Akıllı proses otomasyonu için üreticiden bağımsız IO-Link arayüzü

Endüstri 4.0, bilgi teknolojisi (BT) ve telekomünikasyon teknolojisinin birleşerek ITC'yi oluşturmasıdır. Saha cihazı seviyesine kadar uçtan uca iletişim için sensörlerin, aktüatörlerin ve veri işlemenin ağa bağlanmasına dayanır. Endüstri 4.0 vizyonu, imalat sanayinin tüm işlevleri, alanları ve segmentleri için genel sürecin kontrolüne yönelik tüm uygulamaların ekonomik faaliyete kadar dijitalleştirilmesini, otomasyonunu ve ağa bağlanmasını kapsamaktadır. Bu dönüşüm öncelikle artan müşteri gereksinimleri ve imalat şirketlerinin daha hızlı, daha dinamik ve bireyselleştirilmiş müşteri isteklerini yerine getirebilme ihtiyacından kaynaklanmaktadır. Bu da katı, merkezi üretim kontrol sistemlerinden saha cihazı seviyesine kadar merkezi olmayan zekaya geçişi gerektirmektedir.

Endüstri 4.0'ın üretim süreçlerinde kullanılmaya başlanması, gerçek zamanlı operasyonda uyarlanabilir üretim ve bireysel süreçlerin optimizasyonunu sağlamayı amaçlamaktadır. Malzemeler ve bileşenler, tanımlanan üretim ve süreç teknolojilerine uygun olarak bağımsız bir şekilde seçilmeli ve "Ürün sistemi kontrol eder" sloganı doğrultusunda gerçek zamanlı olarak uyarlanabilmeli ve yeniden ayarlanabilmelidir. Daha fazla sayıda varyanta daha hızlı yanıt verilmesi, karmaşık ürünler için daha kısa değişim döngüleri, aynı sistemle farklı serilerin veya tek tek ürünlerin üretilmesi, müşterilere özel bireyselleştirilmiş ürünler ve rekabetçi maliyetlerle küçük ve çok küçük serilerin üretilmesi sayesinde verimlilik ve esneklik artmaktadır.

Endüstri 4.0, sistemlerin önleyici bakım ve servis konseptinden, tesis sınırları ve konumları arasında bile öngörülebilir teşhis ve uzaktan bakıma doğru ilerlemektedir. Tüm bunlar, sensörler veya aktüatörler gibi bağlı akıllı veri kaynaklarına erişim gerektirmektedir.

Endüstri 4.0'ın eksikliklerinden biri, sık sık standardizasyon eksikliği ve terimin kesin olmayan tanımıdır. Sistemler arası tutarlılık ve dolayısıyla küresel kullanılabilirlik, uluslararası normlara ve standartlara dayalı teknolojiler, sistemler ve süreçler için standartlaştırılmış bir çerçeve gerektirir. Buna ek olarak, yapılandırma ilkelerinin, arayüzlerin ve veri formatlarının temel standardizasyonu söz konusudur.

Önceki ağ ve fieldbus sistemleri, sisteme özgü bir teknolojiyi destekleyen ve programlama ve yapılandırma araçlarına en iyi şekilde uyarlanan önde gelen PLC üreticileri tarafından geliştirilmiştir. Piyasada Profibus/ProfiNet (Siemens), DeviceNet ve ControlNet (Rockwell Automation), Modbus ve CANopen (Schneider Electric), Interbus (Phoenix Contact) veya CC-Link (Mitsubishi Electric) gibi birçok rakip sistem bulunmaktadır. Kullanılan PLC tipi hangi fieldbus'ın kullanılacağını belirler. Kablo uzunluğu, veri bitlerinin sayısı ve fonksiyon yelpazesinde önemli teknik farklılıklar vardır. Teşhis, talep verilerinin asiklik iletimi, alarm işleme ve münferit veri yolu düğümleri arasındaki çapraz trafik gibi diğer işlevler her fieldbus sistemi tarafından desteklenmez.

Klasik otomasyon teknolojisinde, iletişim şimdiye kadar en düşük fieldbus seviyesinde, yani sensörlerde ve aktüatörlerde sona ermiştir (Şekil 1). Çoğu durumda, burada tamamen analog veya anahtarlamalı giriş ve çıkış sinyalleriyle sınırlı olan iletişim özellikli olmayan modüller kullanılmaktadır. Piyasada bulunan dijital arayüzlü sensörler ve aktüatörler standartlaştırılmamıştır, ancak iletişim için şirkete özgü donanım ve yazılım kullanırlar. Sensöre bağlı olarak, kurulum için kontrol sisteminde özel ve pahalı modüller kullanılmalıdır. Çok çeşitli kablo tipleri ve pin atamaları ile heterojen kablolama, yüksek kurulum maliyetlerine yol açar. Hem analog hem de dijital sinyallerin parazit bağışıklığını sağlamak için yüksek ekranlama önlemleri gereklidir. Uygulamada, sinyal iletimi sırasındaki parazitin genellikle hatalı veya yetersiz ekranlamadan kaynaklandığı defalarca gösterilmiştir. Çeşitli arayüzlerin ve iletim protokollerinin ağa bağlanması ve entegrasyonu da karmaşıktır ve hatalara açıktır. Bir makine değişimi, cihazların değiştirilmesi veya incelenmesi durumunda, parametreler cihaz üzerinde manuel olarak veya ayrı bir araç kullanılarak her sensör ve aktüatör için doğrudan ayarlanmalıdır. Defalarca gösterildiği gibi bu, sistemlerin güvenli çalışması için önemli bir hata ve manipülasyon kaynağıdır. Saha cihazı seviyesinden daha üst seviyelere sürekli bir iletişim olmadığından, sensörlerden ve aktüatörlerden gelen teşhis verileri mevcut değildir. Bununla birlikte, sistemdeki konumları ve sıcak, soğuk, titreşim, kir ve nem gibi zorlu endüstriyel üretim koşulları altında kullanılmaları nedeniyle sistem duruş sürelerinden genellikle tam olarak bu tertibatlar sorumludur. Teşhis verileri olmadan, sorun giderme ve düzeltme genellikle zor ve zaman alıcıdır. Plansız duruş sürelerini önlemek için önleyici bakım bile söz konusu değildir.

Bu kadar geniş bir bus sistemi yelpazesi ve standartların eksikliği, otomasyon teknolojisinin gelişimi için büyük bir dezavantajdır. Otomasyon ürünleri üreticileri de bunun farkına varmak zorunda kalmıştır. Bu nedenle önde gelen tedarikçiler, sensörlerin ve aktüatörlerin iletişimi için genel olarak geçerli ve küresel olarak standartlaştırılmış bir I/O arayüz teknolojisi geliştirmek amacıyla bir konsorsiyum oluşturdu. Sonuç, anahtarlama cihazlarının ve sensörlerin uygun maliyetli bir noktadan noktaya bağlantı yoluyla kontrol seviyesine standartlaştırılmış, fieldbus'tan bağımsız ve üreticiden bağımsız bağlantısı için IO-Link konseptidir. Bu iletişim standardı IEC 61131-9 standardında tanımlanmıştır. IO-Link cihazları, saha cihazı seviyesinden en yüksek otomasyon seviyesine kadar şeffaflık ve sürekli iletişim yaratır (Şekil 2). Açık bir arayüz olarak IO-Link, tüm yaygın fieldbus ve otomasyon sistemlerine entegre edilebilir. IO-Link ile, analog, anahtarlama ve dijital sinyallerin önceki paralel kullanımı yerine nihayetinde sadece dijital iletim kullanılacaktır. IO-Link, aktüatör/sensör seviyesine kadar merkezi arıza teşhisi ve lokalizasyon imkanı sunar. Sensörlerin sistem kontrolünden dinamik olarak parametrelendirilebilmesi sayesinde, saha cihazları çalışma sırasında ilgili üretim gereksinimlerine göre ayarlanabilir. IO-Link arayüzüne sahip saha cihazları bu nedenle Endüstri 4.0'ın uygulanması için temel oluşturur.

IO-Link arayüzü kesinlikle haklı olarak otomasyon teknolojisinin USB arayüzü olarak adlandırılmaktadır. Her ikisi de sinyal iletimi için uygun maliyetli seri noktadan noktaya bağlantılardır ve tak-çalıştır işlemi için uygundur. Önemli bir özellik, vidalanabilir fiş bağlantılı standartlaştırılmış kablolar kullanılarak çok basit kablolama yapılmasıdır. Terminal şeritlerinin ortadan kaldırılması nedeniyle kablolamada muazzam zaman tasarrufuna ek olarak, konektör çözümü yanlış ve uygunsuz bağlantı hata kaynağını önler. Analog sinyal iletimi, anahtarlama kontağı ve harici parametrelendirme için ayrı çok pinli fiş kablolarının ortadan kaldırılması, kablolama çabasını ve kontrol kabininde gereken alanı azaltır, çünkü artık her cihazın merkezi çevreye ayrı ayrı bağlanması gerekmez. Üreticiden bağımsız standardizasyon, sensörler ve IO modülleri için arayüz çeşitliliğini ve farklı bağlantı kablolarını azaltır.

IO-Link arayüzüne sahip sensörler güvenilir bir teşhis seçeneği sunar. Teşhis mesajları, özellikle de önleyici durum mesajları, açıklama da dahil olmak üzere iletilebilir ve HMI'da (İnsan Makine Arayüzü) görüntülenebilir. Bu sayede bir sensör arızası, optik sensörlerin kirlenmesi, kabul edilemez bir çalışma sıcaklığı, kablo kopması veya kısa devre durumunda hızlı bir şekilde tepki vermek ve uzun duruş sürelerini önlemek mümkün olur.

Bununla birlikte, bir sensörün değiştirilmesi gerektiğinde, şimdiye kadar önemli bir hata kaynağı doğru parametrelendirme ve hatta yanlış sensör kullanımı olmuştur. IO-Link cihazlarında parametreler IO-Link master'da saklanır. IO-Link ile cihazlar benzersiz seri numaraları, satıcı ve cihaz kimlikleri ile tanımlanır, bu da cihazların karıştırılmasını önler. Bir cihaz değiştirildiğinde, parametreler de otomatik olarak sensöre aktarılır. Bu, yanlış çalışmayı ve hatta manipülasyonu önler. Parametre değişiklikleri de belgelenebilir ve böylece daha sonraki bir tarihte izlenebilir.

IO-Link veri iletimi 24 V sinyale dayanır ve bu nedenle elektromanyetik girişime karşı özellikle duyarsızdır. Sinyal iletimi tamamen dijital olduğundan ve sağlama toplamları ile güvence altına alındığından, analog sinyallerde olduğu gibi sinyal dönüşümlerinden kaynaklanan hatalı iletimler ve yanlışlıklar göz ardı edilir. Korumalı kablolar ve ayrı topraklama önlemleri genellikle gerekli değildir.

Bir IO-Link sistemi, Profinet, Ethernet/IP gibi üst düzey iletişim sistemleri ile IO-Link cihazları arasında bir ağ geçidi olarak IO-Link master'larından oluşur. IO-Link cihazları sensörler, anahtarlama cihazları, valfler veya sinyal lambaları gibi iletişim özellikli saha cihazlarıdır.

IO-Link üzerinden veri iletimi her zaman bir IO-Link master ile slave olarak IO-Link cihazı arasında gerçekleştirilir. Hem fieldbus arayüz modülleri hem de PLC arayüz modülleri IO-Link master olarak kullanılabilir. Anahtarlama cihazları ya daha önce olduğu gibi bir anahtarlama girişi veya anahtarlama çıkışı gibi çalıştırılabilir ya da anahtarlama durumu IO-Link çalışma modunda dijital olarak iletilebilir. Her iki sinyal de aynı pin 4 üzerinden iletildiğinden, paralel çalışma mümkün değildir. Bir IO-Link sisteminde, IO-Link'li ve IO-Link'siz bileşenler birleştirilebilir ve gerektiğinde paralel olarak çalıştırılabilir. IO-Link özellikli olmayan standart cihazlar ya özel standart IO portları üzerinden ya da master'ın uyumlu IO-Link portları üzerinden bağlanabilir. Böylece ikili veya analog sensörler master üzerinden fieldbus seviyesine bağlanabilir. IO-Link portlarının aşağı doğru uyumluluğu, IO-Link arayüz modülü tarafından iki farklı çalışma modu, IO-Link modu ve standart IO modu (SIO) aracılığıyla sağlanır. IO-Link sensörleri ikili bir cihaz gibi çalıştırılabilir. Bu, bir IO-Link anahtar sensörünün klasik otomasyon çözümlerine de entegre edilebileceği anlamına gelir. Başlatma sırasında, IO-Link master otomatik olarak iletişim kurar. Standart sensörlerin ve IO-Link sensörlerinin karışık çalışması IO-Link standardı tarafından desteklenir.

IO-Link ile anahtarlama sinyali hattı seri iletişim için de kullanılır. Teknik olarak, verilerin art arda gönderildiği ve alındığı yarı çift yönlü bir arayüzdür. Standart olarak M12 konektörler kullanılır. IO-Link master'a giden maksimum kablo uzunluğu 20 metredir.

IO-Link arayüzünün spesifikasyonu için ilk konsept aşamasında, sensörlerin ve aktüatörlerin anahtarlanmasına odaklanılmıştır. Bu arada, IO-Link arayüzünün kullanımının ölçüm cihazları için de mantıklı olduğu kabul edilmiştir. Giderek daha fazla sayıda sensör üreticisi çeşitli fiziksel ölçüm değişkenleri için cihazlar sunmaktadır. IO-Link spesifikasyonunda, Port Class A pin atamasına göre sadece 1, 3 ve 4 numaralı pinler kalıcı olarak tanımlanmıştır. Artan akım gereksinimleri durumunda ek bir güç kaynağı için kullanılan 2 ve 5 numaralı pinler, alternatif olarak 0/4-20 mA analog çıkışı veya ölçüm cihazlarında ikinci bir anahtarlama çıkışı için kullanılabilir (Şekil 3).

Kullanıcı analog çıkıştan tamamen vazgeçmek istemediği sürece, analog çıkış, anahtarlama çıkışı ve dijital arayüzün paralel çalışması, harici parametrelendirme, arıza mesajlarının değerlendirilmesi ve teşhis sinyali işlevleri için ilginç olanaklar sunar. Kontrol sistemi daha sonra tamamen dijital ölçüm değeri aktarımına dönüştürülürse, ilgili çaba kontrol yazılımının yapılandırmasını değiştirmekle sınırlıdır. Temassız sıcaklık ölçümü için kızılötesi termometreler gibi ölçüm cihazları, piko-amper aralığındaki en küçük sinyalleri işlemek zorundadır. Bu, yüksek düzeyde dahili parazit bağışıklığı önlemlerinin yanı sıra korumalı kablo kullanımı gibi harici önlemler gerektirir. IO-Link konsorsiyumu, dijital sinyallere müdahale edilemeyeceği için IO-Link cihazlarını bağlamak için blendajlı kabloya gerek olmadığı gerçeğinin reklamını yapmaktadır. Ölçüm cihazları için IO-Link arayüzünün kullanılmaya başlanmasıyla birlikte bazı kısıtlamalar kaçınılmaz olmuştur. Piyasa buna çoktan tepki verdi ve ekranlı prefabrik kablolar sunuyor.

IO-Link iletişimi döngüsel ve asiklisel verilerin iletimini destekler. Proses verileri ve proses verilerinin geçerliliği hakkındaki durum bilgileri döngüsel olarak iletilir. Tanımlama verileri, parametreler ve teşhis bilgileri gibi cihaz verileri, IO-Link master'ın talebi üzerine döngüsel olarak değiş tokuş edilir. Ayrıca, hata mesajları (kısa devre, kesinti) veya uyarı mesajları (kirlenme, aşırı ısınma) gibi olaylar bir cihaz tarafından master'a bildirilir.

Cihaz profilleri, kontrol sisteminin kullanıcı programı tarafından cihazlara erişimi standartlaştırmak amacıyla IO-Link için tanımlanmıştır. Veri yapısı, veri içeriği ve temel işlevsellik bu profillerde tanımlanmıştır. Bu, kontrolöre aynı program erişimini sağlar. "Akıllı Sensör Profili" cihaz profili IO-Link için tanımlanmıştır.

IODD (IO Cihaz Tanımı), yani bir cihaz tanım dosyası, IO-Link cihazının bir bileşenidir. IODD'nin yapısı tüm üreticilerin tüm cihazları için aynıdır. Bu, üreticiden bağımsız olarak tüm IO-Link cihazları için aynı kullanımı garanti eder. Tanımlama için tüm bilgileri ve açıklayıcı metinleri, değer aralıklarıyla birlikte cihaz parametrelerini, hata mesajlarını, süreç ve teşhis verilerinin yanı sıra iletişim özelliklerini içerir (Şekil 4). Metinler birden fazla dilde saklanabilir. Bağlı cihazların portları IO-Link master'da atanır (Şekil 5). IO-Link master daha sonra genellikle kontrol sistemine bir fieldbus slave olarak bağlanır.

Parametreleme ve teşhis, makine kontrol ünitesindeki bir fonksiyon bloğu tarafından otomatik olarak gerçekleştirilir. Parametreleme sırasında fonksiyon modülü ilk olarak IO-Link üzerinden bağlı cihazların tanımlama parametrelerini sorgular. Daha sonra bu sensörlerin makineler için yetkili olup olmadığını kontrol etmek için bir veritabanı karşılaştırması kullanılır. Eğer durum böyleyse, fonksiyon modülü veritabanındaki sensörlerle ilişkili yapılandırma parametrelerini de bulur. Gerekirse bunlar daha sonra IO-Link aracılığıyla ilgili sensörlere otomatik olarak yazılır. Örneğin, emisivite, anahtarlama noktaları ve anahtarlama kontağının işlevi, analog çıkışın ölçeklendirilmesi ve maksimum değer belleği pirometre için parametrelendirilebilir (Şekil 6).

Komut fonksiyonları olarak sıcaklık simülasyonu, kendi kendini test etme ve fabrika ayarlarına sıfırlama da mümkündür (Şekil 7). Donanım veya yazılımdaki hatalar, bakım talepleri veya cihazın spesifikasyon dışında çalıştırılması, diğer şeylerin yanı sıra teşhis fonksiyonu kullanılarak analiz edilebilir. Kontrol sistemine entegrasyon, sensörlerin uzaktan bakım için erişilebilir olmasını da sağlar.

Bir IO-Link cihazının kullanıcıya özel parametrelendirmesi harici olarak üç şekilde gerçekleştirilebilir: USB IO-Link master'lı bir PC aracılığıyla, PLC kontrol sistemindeki bir yazılım aracı aracılığıyla veya sistem kontrol sistemindeki fonksiyon blokları tarafından program kontrollü olarak.

Eski bir devreye alma mühendisi, bir akım ölçüm cihazı kullanarak analog bir sensörü kontrol etmenin eskiden çok daha kolay olduğunu kesinlikle iddia edecektir. Parametreleme, cihaz üzerindeki düğmeler veya anahtarlar kullanılarak ayarlanabilirdi. Ancak bu durumda dijital iletişimin diğer avantajlarından mahrum kalmanız gerekiyorsa, üretim maliyetlerini optimize etmek için uluslararası rekabette bunun gerçekten de belirleyici bir faktör olup olamayacağı sorusu ortaya çıkmaktadır.

Hizmet için IO-Link USB master'lar sunulmaktadır (Şekil 8). Bu, bir IO-Link cihazının bir USB arayüzü kullanılarak bir PC üzerinden çalıştırılmasını sağlar. Özel IO-Link adaptörleri, kablolu veya Bluetooth üzerinden kablosuz olarak geri bildirim olmadan verilere erişmek ve kaydetmek için besleme hattına bağlanabilir. Cihaz parametrelerini klonlamak için adaptörler de mevcuttur.

Tamamen dijital sinyal iletişimine geçişin ne kadar hızlı gerçekleşeceği tahmin edilemez ve kesinlikle makinelerin, endüstrinin ve uygulamaların otomasyon derecesine yakından bağlıdır. IO-Link arayüzüne ve analog çıkışa sahip modern sensörler genellikle ekstra maliyet olmadan sunulduğundan, bir sistemi değiştirirken veya genişletirken, hatta yeni sistemler için bu cihazların önceden kullanılması tavsiye edilir. Bu, daha sonra yapılacak bir değişikliği son derece basit hale getirir ve sensörler ve kablolama için herhangi bir dönüştürme maliyeti olmadan mümkün kılar.

Şu anda 3000'den fazla IO-Link ürünü mevcuttur. IO-Link master'ları şu anda 16 fieldbus sistemi için mevcuttur. Buna ek olarak, 8 kontrol sistemi üreticisi halihazırda merkezi ana sistemler sunmaktadır. Çok çeşitli ölçülen değişkenler, nesne tanıma veya konum algılama için sensörlerin yanı sıra sinyal lambaları, valfler, güç kontaktörleri veya frekans dönüştürücüler gibi aktüatörlerin de çok sayıda üreticisi vardır. Çeşitli şirketler artık cihaz tasarımı ve teknik destek için teknoloji de sunmaktadır. Sertifikasyon gerekliliği ve akredite test araçlarının kullanımı, piyasada bulunan tüm ürünlerin IO-Link standardını karşılamasını sağlar.