о достоверности данных процесса передаются циклически. Данные устройства, такие как идентификационные данные, параметры и диагностическая информация, передаются ациклически по запросу ведущего устройства IO-Link. Кроме того, устройство сигнализирует ведущему о таких событиях, как сообщения об ошибках (короткое замыкание, обрыв) или предупреждающие сообщения (загрязнение, перегрев).

Профили устройств определяются для IO-Link с целью стандартизации доступа к устройствам со стороны пользовательской программы системы управления. Структура данных, содержание данных и базовая функциональность определены в этих профилях. Это обеспечивает идентичный доступ программы к контроллеру. Профиль устройства "Smart Sensor Profile" определен для IO-Link.

Частью устройства IO-Link является IODD (IO Device Description), т.е. файл описания устройства. Структура IODD одинакова для всех устройств всех производителей. Это гарантирует одинаковое обращение со всеми устройствами IO-Link, независимо от производителя. Он содержит всю информацию и описательные тексты для идентификации, параметры устройства с диапазонами значений, сообщения об ошибках, данные процесса и диагностики, а также коммуникационные свойства (рис. 4). Тексты могут быть сохранены на нескольких языках. Порты подключенных устройств назначаются в IO-Link-мастере (рис. 5). Ведущее устройство IO-Link обычно подключается к системе управления как ведомое устройство полевой шины.

Параметрирование и диагностика выполняются автоматически с помощью функционального блока в блоке управления машины. При параметрировании функциональный блок сначала запрашивает идентификационные параметры подключенных устройств через IO-Link. Затем с помощью сравнения с базой данных проверяется, авторизованы ли эти датчики для машин. Если это так, то функциональный блок также находит в базе данных параметры конфигурации, связанные с датчиками. При необходимости они автоматически записываются в соответствующие датчики через IO-Link. Например, для пирометра можно задать излучательную способность, точки переключения и функцию переключающего контакта, масштаб аналогового выхода и память максимальных значений (рис. 6).

Моделирование температуры, самодиагностика и возврат к заводским настройкам также возможны в качестве командных функций (рис. 7). Ошибки в аппаратном или программном обеспечении, запросы на техническое обслуживание или работа устройства вне спецификации могут быть проанализированы, в частности, с помощью функции диагностики. Интеграция в систему управления также делает датчики доступными для удаленного обслуживания.

Пользовательская параметризация устройства IO-Link может быть осуществлена извне тремя способами: через ПК с USB-ведущим IO-Link, через программное обеспечение в контроллере ПЛК или программно с помощью функциональных блоков в системном контроллере.

Инженер-наладчик со стажем наверняка скажет, что раньше было гораздо проще проверить аналоговый датчик с помощью прибора для измерения тока. Параметризацию можно было задать с помощью кнопок или переключателей на приборе. Однако если при этом вы лишаетесь других преимуществ цифровой связи, возникает вопрос, действительно ли это может быть решающим аргументом при покупке в условиях современной международной конкуренции за оптимизацию производственных затрат.

Для обслуживания доступны USB-мастера IO-Link (рис. 8). Это позволяет управлять устройством IO-Link через ПК с помощью интерфейса USB. Специальные адаптеры IO-Link могут быть подключены к линии питания для доступа и записи данных без обратной связи, как проводной, так и беспроводной через Bluetooth. Также имеются адаптеры для клонирования параметров устройства.

Как быстро произойдет переход на чисто цифровую передачу сигналов, предсказать невозможно, и, конечно же, это будет зависеть от степени автоматизации оборудования, отрасли и сферы применения. Поскольку современные датчики с интерфейсом IO-Link и аналоговым выходом часто предлагаются без дополнительной оплаты, целесообразно использовать эти устройства заранее при замене или расширении системы, а также при создании новых систем. Это делает последующую замену чрезвычайно простой и возможной без каких-либо затрат на переоборудование датчиков и проводки.

В настоящее время доступно более 3000 продуктов IO-Link. Мастера IO-Link теперь доступны для 16 систем полевой шины. Кроме того, 8 производителей систем управления уже предлагают централизованные мастера. Кроме того, существует множество производителей датчиков для широкого спектра измеряемых величин, для распознавания объектов или определения положения, а также исполнительных устройств, таких как сигнальные лампы, клапаны, силовые контакторы или преобразователи частоты. В настоящее время различные компании также предлагают технологию разработки устройств и техническую поддержку. Требование сертификации и использование аккредитованных средств тестирования гарантирует, что все продукты, представленные на рынке, соответствуют стандарту IO-Link.