Tillverkaroberoende IO-Link-gränssnitt för intelligent processautomation

Industri 4.0 är en sammansmältning av informationsteknik (IT) och telekommunikationsteknik som bildar ITC. Den bygger på nätverkssamarbete mellan sensorer, ställdon och databehandling för end-to-end-kommunikation ända ner till fältenhetsnivå. Visionen för Industri 4.0 omfattar digitalisering, automatisering och nätverkande av alla applikationer för styrning av den övergripande processen för alla funktioner, områden och segment inom tillverkningsindustrin, ända fram till den ekonomiska aktiviteten. Denna omvandling drivs främst av ökande kundkrav och behovet av att tillverkningsföretag ska kunna uppfylla allt snabbare, mer dynamiska och individualiserade kundönskemål. Detta kräver en övergång från stela, centraliserade produktionsstyrningssystem till decentraliserad intelligens ända ner på fältnivå.

Införandet av Industri 4.0 i produktionsprocesserna syftar till att uppnå adaptiv tillverkning och optimering av enskilda processer i realtid. Material och komponenter ska väljas oberoende av varandra i enlighet med de definierade produktions- och processteknikerna och det ska vara möjligt att anpassa och justera i realtid i enlighet med mottot "Produkten styr systemet". Fördelarna är ökad effektivitet och flexibilitet tack vare snabbare respons på ett större antal varianter, kortare omställningscykler för komplexa produkter, produktion av olika serier eller enskilda produkter med samma system, kundanpassade produkter och produktion av små och mycket små serier till konkurrenskraftiga kostnader.

Industri 4.0 går från konceptet förebyggande underhåll och service av system till förutsägbar diagnostik och fjärrunderhåll, även över anläggningsgränser och platser. Allt detta kräver tillgång till uppkopplade intelligenta datakällor som sensorer eller ställdon.

En brist med Industri 4.0 är den ofta förekommande bristen på standardisering och den oprecisa definitionen av begreppet. Systemövergripande enhetlighet och därmed global användbarhet kräver ett standardiserat ramverk för teknik, system och processer som bygger på internationella normer och standarder. Därtill kommer en grundläggande standardisering av struktureringsprinciper, gränssnitt och dataformat.

Tidigare nätverks- och fältbussystem har utvecklats av de ledande PLC-tillverkarna, som stöder en systemspecifik teknik och är optimalt anpassade till deras programmerings- och konfigurationsverktyg. Det finns flera konkurrerande system på marknaden, t.ex. Profibus/ProfiNet (Siemens), DeviceNet och ControlNet (Rockwell Automation), Modbus och CANopen (Schneider Electric), Interbus (Phoenix Contact) eller CC-Link (Mitsubishi Electric). Vilken typ av PLC som används avgör vilken fältbuss som används. Det finns betydande tekniska skillnader i kabellängd, antal databitar och funktionsomfång. Ytterligare funktioner som t.ex. diagnostik, acyklisk överföring av behovsdata, larmhantering och korstrafik mellan de enskilda bussnoderna stöds inte av alla fältbussystem.

I den klassiska automationstekniken har kommunikationen hittills slutat på den lägsta fältbussnivån, dvs. vid sensorerna och ställdonen (fig. 1). I många fall används där moduler som inte är kommunikationsdugliga och som är begränsade till rent analoga eller switchande in- och utsignaler. De sensorer och ställdon med digitalt gränssnitt som finns på marknaden är inte standardiserade, utan använder företagsspecifik hårdvara och mjukvara för kommunikation. Beroende på sensorn måste speciella och dyra moduler användas i styrsystemet för installationen. Den heterogena kabeldragningen med en mängd olika kabeltyper och stifttilldelningar leder till höga installationskostnader. För att säkerställa störningsimmuniteten för både analoga och digitala signaler krävs höga skärmningsåtgärder. I praktiken har det gång på gång visat sig att störningar under signalöverföringen ofta beror på felaktig eller otillräcklig skärmning. Nätverksbyggandet och integrationen av de olika gränssnitten och överföringsprotokollen är också komplicerat och felkänsligt. Vid maskinbyte, utbyte eller inspektion av enheterna måste parametrarna ställas in manuellt på enheten eller direkt för varje sensor och ställdon med hjälp av ett separat verktyg. Det har visat sig gång på gång att detta är en stor källa till fel och manipulation för säker drift av systemen. Eftersom det inte finns någon kontinuerlig kommunikation från fältenheterna till de högre nivåerna är diagnostiska data från sensorer och ställdon inte tillgängliga. Ofta är det dock just dessa enheter som är ansvariga för systemets driftstopp på grund av deras placering i systemet och användning under svåra industriella produktionsförhållanden som värme, kyla, vibrationer, smuts och fukt. Utan diagnostiska data är felsökning och åtgärdande ofta svårt och tidskrävande. Förebyggande underhåll för att undvika oplanerade driftstopp är till och med uteslutet.

Det stora utbudet av bussystem och avsaknaden av standarder är en stor nackdel för utvecklingen av automationstekniken. Detta måste även tillverkarna av automationsprodukter inse. De ledande leverantörerna har därför bildat ett konsortium med målet att utveckla en allmänt giltig och globalt standardiserad I/O-gränssnittsteknik för kommunikation mellan givare och ställdon. Resultatet är IO-Link-konceptet för standardiserad, fältbussoberoende och tillverkaroberoende anslutning av kopplingsenheter och sensorer till styrnivån med hjälp av en kostnadseffektiv punkt-till-punkt-anslutning. Denna kommunikationsstandard definieras i IEC 61131-9-standarden. IO-Link-enheter skapar transparens och kontinuerlig kommunikation från fältenhetsnivån till den högsta automationsnivån (fig. 2). IO-Link är ett öppet gränssnitt som kan integreras i alla vanliga fältbuss- och automationssystem. Med IO-Link kommer i slutändan endast digital överföring att användas i stället för den tidigare parallella användningen av analoga, switchade och digitala signaler. IO-Link ger möjlighet till central feldiagnos och lokalisering ända ner till ställdons-/sensornivå. Tack vare möjligheten till dynamisk parameterisering av givarna från systemstyrningen kan fältenheterna anpassas till respektive produktionskrav under drift. Fältenheter med IO-Link-gränssnitt utgör därför grunden för implementeringen av Industri 4.0.

IO-Link-gränssnittet kallas med rätta för automationsteknikens USB-gränssnitt. Båda är kostnadseffektiva seriella punkt-till-punkt-anslutningar för signalöverföring och lämpar sig för plug-and-play-drift. En viktig egenskap är den mycket enkla kabeldragningen med hjälp av standardiserade kablar med skruvbar kontaktanslutning. Förutom de enorma tidsbesparingarna vid kabeldragning tack vare elimineringen av plintar, undviker kontaktlösningen felkällan med en felaktig och olämplig anslutning. Elimineringen av separata flerpoliga kontaktkablar för analog signalöverföring, brytkontakt och extern parametrering minskar kabeldragningsarbetet och utrymmesbehovet i styrskåpet, eftersom varje enhet inte längre behöver anslutas separat till den centrala periferin. Tillverkaroberoende standardisering minskar antalet olika gränssnitt för givare och IO-moduler samt antalet olika anslutningskablar.

Sensorer med ett IO-Link-gränssnitt erbjuder ett tillförlitligt diagnostikalternativ. Diagnosmeddelanden, särskilt förebyggande statusmeddelanden, kan vidarebefordras inklusive beskrivningen och visas på HMI (Human Machine Interface). Detta gör det möjligt att reagera snabbt vid givarfel, kontaminering av optiska givare, oacceptabel drifttemperatur, trådbrott eller kortslutning och undvika längre driftstopp.

Om en givare måste bytas ut har en stor felkälla hittills varit korrekt parametrering eller till och med användning av fel givare. Med IO-Link-enheter lagras parametrarna i IO-Link-mastern. Med IO-Link identifieras enheterna med sina unika serienummer, leverantörs- och enhets-ID, vilket förhindrar att enheterna blandas ihop. När en enhet byts ut överförs även parametrarna automatiskt till sensorn. Detta förhindrar felaktig användning eller till och med manipulation. Parameterändringar kan också dokumenteras och därmed spåras vid ett senare tillfälle.

IO-Link-dataöverföringen baseras på en 24 V-signal och är därför särskilt okänslig för elektromagnetiska störningar. Eftersom signalöverföringen är helt digital och säkras med hjälp av kontrollsummor, är felaktiga överföringar och felaktigheter på grund av signalomvandlingar som med analoga signaler uteslutna. Skärmad kabel och separat jordning är i allmänhet inte nödvändig.

Ett IO-Link-system består av IO-Link-masters som fungerar som en gateway mellan kommunikationssystem på högre nivå, t.ex. Profinet, Ethernet/IP och IO-Link-enheterna. IO-Link-enheterna är kommunikationsdugliga fältenheter som t.ex. givare, kopplingsenheter, ventiler eller signallampor.

Dataöverföring via IO-Link sker alltid mellan en IO-Link-master och en IO-Link-enhet som är slav. Både fältbuss- och PLC-gränssnittsmoduler finns tillgängliga som IO-Link-master. Kopplingsenheter kan antingen användas som tidigare som en kopplingsingång eller kopplingsutgång, eller så kan kopplingsstatusen överföras digitalt i IO-Link-driftläge. Eftersom båda signalerna överförs via samma stift 4 är parallelldrift omöjlig. I ett IO-Link-system kan komponenter med och utan IO-Link kombineras och drivas parallellt efter behov. Standardenheter som inte är IO-Link-kompatibla kan anslutas antingen via speciella standard IO-portar eller via masterns kompatibla IO-Link-portar. Binära eller analoga sensorer kan på så sätt kopplas till fältbussnivån via mastern. IO-Link-portarnas kompatibilitet nedåt säkerställs av IO-Link-gränssnittsmodulen genom två olika driftlägen, IO-Link-läget och standard IO-läget (SIO). IO-Link-sensorer kan användas som en binär enhet. Det innebär att en IO-Link-switchsensor även kan integreras i klassiska automationslösningar. Under initialiseringen upprättar IO-Link-mastern automatiskt kommunikation. Blandad drift av standardgivare och IO-Link-givare stöds av IO-Link-standarden.

Med IO-Link används linjen för kopplingssignalen även för seriell kommunikation. Tekniskt sett är det ett halvduplexgränssnitt där data skickas och tas emot i följd. M12-kontakter används som standard. Den maximala kabellängden till IO-Link-mastern är 20 meter.

I den inledande konceptfasen för specifikationen av IO-Link-gränssnittet låg fokus på omkoppling av sensorer och ställdon. Under tiden har man insett att det är meningsfullt att använda IO-Link-gränssnittet även för mätinstrument. Fler och fler sensortillverkare erbjuder redan enheter för olika fysiska mätvariabler. I IO-Link-specifikationen är endast stift 1, 3 och 4 permanent definierade enligt stifttilldelningen för portklass A. Stift 2 och 5, som används för en extra strömförsörjning i händelse av ökade strömkrav, kan alternativt användas för den analoga utgången 0/4-20 mA eller för en andra kopplingsutgång på mätinstrumenten (fig. 3).

Så länge användaren inte helt vill avstå från den analoga utgången, erbjuder den parallella driften av analog utgång, kopplingsutgång och digitalt gränssnitt intressanta möjligheter för extern parametrering, utvärdering av felmeddelanden och diagnostiska signalfunktioner. Om styrsystemet i ett senare skede ställs om till en rent digital mätvärdesöverföring, begränsas arbetsinsatsen till en ändring av styrprogramvarans konfiguration. Mätenheter som t.ex. infraröda termometrar för beröringsfri temperaturmätning måste bearbeta de minsta signalerna i picoampereområdet. Detta kräver en hög nivå av interna åtgärder för störningsimmunitet samt externa åtgärder som t.ex. användning av en skärmad kabel. IO-Link-konsortiet framhåller att det inte krävs någon skärmad kabel för att ansluta IO-Link-enheter, eftersom digitala signaler inte kan störas. I och med introduktionen av IO-Link-gränssnittet för mätinstrument är det oundvikligt med vissa begränsningar. Marknaden har redan reagerat på detta och erbjuder prefabricerade kablar med skärmning.

IO-Link-kommunikation stöder överföring av cykliska och acykliska data. Processdata och statusinformation om giltigheten hos processdata överförs cykliskt. Enhetsdata som identifieringsdata, parametrar och diagnosinformation utbyts acykliskt på begäran av IO-Link-mastern. Dessutom signaleras händelser som felmeddelanden (kortslutning, avbrott) eller varningsmeddelanden (förorening, överhettning) till mastern av en enhet.

Enhetsprofiler definieras för IO-Link för att standardisera åtkomsten till enheterna via styrsystemets användarprogram. Datastruktur, datainnehåll och grundläggande funktionalitet definieras i dessa profiler. Detta säkerställer en identisk programåtkomst till styrenheten. Enhetsprofilen "Smart Sensor Profile" är definierad för IO-Link.

En del av en IO-Link-enhet är IODD (IO Device Description), d.v.s. en enhetsbeskrivningsfil. Strukturen i IODD är densamma för alla enheter från alla tillverkare. Detta garanterar samma hantering för alla IO-Link-enheter, oavsett tillverkare. Den innehåller all information och beskrivande texter för identifiering, enhetsparametrar med värdeintervall, felmeddelanden, process- och diagnosdata samt kommunikationsegenskaper (bild 4). Texterna kan lagras på flera språk. Portarna för de anslutna enheterna tilldelas i IO-Link-mastern (fig. 5). IO-Link-mastern ansluts sedan vanligtvis till styrsystemet som en fältbusslav.

Parametrering och diagnostik utförs automatiskt av ett funktionsblock i maskinens styrenhet. Under parametreringen frågar funktionsmodulen först efter identifieringsparametrarna för de anslutna enheterna via IO-Link. Med hjälp av en databasjämförelse kontrolleras sedan om dessa givare är godkända för maskinerna. Om så är fallet hittar funktionsmodulen även de konfigurationsparametrar som är kopplade till givarna i databasen. Om så krävs skrivs dessa automatiskt till respektive givare via IO-Link. För pyrometern kan t.ex. emissiviteten, brytpunkterna och brytkontaktens funktion, skalningen av den analoga utgången och minnet för maxvärdet parametreras (bild 6).

Temperatursimulering, självtest och återställning till fabriksinställningar är också möjliga som kommandofunktioner (fig. 7). Med hjälp av diagnosfunktionen kan man bland annat analysera fel i hård- eller mjukvara, underhållskrav eller användning av enheten utanför specifikationerna. Integrationen i styrsystemet gör också sensorerna tillgängliga för fjärrunderhåll.

Den användarspecifika parametreringen av en IO-Link-enhet kan utföras externt på tre sätt: via en PC med en USB IO-Link-master, via ett programverktyg i PLC-styrsystemet eller programstyrt av funktionsblock i systemstyrsystemet.

En gammaldags driftsättningsingenjör kommer säkert att hävda att det förr var mycket enklare att kontrollera en analog givare med hjälp av en strömmätare. Parametreringen kunde ställas in med hjälp av knappar eller omkopplare på enheten. Men om man då måste avstå från de andra fördelarna med digital kommunikation, är frågan om detta verkligen fortfarande kan vara ett avgörande inköpsargument i dagens internationella konkurrens om att optimera produktionskostnaderna.

IO-Link USB-masters erbjuds för tjänsten (fig. 8). Detta gör att en IO-Link-enhet kan styras via en PC med hjälp av ett USB-gränssnitt. Speciella IO-Link-adaptrar kan kopplas in i försörjningslinjen för att komma åt och registrera data utan återkoppling, antingen trådbundet eller trådlöst via Bluetooth. Det finns även adaptrar för kloning av enhetens parametrar.

Hur snabbt övergången till rent digital signalöverföring kommer att ske kan inte förutsägas och är säkerligen starkt beroende av maskinernas, industrins och applikationernas automationsgrad. Eftersom moderna givare med IO-Link-gränssnitt och analog utgång ofta erbjuds utan extra kostnad, är det lämpligt att använda dessa enheter i förväg när man byter ut eller utökar ett system, eller till och med för nya system. Detta gör ett senare byte extremt enkelt och möjligt utan några konverteringskostnader för sensorer och kablage.

Över 3000 IO-Link-produkter finns nu tillgängliga. IO-Link-masters finns nu tillgängliga för 16 fältbussystem. Dessutom erbjuder 8 tillverkare av styrsystem redan centraliserade mastrar. Det finns också många tillverkare av sensorer för ett stort antal mätvariabler, för objektigenkänning eller positionsdetektering samt ställdon som signallampor, ventiler, strömkontaktorer eller frekvensomformare. Olika företag erbjuder nu också tekniken för enhetsdesign och teknisk support. Certifieringskravet och användningen av ackrediterade testverktyg säkerställer att alla produkter som finns tillgängliga på marknaden uppfyller IO-Link-standarden.