Giao diện IO-Link độc lập với nhà sản xuất cho tự động hóa quy trình thông minh

Công nghiệp 4.0 là sự hợp nhất giữa công nghệ thông tin (IT) và công nghệ viễn thông thành ITC. Cơ sở của nó là kết nối các cảm biến, bộ truyền động và xử lý dữ liệu để liên lạc liên tục cho đến cấp độ thiết bị hiện trường. Tầm nhìn của Công nghiệp 4.0 bao gồm số hóa, tự động hóa và kết nối mạng tất cả các ứng dụng để điều khiển toàn bộ quá trình cho tất cả các chức năng, lĩnh vực và phân khúc của ngành công nghiệp sản xuất, cho đến hoạt động kinh tế. Sự chuyển đổi này chủ yếu được thúc đẩy bởi nhu cầu ngày càng cao của khách hàng và sự cần thiết của các công ty sản xuất trong việc đáp ứng nhu cầu của khách hàng một cách nhanh chóng, năng động và cá nhân hóa hơn. Điều này đòi hỏi sự chuyển đổi từ các hệ thống điều khiển sản xuất tập trung, cứng nhắc sang hệ thống thông minh phi tập trung cho đến cấp thiết bị hiện trường.

Với sự ra đời của Công nghiệp 4.0 trong các quy trình sản xuất, mục tiêu là đạt được sản xuất thích ứng và tối ưu hóa các quy trình riêng lẻ trong hoạt động thời gian thực. Theo các kỹ thuật sản xuất và quy trình đã định nghĩa, vật liệu và linh kiện sẽ được lựa chọn một cách độc lập và có thể điều chỉnh và tái điều chỉnh trong thời gian thực theo phương châm "Sản phẩm điều khiển hệ thống". Lợi ích là tăng hiệu quả và tính linh hoạt nhờ phản ứng nhanh hơn với sự đa dạng cao hơn, chu kỳ chuyển đổi ngắn hơn đối với các sản phẩm phức tạp, sản xuất các dòng sản phẩm khác nhau hoặc các sản phẩm riêng lẻ bằng cùng một hệ thống, các sản phẩm được cá nhân hóa theo nhu cầu của khách hàng, cũng như sản xuất các dòng sản phẩm nhỏ và siêu nhỏ với chi phí cạnh tranh.

Với Công nghiệp 4.0, khái niệm này đang chuyển từ bảo trì và bảo dưỡng phòng ngừa của hệ thống sang chẩn đoán dự đoán và bảo trì từ xa ngay cả ngoài phạm vi nhà máy và địa điểm. Tất cả điều này đòi hỏi quyền truy cập vào các nguồn dữ liệu thông minh được kết nối như cảm biến hoặc bộ truyền động.

Một nhược điểm của Công nghiệp 4.0 là thiếu tiêu chuẩn và định nghĩa không chính xác về thuật ngữ này. Tính nhất quán giữa các hệ thống và do đó khả năng ứng dụng trên toàn thế giới đòi hỏi các điều kiện khung thống nhất cho công nghệ, hệ thống và quy trình dựa trên các tiêu chuẩn và quy chuẩn quốc tế. Ngoài ra, còn có sự thống nhất cơ bản về các nguyên tắc cấu trúc, giao diện và định dạng dữ liệu.

Các mạng và hệ thống bus trường hiện tại được phát triển bởi các nhà sản xuất PLC hàng đầu, hỗ trợ công nghệ dành riêng cho hệ thống và được điều chỉnh tối ưu cho các công cụ lập trình và cấu hình của họ. Do đó, có nhiều hệ thống cạnh tranh nhau trên thị trường, chẳng hạn như Profibus/ProfiNet (Siemens), DeviceNet và ControlNet (Rockwell Automation), Modbus và CANopen (Schneider Electric), Interbus (Phoenix Contact) hoặc CC-Link (Mitsubishi Electric). Loại PLC được sử dụng quyết định loại bus trường được sử dụng. Có những khác biệt kỹ thuật cơ bản về chiều dài cáp, số bit dữ liệu và phạm vi chức năng. Các chức năng nâng cao như chẩn đoán, truyền dữ liệu theo yêu cầu không theo chu kỳ, xử lý báo động và giao tiếp chéo giữa các thiết bị tham gia bus không được hỗ trợ bởi tất cả các hệ thống bus trường.

Trong công nghệ tự động hóa cổ điển, giao tiếp cho đến nay chỉ dừng lại ở cấp độ bus trường thấp nhất, tức là ở các cảm biến và bộ truyền động (Hình 1). Ở đó, thường sử dụng các mô-đun không có khả năng giao tiếp, chỉ giới hạn ở các tín hiệu đầu vào và đầu ra hoàn toàn tương tự hoặc chuyển mạch. Các cảm biến và bộ truyền động có giao diện kỹ thuật số hiện có trên thị trường không được tiêu chuẩn hóa, mà sử dụng phần cứng và phần mềm riêng của từng công ty để giao tiếp. Để lắp đặt, tùy thuộc vào cảm biến, các mô-đun đặc biệt và đắt tiền phải được sử dụng trong hệ thống điều khiển. Việc nối dây không đồng nhất với các loại dây và bố trí kết nối khác nhau dẫn đến chi phí lắp đặt cao. Để đảm bảo khả năng chống nhiễu của cả tín hiệu analog và kỹ thuật số, cần phải thực hiện các biện pháp che chắn cao. Trong thực tế, nhiễu trong truyền tín hiệu thường là do che chắn không đúng hoặc không đủ. Việc kết nối và tích hợp các giao diện và giao thức truyền tải khác nhau cũng tốn kém và dễ xảy ra lỗi. Khi thay đổi máy móc, thay thế hoặc kiểm tra thiết bị, các thông số phải được cài đặt thủ công trên thiết bị hoặc bằng một công cụ riêng biệt cho từng cảm biến và bộ truyền động. Như đã thấy nhiều lần, đây là một nguồn lỗi và thao túng đáng kể đối với hoạt động an toàn của hệ thống. Do không có giao tiếp liên tục từ cấp thiết bị hiện trường với các cấp trên, dữ liệu chẩn đoán của cảm biến và bộ truyền động không có sẵn. Tuy nhiên, chính những bộ phận này thường là nguồn gốc của các lỗi dẫn đến ngừng hoạt động của hệ thống do vị trí của chúng trong hệ thống và việc sử dụng trong điều kiện sản xuất công nghiệp khó khăn như nhiệt, lạnh, rung động, bụi bẩn và độ ẩm. Nếu không có dữ liệu chẩn đoán, việc tìm kiếm và khắc phục lỗi thường rất khó khăn và tốn thời gian. Không thể nghĩ đến việc bảo trì phòng ngừa để tránh thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch.

Sự đa dạng của các hệ thống bus và sự thiếu vắng các tiêu chuẩn là một bất lợi lớn cho sự phát triển của công nghệ tự động hóa. Các nhà sản xuất sản phẩm tự động hóa cũng phải nhận ra điều này. Do đó, các nhà cung cấp hàng đầu đã hợp tác thành lập một liên minh với mục tiêu phát triển một công nghệ giao diện I/O tiêu chuẩn hóa trên toàn cầu cho việc truyền thông giữa các cảm biến và bộ truyền động. Kết quả là khái niệm IO-Link ra đời, cho phép kết nối các thiết bị chuyển mạch và cảm biến với cấp điều khiển một cách thống nhất, độc lập với bus trường và không phụ thuộc vào nhà sản xuất bằng cách sử dụng kết nối điểm-điểm tiết kiệm chi phí. Tiêu chuẩn giao tiếp này được định nghĩa trong tiêu chuẩn IEC 61131-9. Các thiết bị IO-Link tạo ra sự minh bạch và giao tiếp liên tục từ cấp thiết bị hiện trường đến cấp tự động hóa cao nhất (Hình 2). Là một giao diện mở, IO-Link có thể được tích hợp vào tất cả các hệ thống bus hiện trường và tự động hóa phổ biến. Với IO-Link, cuối cùng, thay vì sử dụng song song các tín hiệu analog, chuyển mạch và kỹ thuật số như trước đây, chỉ sử dụng truyền dẫn kỹ thuật số. IO-Link cung cấp khả năng chẩn đoán và định vị lỗi tập trung cho đến cấp độ bộ truyền động/cảm biến. Nhờ khả năng thiết lập tham số động cho cảm biến từ hệ thống điều khiển thiết bị, các thiết bị hiện trường có thể được điều chỉnh theo các yêu cầu sản xuất tương ứng trong quá trình vận hành. Các thiết bị hiện trường có giao diện IO-Link do đó tạo nền tảng cho việc triển khai Công nghiệp 4.0.

Giao diện IO-Link chắc chắn được coi là giao diện USB của công nghệ tự động hóa. Cả hai đều là các kết nối điểm-điểm nối tiếp tiết kiệm chi phí để truyền tín hiệu và phù hợp cho hoạt động cắm và chạy. Một tính năng quan trọng là việc nối dây rất đơn giản bằng cách sử dụng các dây tiêu chuẩn với đầu cắm có thể vặn vít. Ngoài việc tiết kiệm rất nhiều thời gian nối dây do không cần sử dụng thanh kẹp, giải pháp đầu cắm còn tránh được nguồn lỗi do kết nối sai và không đúng cách. Việc loại bỏ các cáp đa cực riêng biệt để truyền tín hiệu analog, tiếp điểm chuyển mạch và cài đặt tham số bên ngoài giúp giảm thiểu công việc nối dây cũng như không gian cần thiết trong tủ điều khiển, vì không còn cần phải kết nối từng thiết bị riêng biệt với thiết bị ngoại vi trung tâm. Tiêu chuẩn hóa giữa các nhà sản xuất giúp giảm sự đa dạng của các giao diện cảm biến và mô-đun IO cũng như các dây kết nối khác nhau.

Cảm biến có giao diện IO-Link cung cấp khả năng chẩn đoán đáng tin cậy. Các thông báo chẩn đoán, đặc biệt là các thông báo trạng thái phòng ngừa, có thể được chuyển tiếp kèm theo mô tả và hiển thị trên HMI (Giao diện người-máy). Do đó, trong trường hợp cảm biến bị hỏng, cảm biến quang học bị bẩn, nhiệt độ hoạt động không cho phép, đứt dây hoặc ngắn mạch, có thể phản ứng nhanh chóng và tránh thời gian ngừng hoạt động kéo dài.

Tuy nhiên, nếu vẫn cần thay thế cảm biến, một nguồn lỗi lớn là do cài đặt tham số không chính xác hoặc thậm chí là sử dụng cảm biến sai. Với các thiết bị IO-Link, các thông số được lưu trữ trong IO-Link Master. Với IO-Link, thiết bị được nhận dạng bằng số sê-ri, ID nhà cung cấp và ID thiết bị duy nhất, giúp loại trừ khả năng nhầm lẫn giữa các thiết bị. Khi thay thế một thiết bị, các thông số cũng được truyền tự động đến cảm biến. Do đó, không thể xảy ra sai sót trong vận hành hoặc thậm chí là thao túng. Ngoài ra, các thay đổi thông số có thể được ghi lại và theo dõi sau này.

Truyền dữ liệu IO-Link dựa trên tín hiệu 24 V và do đó đặc biệt không nhạy cảm với nhiễu điện từ. Vì truyền tín hiệu hoàn toàn bằng kỹ thuật số và được bảo mật bằng tổng kiểm tra, nên không có trường hợp truyền tín hiệu sai và không chính xác do chuyển đổi tín hiệu như trong trường hợp tín hiệu tương tự. Thông thường không cần dây dẫn được bảo vệ và các biện pháp nối đất riêng biệt.

Hệ thống IO-Link bao gồm các thiết bị chủ IO-Link làm cổng kết nối giữa các hệ thống truyền thông cấp trên như Profinet, Ethernet/IP và các thiết bị IO-Link. Các thiết bị IO-Link là các thiết bị trường có khả năng truyền thông như cảm biến, thiết bị chuyển mạch, van hoặc đèn báo hiệu.

Việc truyền dữ liệu qua IO-Link cơ bản được thực hiện giữa một thiết bị chủ IO-Link và thiết bị IO-Link làm thiết bị phụ. Cả mô-đun kết nối bus trường và mô-đun giao diện PLC đều có thể được sử dụng làm IO-Link Master. Các thiết bị chuyển mạch có thể được vận hành như trước đây như một đầu vào chuyển mạch hoặc đầu ra chuyển mạch, hoặc trạng thái chuyển mạch có thể được truyền tải kỹ thuật số trong chế độ vận hành IO-Link. Vì cả hai tín hiệu đều được truyền tải qua cùng một chân 4, nên không thể vận hành song song. Trong hệ thống IO-Link, các thành phần có và không có IO-Link có thể được kết hợp tùy ý và vận hành song song. Các thiết bị tiêu chuẩn không tương thích với IO-Link có thể được kết nối qua các cổng IO tiêu chuẩn đặc biệt hoặc qua các cổng IO-Link tương thích của Master. Cảm biến nhị phân hoặc analog có thể được kết nối với cấp bus trường qua Master. Khả năng tương thích ngược của các cổng IO-Link được đảm bảo bởi mô-đun kết nối IO-Link thông qua hai chế độ hoạt động khác nhau là chế độ IO-Link và chế độ IO tiêu chuẩn (SIO). Cảm biến IO-Link có thể được vận hành như một thiết bị nhị phân. Do đó, cảm biến chuyển mạch IO-Link cũng có thể được tích hợp vào các giải pháp tự động hóa cổ điển. Khi khởi tạo, IO-Link Master tự động thiết lập kết nối. IO-Link Standard hỗ trợ hoạt động kết hợp giữa cảm biến tiêu chuẩn và cảm biến IO-Link.

Trong IO-Link, đường dây cho tín hiệu chuyển mạch được sử dụng đồng thời cho giao tiếp nối tiếp. Về mặt kỹ thuật, đây là một giao diện bán song công, trong đó việc gửi và nhận dữ liệu được thực hiện lần lượt. Tiêu chuẩn sử dụng đầu cắm M12. Chiều dài cáp tối đa đến IO-Link Master là 20 m.

Trong giai đoạn thiết kế ban đầu để xác định thông số kỹ thuật của giao diện IO-Link, trọng tâm được đặt vào các cảm biến và bộ truyền động chuyển mạch. Hiện nay, người ta đã nhận ra rằng việc sử dụng giao diện IO-Link cũng rất hữu ích cho các thiết bị đo lường. Ngày càng có nhiều nhà sản xuất cảm biến cung cấp các thiết bị cho các đại lượng vật lý khác nhau. Trong đặc tả IO-Link, theo bố trí cổng Port Class A, chỉ có các chân 1, 3 và 4 được định nghĩa cố định. Chân 2 và 5, được sử dụng khi cần thiết để cung cấp điện áp bổ sung khi nhu cầu điện tăng, có thể được sử dụng cho đầu ra analog 0/4-20 mA hoặc cho đầu ra chuyển mạch thứ hai trong các thiết bị đo lường (Hình 3).

Miễn là người dùng chưa muốn từ bỏ hoàn toàn đầu ra analog, việc vận hành song song đầu ra analog, đầu ra chuyển mạch và giao diện kỹ thuật số sẽ mang lại những khả năng thú vị cho việc thiết lập tham số bên ngoài, đánh giá các thông báo lỗi và chức năng tín hiệu chẩn đoán. Nếu sau này hệ thống điều khiển được chuyển sang truyền dữ liệu đo lường hoàn toàn bằng kỹ thuật số, công việc chỉ giới hạn ở việc thay đổi cấu hình phần mềm điều khiển. Các thiết bị đo lường như nhiệt kế hồng ngoại để đo nhiệt độ không tiếp xúc phải xử lý các tín hiệu nhỏ nhất trong phạm vi pico-ampere. Điều này đòi hỏi các biện pháp chống nhiễu nội bộ ở mức cao cũng như các biện pháp bên ngoài như sử dụng dây cáp được che chắn. Mặc dù vậy, IO-Link Consortium quảng cáo rằng không cần dây cáp được che chắn để kết nối các thiết bị IO-Link vì tín hiệu kỹ thuật số không bị nhiễu. Với sự ra đời của giao diện IO-Link trên các thiết bị đo lường, một số hạn chế nhất định là không thể tránh khỏi. Thị trường đã phản ứng với điều này và cung cấp các dây cáp được sản xuất sẵn với lớp bảo vệ.

Giao tiếp IO-Link hỗ trợ truyền dữ liệu theo chu kỳ và không theo chu kỳ. Dữ liệu quá trình và thông tin trạng thái về tính hợp lệ của dữ liệu quá trình được truyền theo chu kỳ. Dữ liệu thiết bị như dữ liệu nhận dạng, thông số và thông tin chẩn đoán được trao đổi không theo chu kỳ theo yêu cầu của IO-Link Master. Ngoài ra, các sự kiện như thông báo lỗi (ngắn mạch, gián đoạn) hoặc cảnh báo (bụi bẩn, quá nhiệt) cũng được báo cáo từ thiết bị đến Master.

Để thống nhất việc truy cập của chương trình ứng dụng điều khiển vào các thiết bị, các cấu hình thiết bị IO-Link được xác định. Trong đó, cấu trúc dữ liệu, nội dung dữ liệu và chức năng cơ bản được quy định. Nhờ đó, việc truy cập chương trình điều khiển được thực hiện một cách đồng nhất. Đối với IO-Link, cấu hình thiết bị "Smart Sensor Profile" (Cấu hình cảm biến thông minh) đã được định nghĩa.

Một thành phần của thiết bị IO-Link là IODD (IO Device Description), tức là tệp mô tả thiết bị. Cấu trúc của IODD giống nhau cho tất cả các thiết bị của tất cả các nhà sản xuất. Điều này đảm bảo cách xử lý giống nhau cho tất cả các thiết bị IO-Link, bất kể nhà sản xuất. Trong đó bao gồm tất cả thông tin và văn bản mô tả để nhận dạng, các thông số thiết bị với phạm vi giá trị, thông báo lỗi, dữ liệu quá trình và chẩn đoán cũng như các đặc tính truyền thông (Hình 4). Các văn bản có thể được lưu trữ bằng nhiều ngôn ngữ. Trong IO-Link Master, các cổng của các thiết bị được kết nối được gán cho nhau (Hình 5). IO-Link Master sau đó thường được kết nối với bộ điều khiển dưới dạng nô lệ bus trường.

Việc cài đặt thông số và chẩn đoán được thực hiện tự động bằng một mô-đun chức năng trong hệ thống điều khiển máy. Trong quá trình cài đặt thông số, mô-đun chức năng trước tiên sẽ truy vấn các thông số nhận dạng của các thiết bị được kết nối qua IO-Link. Sau đó, hệ thống sẽ so sánh cơ sở dữ liệu để kiểm tra xem các cảm biến này có được phép sử dụng cho máy hay không. Nếu kết quả là tích cực, mô-đun chức năng cũng sẽ tìm thấy các thông số cấu hình thuộc về các cảm biến trong cơ sở dữ liệu. Sau đó, các thông số này sẽ được ghi tự động vào các cảm biến tương ứng qua IO-Link nếu cần. Ví dụ, với nhiệt kế (hình 6), có thể thiết lập các thông số như độ phát xạ, điểm chuyển mạch và chức năng của tiếp điểm chuyển mạch, tỷ lệ của đầu ra tương tự và bộ nhớ giá trị tối đa.

Ngoài ra, các chức năng điều khiển như mô phỏng nhiệt độ, tự kiểm tra và thiết lập lại cài đặt gốc cũng có thể được thực hiện (Hình 7). Các lỗi trong phần cứng hoặc phần mềm, yêu cầu bảo trì hoặc vận hành thiết bị ngoài phạm vi quy định có thể được đánh giá thông qua chức năng chẩn đoán. Với việc tích hợp vào hệ thống điều khiển, các cảm biến cũng có thể được truy cập để bảo trì từ xa.

Việc thiết lập thông số cho thiết bị IO-Link theo yêu cầu của người dùng có thể được thực hiện từ bên ngoài theo ba cách: qua PC với USB IO-Link-Master, qua công cụ phần mềm trong hệ thống điều khiển PLC hoặc bằng chương trình điều khiển thông qua các mô-đun chức năng của hệ thống điều khiển thiết bị.

Một kỹ sư vận hành có kinh nghiệm lâu năm chắc chắn sẽ cho rằng trước đây việc kiểm tra cảm biến analog bằng thiết bị đo dòng điện dễ dàng hơn nhiều. Các thông số có thể được cài đặt bằng nút bấm hoặc công tắc trên thiết bị. Tuy nhiên, nếu phải từ bỏ các lợi ích khác của truyền thông kỹ thuật số, câu hỏi đặt ra là liệu điều này có thực sự là một yếu tố quyết định mua hàng trong bối cảnh cạnh tranh quốc tế nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất hay không.

IO-Link USB-Master được cung cấp cho dịch vụ (Hình 8). Điều này cho phép vận hành thiết bị IO-Link qua PC bằng giao diện USB. Bộ chuyển đổi IO-Link đặc biệt có thể được lắp vào dây dẫn để truy cập và ghi lại dữ liệu bằng cáp hoặc không dây qua Bluetooth mà không gây phản ứng ngược. Bộ chuyển đổi để sao chép thông số thiết bị cũng có sẵn.

Không thể dự đoán được tốc độ chuyển đổi sang truyền thông tín hiệu hoàn toàn kỹ thuật số sẽ diễn ra nhanh như thế nào, và điều này chắc chắn phụ thuộc chặt chẽ vào mức độ tự động hóa của máy móc, công nghiệp và các ứng dụng. Vì các cảm biến hiện đại có giao diện IO-Link và đầu ra analog thường được cung cấp mà không tính thêm chi phí, nên khi thay thế, mở rộng hệ thống hoặc lắp đặt hệ thống mới, bạn nên sử dụng các thiết bị này một cách có tầm nhìn xa. Việc chuyển đổi sau này sẽ trở nên rất đơn giản và có thể thực hiện mà không tốn chi phí chuyển đổi cảm biến và hệ thống dây điện.

Hiện tại, đã có hơn 3000 sản phẩm IO-Link được cung cấp. IO-Link Master hiện đã có sẵn cho 16 hệ thống bus trường. Ngoài ra, 8 nhà sản xuất bộ điều khiển cũng đã cung cấp Master trung tâm. Ngoài ra, còn có nhiều nhà sản xuất cảm biến cho các đại lượng đo lường khác nhau, để nhận dạng đối tượng hoặc ghi nhận vị trí, cũng như các bộ truyền động như đèn tín hiệu, van, công tắc công suất hoặc bộ chuyển đổi tần số. Hiện nay, nhiều công ty cũng cung cấp công nghệ thiết kế thiết bị và hỗ trợ kỹ thuật. Yêu cầu chứng nhận và sử dụng các công cụ kiểm tra được công nhận đảm bảo rằng tất cả các sản phẩm có sẵn trên thị trường đều tuân thủ tiêu chuẩn IO-Link.