Standard wymiany danych IO-Link

Stosując standard IO-Link automatyk ma do dyspozycji narzędzia programowe, za pomocą których parametryzuje poszczególne urządzenia. Narzędzia te mają również za zadanie wspieranie konfiguracji oraz zarządzania danymi. Ważna jest przy tym nie tylko szybka konfiguracja, ale i łatwe uruchomienie systemu. Narzędzia programowe zapewniają szybką aktualizację dokumentacji zwłaszcza w odniesieniu do elementów wykonawczych i czujników.

System IO-Link to proste i standardowe okablowanie, co gwarantuje zredukowanie liczby różnych interfejsów, zarówno urządzeń wykonawczych jak i czujników. Ponadto czujniki mają zunifikowany interfejs bez względu na stopień skomplikowania. Ograniczana jest liczba typów i podzespołów, a także zyskuje się oszczędność miejsca zabudowy. Dowolną kombinację urządzeń (czujniki, elementy wykonawcze) zgodne ze standardem IO-Link można łączyć w masterze IO-Link z modułami bez IO-Link.

System IO-Link gwarantuje spójną komunikację między urządzeniami wykonawczymi i czujnikami a sterownikiem odpowiedzialnym za zarządzanie danymi. Ważny jest dostęp do wszystkich danych procesowych oraz informacji o urządzeniu i danych dotyczących diagnostyki. Diagnostyka może być wykonywana zdalnie i realizowana do poziomu elementów wykonawczych oraz czujników, dzięki czemu minimalizowana jest liczba przestojów i awarii systemu przy możliwości skutecznego optymalizowania serwisu i zabezpieczeniu produkcji.

Możliwa jest również dynamiczna zmiana parametrów elementów wykonawczych i czujników przez sterownik. Zmianę parametrów oraz zmianę algorytmu sterowania można wykonać z poziomu panelu operatorskiego.

W przypadku wymiany modułu ważna jest automatyczna parametryzacja, co minimalizuje przestoje. Wymianę modułów można przeprowadzić w prosty sposób bez konieczności używania dodatkowych narzędzi, a system jest zabezpieczony przed wpisaniem niewłaściwych parametrów. Trzeba mieć na uwadze zintegrowaną identyfikację urządzeń, a także identyfikację dołączonego modułu. Maszyna będzie sprawnie funkcjonować również po wymianie modułu.

Komponenty systemu IO-Link

Typowy system IO-Link bazuje na kilku stałych komponentach – IO-Link master i IO-Link device (np. moduły IO, głowica RFID, czujnik, zawory itp.). Do wymiany danych i zasilania komponentów służy standardowy, nieekranowany kabel 3- lub 5-żyłowy. Konfigurowanie i parametryzowanie systemu IO-Link bazuje na wspomnianych już uniwersalnych narzędziach inżynierskich.

Stacja IO-Link master ma za zadanie nawiązanie połączenia między stacjami IO-Link device i systemem automatyki. Stację IO-Link najczęściej instaluje się w szafie sterowniczej lub jako zdalną wyspę IO montowaną bezpośrednio na obiekcie. Oprócz tego stacja IO-Link master zapewnia komunikację z systemem nadrzędnym za pomocą różnego rodzaju przemysłowych połączeń sieciowych. Ponadto może łączyć się bezpośrednio za pomocą wewnętrznej magistrali. Warto podkreślić, że stacja IO-Link master może być wyposażona w kilka portów (kanałów). Z kolei stacja IO-Link device może mieć połączenie do jednego z portów bazując na komunikacji punkt-punkt. Nie stanowi ona typowej sieci polowej.

Parametry elektryczne

Standardowa transmisja danych wykorzystuje sygnał o napięciu 24 V, przez co ma wysoką odporność na zakłócenia. Czujniki – np. ciśnienia czy optyczne, łączą się z magistralą IO-Link za pomocą typowego złącza M12. Nie ma przy tym potrzeby uziemiania połączenia i stosowania kabli ekranowanych. Złącze M12 IO-Link ma standaryzację w zakresie przewodów a sygnał jest oddzielony od zasilania. Trzeba pamiętać o konieczności implementacji w masterze. Czwarte wyjście złącza ma dowolne przeznaczenie.

Cechy modułów IO-Link

W przypadku rozproszonych modułów IO do niedawna największą grupę stanowiły urządzenia wykorzystujące komunikację przez interfejs RS-485, zwykle z wykorzystaniem protokołu Modbus RTU. Obecnie wykorzystuje się rozproszone moduły IO, gdzie interfejsem komunikacyjnym jest Ethernet, a komunikacja odbywa się z wykorzystaniem protokołów sieciowych, przy czym najczęściej jest to Modbus TCP. Obsługiwane przez moduły protokoły komunikacyjne mają istotne znaczenie przy integracji modułów IO z urządzeniami takimi jak sterowniki, kontrolery PAC czy komputery przemysłowe oraz z oprogramowaniem SCADA/HMI. Wbudowany często w moduły IO serwer www pozwala na zdalną konfigurację, monitoring czy akwizycję danych z poziomu przeglądarki internetowej.

Coraz częściej do zasilania modułów wykorzystuje się technologię PoE (Power over Ethernet), co pozwala ograniczyć ilość okablowania. Przesył danych i zasilanie odbywa się za pomocą jednego kabla upraszczając infrastrukturę. W warunkach przemysłowych obok prostego montażu modułów (najczęściej szyna DIN) istotną rolę odgrywa odporność na trudne warunki środowiskowe. Chodzi tu np. o możliwość pracy w szerokim zakresie temperatury mieszczącym się między 25 °C a 75 °C.

Przydatna jest możliwość przeprowadzenia diagnostyki pojedynczego portu – np. wykrycia zwarcia, przeciążenia, braku komunikacji itp. W niektórych modułach IO przewidziano wejścia cyfrowe z możliwością konfiguracji liczników. Zazwyczaj przewiduje się ich pojemność wynoszącą 32 bity przy częstotliwości 1 kHz i minimalnej szerokości impulsu wynoszącej 0,5 ms. Stan niski cechuje wartość 0–6,5 V DC, a wysoki 12–24 V DC przy impedancji wejścia wynoszącej 2,2 kΩ. Większość oferowanych na rynku modułów wejść/wyjść może współpracować z komputerami pracującymi z typowymi systemami operacyjnymi. Najczęściej wywoływanie modułów może odbywać się przy użyciu biblioteki DLL lub bezpośrednio przez protokół TCP/IP.

Warto zwrócić uwagę na moduły przeznaczone do systemów akwizycji oraz przetwarzania sygnałów wejściowych i wyjściowych bezpośrednio na maszynach przemysłowych. Dane pomiarowe można grupować w pakiety ze znacznikiem czasowym. Jest możliwe przeprowadzenie operacji obejmujących uśrednianie, wyliczanie wartości szczytowych i interpolację. Odpowiednie algorytmy przetwarzają dane na postać cyfrową bezpośrednio w module. W przypadku niektórych modułów z wejściami cyfrowymi niejednokrotnie przewiduje się przetwornik pomiarowy odpowiadający za weryfikowanie pomiaru, który przesyła główny przetwornik.

Rynek modułów IO-Link

W ostatnim czasie na rynku modułów IO dostępna jest oferta zarówno znanych jak i renomowanych produktów oraz mniej znanych ale popularnych urządzeń producentów dalekowschodnich. Moduły IO-Link są ciągle rozwijane technologicznie oraz wzbogacane o nowe funkcjonalności.

Nabyć można układy IO różnych producentów przeznaczone do wielu zastosowań, obejmujących funkcjonalnie większość systemów automatyki projektowanych na potrzeby przemysłu. Istotnym trendem w zakresie oferowanych na rynku modułów IO jest spadek cen przy jednoczesnym wzroście funkcjonalności urządzeń.

Możliwości dostępnych na rynku rozwiązań niewiele różnią się od siebie dlatego o wyborze rozwiązania – oprócz marki producenta – decyduje również cena, która w niektórych przypadkach jest czynnikiem najważniejszym, branym pod uwagę przy planowaniu inwestycji. Dalszy spadkowy trend cenowy jest zatem nieunikniony.

Moduły do trudnych warunków eksploatacyjnych

Moduły przemysłowe tak jak większość urządzeń przeznaczonych do przemysłu muszą być przede wszystkim odporne na  działanie niekorzystnych warunków zewnętrznych (zapylenie, wilgotność, temperatura itp.) oraz mieć odpowiednie zabezpieczenia elektryczne. Ważna jest przy tym szybka konfiguracja oraz wsparcie przez oprogramowanie producentów sterowników. Nie bez znaczenia jest także uniwersalność komunikacji, bowiem moduły przemysłowe pracują zazwyczaj w standaryzowanych protokołach komunikacyjnych.

Moduły IO-Ethernet

Dzięki modułom IO-Ethernet zyskuje się stabilny przesył danych między warstwą sterowania a poziomem wykonawczym. W modułach tego typu najczęściej znajdują zastosowanie protokoły Ethernet Profinet, Ethernet/IP i EtherCAT. W niektórych modułach wykorzystywany typ protokołu ustawia się bezpośrednio w module za pomocą przełącznika obrotowego.

Dzięki modułom IO-Ethernet zyskuje się kompleksowe funkcje diagnostyczne poprawiające transparentność całego procesu przesyłu danych. Diody LED wskazują stan każdego kanału. W efekcie można szybko wykonać czynności diagnostyczne, które są zalecane dla danego kanału. Istotną rolę odgrywa wbudowany serwer www. To właśnie dzięki niemu zyskuje się zdalny dostęp do parametrów sieciowych – bramki, maski podsieci, adres IP.

Ważną cechą jest tzw. zdecentralizowana inteligencja, umożliwiająca stosowanie modułu w mniejszych układach bez względu na panele zdalnego sterowania. Moduł dokonuje autonomiczną ocenę parametrów, natomiast informacje trafiają do sterownika PLC tylko wtedy, gdy są potrzebne. Takie rozwiązanie pozwala zmniejszyć obciążenie systemów wyższego poziomu przy jednoczesnej poprawie czasu reakcji. Jest to szczególnie istotne w kontekście scenariuszy realizowanych w ramach Przemysłu 4.0.

Niektóre moduły wykorzystują specjalne złącza zasilania, dzięki czemu uzyskuje się wyższą obciążalność prądową, do 16 A. Takie rozwiązanie zapewnia wyższe obciążenie szczytowe a instalacja elektryczno-sterująca wymaga mniej kabli.

W wielu aplikacjach wykorzystuje się moduły IO-Ethernet wyposażone we wbudowany master IO-Link. Urządzenia tego typu bardzo często są zastosowane do realizacji komunikacji między elementami wykonawczymi a panelem sterowania.

Moduły IO-Ethernet również mogą być wyposażone w całkowicie zamkniętą obudowę, co zapewnia stabilną pracę w trudnych warunkach środowiskowych, łącznie z oddziaływaniem skrajnej temperatury. Do wyboru jest również kilka możliwości montażowych modułu.

Bezprzewodowy przesył danych

Wiele aplikacji przemysłowych wymaga bezprzewodowej transmisji sygnałów oddalonych. Co prawda technologie bezprzewodowe są dostępne na rynku od kilkunastu lat ale stosunkowo nowym rozwiązaniem jest bezprzewodowa komunikacja w sieci Ethernet. Potrzeba stworzenia takich rozwiązań wynika z bardzo szybkiego rozwoju Ethernetu, który, jak wiadomo, oprócz dużej szybkości transmisji gwarantuje wysoki poziom bezpieczeństwa i odporność na zakłócenia. Możliwe jest przy tym zbudowanie jednolitej platformy wymiany danych w całym systemie. Obecnie w większości instalacji standard komunikacji jest oparty wyłącznie na Ethernecie. Stąd u projektantów i integratorów tak duże zainteresowanie opisanymi rozwiązaniami.

Bezprzewodowa komunikacja dodatkowo ogranicza koszty instalacji. Nie ma bowiem potrzeby układania kanałów komunikacyjnych i przewodów. Ponadto zyskuje się szybsze wdrożenie systemu. W efekcie nowe rozwiązania układów IO są przygotowane do współpracy z bezprzewodowymi interfejsami komunikacyjnymi.

Warto wspomnieć o możliwości rozbudowy diagnostyki zarówno samych interfejsów jak i poszczególnych kanałów pomiarowych. Wynika to stąd, że funkcjonalność taka jest bardzo często wymagana w dużych zakładach produkcji ciągłej oraz w systemach odpowiedzialnych za bezpieczeństwo.

Urządzenia ze standardem IO-Link – przegląd oferty rynkowej

Z oferty firmy Turck wybrać można m.in. kompaktowe moduły Profibus DP, DeviceNet, CANopen, Interbus, AS-interface, Modbus TCP, Ethernet/IP i Profinet IO. Moduły mają obudowy ze stopniem ochrony IP67. Materiał, z którego są wykonane obudowy to tworzywo sztuczne wzmacniane włóknem szklanym a złącza – z aluminium. Obudowy są w pełni uszczelnione i są odporne na wstrząsy oraz wibracje. Do zabudowy we wnętrzu szafy przeznaczone są moduły o stopniu ochrony IP20.

Firma Pepperl+Fuchs oferuje m.in. moduły IO-Ethernet z wbudowanym masterem IO-Link. Urządzenie zapewnia bezproblemową komunikację między czujnikami obsługującymi IO-Link a panelem sterowania. Jest możliwe podłączenie maksymalnie ośmiu urządzeń IO-Link. Należy podkreślić, że dostępne są cztery kanały dla czujników oraz cztery kanały przeznaczone do podłączenia elementów wykonawczych. Moduł master IO-Link zapewnia łatwą diagnostykę i bezproblemową parametryzację na każdym poziomie.

Z oferty ifm elektronic wybrać można m.in. moduły IO serii ClassicLine przeznaczone do stosowania w terenie, z technologią szybkiego montażu, również w strefach niebezpiecznych. Oprócz tego oferowane są moduły CompactLine przeznaczone do bezpiecznych połączeń w trudnych warunkach oraz SmartLine, czyli moduły do montażu w szafach sterowniczych. Natomiast moduły ProcessLine są wykonane ze stali nierdzewnej o klasie ochrony IP69K – zastosowań w przemyśle spożywczym. W niektórych aplikacjach sprawdzą się moduły z podświetlanymi przyciskami o dużej jasności.

W zakresie modułów IO warto zwrócić uwagę na urządzenia firmy Balluff, łączące czujniki binarne i analogowe oraz elementy wykonawcze z poziomem sterowania przez magistralę danych. Moduły takie zapewniają funkcje pozwalające na przetwarzanie sygnałów jednocześnie przy rozszerzonych możliwościach diagnostycznych. Dzięki różnym formom konstrukcyjnym i technologiom podłączania zyskuje się odpowiednie rozwiązania pod kątem różnych aplikacji również w skrajnych warunkach otoczenia.

Firma Advantech oferuje m.in. moduły bazujące na dwóch interfejsach Ethernet 10/100 Base-TX. Możliwa jest też obsługa protokołu Modbus/TCP. Użytkownik może skorzystać z funkcjonalności dwóch portów sieciowych realizujących kaskadowe połączenie modułów bez konieczności używania przełączników sieciowych. Bezpieczeństwo przesyłu danych zwiększa funkcja auto-bypass.

Z oferty firmy Festo wybrać można m.in. terminale CPX-P pracujące w dwóch trybach – Stand-alone oraz z wyspą zaworową MPA-S. Obsługiwane są protokoły Profibus DP, Profinet, DeviceNet, Ethernet/IP, Modbus TCP. Moduły wykorzystują wejścia/wyjścia EExi Namur oraz Non Ex Namur. Z kolei wyspy zaworowe VTSA z terminalem CPX tego samego producenta bazują na połączeniach elektrycznych przez płyty przyłączeniowe z możliwością realizacji wielu funkcji pneumatycznych związanych z bezpieczeństwem. Sterowanie odbywa się przez fieldbus lub blok sterownika, przy czym można uwzględnić maks. 32 pozycje zaworowe/maks. 32 cewki przy możliwości podłączenia 10 modułów elektrycznych. Ponadto do dyspozycji są wejścia/wyjścia cyfrowe, wejścia/wyjścia analogowe, a także możliwość parametryzacji wejść i wyjść wraz z zintegrowaną diagnostyką i koncepcją prewencyjnych przeglądów.

Z kolei czujniki Smart Sensors z oferty SICK cechują się m.in. funkcjami diagnostycznymi pozwalającymi odpowiednio wcześnie wykryć odchylenia od standardowego przebiegu, zapobiegając przy tym wystąpieniu awarii w systemach automatyki. Wynika to stąd, że urządzenia tego typu w przypadku zagrożenia bezpieczeństwa pracy mogą wygenerować odpowiedni sygnał. Nie mniej ważna jest łatwa kompensacja zakłóceń w efekcie unikania nieprawidłowych przełączeń oraz stabilna praca w rożnych zastosowaniach.

Wzzard firmy Rugged to bezprzewodowe moduły węzłowe o architekturze typu mesh, które są przeznaczone do współpracy z sensorami zewnętrznymi. Sieć typu mesh bazuje na samoistnej i nadzorowanej dodatkowej bramie kontrolnej. Jeden moduł może gromadzić dane z kilku czujników podłączonych do wejść/wyjść cyfrowych, termoparowych czy analogowych. Nowe węzły pomiarowe można dodawać lub usuwać w dowolnym momencie. Bezprzewodowa sieć 802.15.4e SmartMesh IP samodzielnie konfiguruje węzły w swojej strukturze. Dane pomiarowe są zbierane przez bramę centralną poprzez protokół MQTT-SN, która udostępnia je później w protokole MQTT. Jednocześnie urządzenie poddaje monitorowaniu jakość sygnału, a w przypadku wystąpienia silniejszych zakłóceń brama automatycznie przekierowuje transmisje na inny, wolny kanał.

Urządzenie STXPNS001 firmy Astor jest interfejsem komunikacyjnym przeznaczonym do pracy w sieci Profinet. Interfejs obsługuje do 32 modułów wejść/wyjść RSTi a dzięki wbudowanym portom Ethernet z obsługą protokołu Profinet jest możliwa wymiana danych w sieci z szybkością 10/100 Mbit/s. Interfejs może współpracować w sieci o topologii liniowej lub gwiazdy. Ważne jest wyposażenie modułu w punkty do testowania. Podczas pracy systemu można sprawdzić poprawność jego działania. Urządzenie obsługuje do 32 modułów IO.

Firma Siemens oferuje m.in. laserowe czujniki odległości PXO z IO-Link. Zaletą jest duża dokładność pomiaru, a zakres jest regulowany – 80–300 mm. Czujnik wyposażono w dwa przyciski umieszczone na obudowie. Do konfiguracji urządzenia można wykorzystać zintegrowane narzędzie konfiguracyjne. Jest możliwe kontrolowanie funkcji wyzwalania czujnika oraz uśrednianie pomiarów. Z oferty firmy Siemens wybrać można również czujnik ultradźwiękowy SIMATIC PXS. Ma on cylindryczną obudowę, a strefa działania wynosi do 1 m przy niewielkiej strefie martwej. Interfejs IO-Link pozwala na przypisanie parametrów czujnika dla takich funkcji jak uśrednianie tłumienia lub pomiar zależny od czasu.

Z oferty firmy Phoenix Contact wybrać można m.in. hybrydowe rozruszniki silnika CONTACTRON, które obsługują standard IO-Link. Urządzenia tego typu odpowiadają za sterowanie silnikiem udostępniając przekaźnik bezpieczeństwa. W efekcie zyskuje się szybkie i niezawodne włączanie silników oraz przełączanie kierunku ich pracy. Z kolei dzięki wersji sieciowej zapewniono kompleksową komunikację między warstwą obiektową a warstwą sterowania, co pozwala na łatwe przesyłanie danych procesowych. Warto zwrócić uwagę na możliwość elastycznego stosowania, zarówno w rozproszonych szafach sterowniczych, jak i w rozdzielniach centralnych. Trzeba przy tym podkreślić podwyższoną dyspozycyjność systemu, która wynika z określenia terminów przeglądów w oparciu o dane procesowe. Trwałość urządzenia zapewnia technologia hybrydowa. Rozrusznik ma zwartą obudowę.

Podsumowanie

IO-Link to standard protokołu komunikacji szeregowej zgodny z wymaganiami normy IEC 61131. Komunikacja tego typu wykorzystuje połączenie typu punkt-punkt (point-to-point) między czujnikiem lub elementem wykonawczym a modułem interfejsu.

Obecnie wiele elementów wykonawczych (siłownik, serwonapęd, falownik itp.) i czujników bazuje na mikroprocesorach przeznaczonych do konfigurowania, zmiany ustawień czy przechowywania wartości ustawień.

Dzięki standardowi IO-Link jest możliwa transmisja danych, które zawierają stany przełączenia łącznie z danymi procesowymi urządzeń. Ważna jest przy tym możliwość wymiany komunikatów diagnostycznych i informacji nastawionych parametrów dotyczących procesów.

Oprócz właściwości funkcjonalnych na etapie wyboru modułów IO-Link bierze się pod uwagę wiele aspektów funkcjonalnych i środowiskowych. Chodzi przede wszystkim o właściwości takie jak temperatura pracy, odporność na zakłócenia, możliwości diagnostyczne, parametry komunikacyjne, technologia wykonania, typ obudowy, zabezpieczenia, intuicyjna konfiguracja, możliwość łatwej rozbudowy itp.

źródło: Automatyka 5/2018