Miten parantaa älytoimilaitteiden tuottavuutta tehtaissa IO-Linkin avulla

Siirtyminen Teollisuus 4.0 -teknologiaan ja teolliseen esineiden Internetiin (IIoT) jatkuu paremman tehokkuuden, turvallisuuden, tuottavuuden sekä alhaisempien kokonaiskustannusten saavuttamiseksi. Laitteiden liitettävyys on kriittisessä osassa tätä siirtymää. Tämä voi olla haastavaa, koska se edellyttää sopivan viestintästandardin valintaa sekä siihen liittyvien rajapintojen ja ohjelmistojen suunnittelua, mikä kaikki voi hidastaa älytehtaan käyttöönottoa.

Teollisten automaatiojärjestelmien suunnittelijat tarvitsevat standardoidun, luotettavan, tehokkaan ja modulaarisen lähestymistavan nopean ja kustannustehokkaan käyttöönoton helpottamiseksi.

IO-Link on ratkaisu tähän ongelmaan, sillä se on todistetusti toimiva rajapinta älytehtaissa käyttöä varten. IO-Link on kaksisuuntainen, pisteestä pisteeseen -tyyppinen SDCI (Single-Drop Digital Communication Interface) -liitäntä, joka on määritetty useissa standardeissa, mukaan lukien IEC 61131-2, IEC 61131-9 (SDCI) ja IO-Link 1.1.3.

Tässä artikkelissa keskustellaan lyhyesti siirtymisestä älytehtaisiin ja sen suunnittelijoille aiheuttamista haasteista. Sen jälkeen artikkelissa annetaan yleiskatsaus IO-Linkin toiminnasta ja siitä, miten se yksinkertaistaa älytehtaiden käyttöönottoja. Artikkelissa on esimerkkejä Analog Devices -yrityksen IO-Link-laitteista, mukaan lukien orjalaite, jolla voidaan korvata pneumaattiset toimilaitteet ja tehostaa suorituskykyä, orjalaite, jossa on integroitu DC/DC-muunnin, sekä isäntälaite. Mukana on esimerkkisuunnitelmia, joiden avulla teolliset toimilaitteet voidaan toteuttaa nopeasti IO-Linkin avulla.

Yksinkertaisempi siirtyminen älytehtaisiin

Siirtyminen älytehtaisiin lisää tarvetta löytää yksinkertainen keino lisätä älyä reunalle antureiden ja toimilaitteiden käyttöönottoa, valvontaa ja uudelleenmääritystä varten. IO-Linkin yksinkertainen asennusprosessi ja tuki kaksisuuntaiselle viestinnälle helpottavat älyn lisäämistä reunalle. Eräässä tapauksessa IO-Linkin katsottiin lyhentäneen asetusten määrittämiseen ja käyttöönottoon kulunutta aikaa 90 prosenttia.

Käytännössä parametriasetukset voidaan ladata IO-Linkin kautta laiteasetusten määritystä tai uudelleenmääritystä varten. Tämän ansiosta teknikon ei tarvitse puuttua asiaan, ja seisokit lyhenevät. IO-Linkin älykästä diagnostiikkaa, virheentunnistusta ja tietojen kirjausta voidaan käyttää reaaliaikaisten käyttötietojen keräämiseen koko tehdasympäristössä, mikä vielä entisestään vähentää seisokkiaikaa.

IO-Link-järjestelmän arkkitehtuuri koostuu IO-Link-isännän ja erilaisten IO-Link-laitteiden välisistä pisteestä pisteeseen ‑yhteyksistä. M8- tai M12-vakioliittimet ja 20 metriä pitkät 3- tai 4-johtimiset kaapelit helpottavat järjestelmän asennusta. IO-Link-isäntälaitteissa on yleensä 4 tai 8 porttia, joista jokainen on yhdistetty IO-Link-laitteeseen. Kukin portti voi toimia SIO (Standard Input/Output) -tilassa tai kaksisuuntaisen viestinnän tilassa. Koska kyse on pisteestä pisteeseen ‑arkkitehtuurista, IO-Link ei ole kenttäväylä, mutta se on yhteensopiva käytettäväksi kenttäväylien ja teollisten Ethernet-verkkojen kanssa ja se voidaan yhdistää ohjelmoitavaan logiikkaan (PLC) ja ihminen-kone-rajapintoihin (HMI) (kuva 1).

Kuva 1: IO-Link on yhteensopiva kenttäväylien ja IEEE:n teollisten Ethernet-verkkojen kanssa. (Kuvan lähde: IO-Link Community)

SDCI-tilassa toimimisen lisäksi IO-Link tarjoaa taaksepäinyhteensopivuuden binääriantureita koskevan standardin IEC 60974-5-2 kanssa. Perusmuotoiseen pisteestä pisteeseen ‑tiedonsiirtoon käytetään 3-johtimista liitäntää (L+, C/Q ja L-). IO-Link-tilassa tiedonsiirto isäntälaitteen ja orjalaitteiden välillä on kaksisuuntaista, ja tiedonsiirtonopeus on joko 4,8 kilobittiä sekunnissa (kbps) (COM1), 38,4 kbps (COM2) tai 230,4 kbps (COM3) (kuva 2). IO-Link-isäntälaitteen on tuettava kaikkia kolmea tiedonsiirtonopeutta, jotta se voi viestiä minkä tahansa liitetyn orjalaitteen kanssa. Orjalaitteet tukevat vain yhtä tiedonsiirtonopeutta. Tiedonsiirto tapahtuu 24 voltin pulsseilla C/Q-johtimessa käyttäen NRZ-koodausta. IO-Link-tilassa nasta 2 voi olla digitaalisessa tulotilassa (DI), digitaalisessa lähtötilassa (DO) tai täysin kytkemättömänä. IO-Link-laitteen (anturin tai toimilaitteen) on toimittava 300 millisekunnin (ms) sisällä siitä, kun L+ ylittää 18 voltin kynnysarvon.

Kuva 2: IO-Linkin tiedonsiirto on kaksisuuntaista ja se tukee nopeuksia 4,8; 38,4 ja 230,4 kbps. (Kuvan lähde: )

IO-Link-laitteen kuvaus

Kaikissa IO-Link-antureissa ja -toimilaitteissa on IO-Link-laitekuvaustiedosto (IODD) (kuva 3). IODD on xml-tiedosto, joka tarjoaa IO-Link-isäntälaitteelle tiedot, jotka se tarvitsee laitteen tunnistamiseen ja määrityksiin sekä sen lähettämien tietojen tulkitsemiseen.

• IODD sisältää muun muassa
  • viestintään tarvittavat ominaisuudet
  • laitteen parametrit
  • tunnistetiedot
  • prosessi- ja diagnostiikkatiedot
  • kuvan laitteesta ja valmistajan logosta
• IODD:n rakenne on kuvailtu IEC 61131-9 ‑standardista erillään
• IO-Link Consortium ylläpitää IODD-tiedostojen keskitettyä tietokantaa.

Kuva 3: IODD on xml-tiedosto, joka sisältää IO-Link-isäntälaitteen kunkin orjalaitteen tunnistamista, määrityksiä ja sen kanssa viestintää varten tarvitsemat tiedot. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Siirtoyhteyskerros ja tietotyypit

Siirtoyhteyskerros (DL, Data Link Layer) hallitsee IO-Link-isännän ja -laitteiden välistä viestien vaihtoa. Viestit ovat kehyksiä, jotka ovat 1–66 UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) -sanan mittaisia, ja niitä kutsutaan M-jaksoiksi. Viestit voivat liittyä pyydettäviin tietoihin, järjestelmän hallintapyyntöihin ja -komentoihin sekä tavallisiin prosessitietoihin. Isäntälaitteessa on DL-käsittelijä, joka huolehtii virheistä ja virheilmoituksista sekä hallitsee herätyksen, SIO:n ja COM-tiedonsiirtonopeuksien kaltaisia toimintatiloja. Kun isäntä lähettää pyynnön, laitteiden on vastattava.

IO-Link-tiedonsiirto voi olla synkronista tai asynkronista. IO-Link-isännät ja -laitteet sisältävät prosessitietojen käsittelijät synkronista viestintää varten ja pyynnöstä käsittelijän, joka käsittelee tapahtuma-, ohjaus-, parametri- ja indeksipalveluyksikön (ISDU) tiedot asynkronisesti. Asynkroniset tiedot lähetetään pyynnöstä, ja ne voivat sisältää seuraavia tietoja:

• määritys- tai huoltotietoja sekä ohjaustietoja
• tapahtumatietoja, joilla on kolme kiireellisyystasoa:
  • virheet
  • varoitukset
  • ilmoitukset
• sivutietoja laiteparametrien suoraa lukua varten
• palvelutietoja suuria tietorakenteita varten.

IO-Linkin integrointi isäntiin ja laitteisiin voi olla monimutkaista. Standardit pitää toteuttaa kokonaan, jotta voidaan varmistaa laitteiden yhteentoimivuus ja järjestelmän luotettava toiminta. Tehokas ja luotettava IO-Link-viestintä voidaan integroida nopeasti älytehtaan toimilaitteisiin käyttämällä isännissä ja laitteissa valmiiksi suunniteltuja ratkaisuja. IO-Link-laiteohjainpiireissä on äärimmäisen vähävirtaiset ohjaimet, joissa on aktiivinen napaisuussuojaus, ja niitä on saatavilla integroidun DC/DC-muuntimen kanssa ja ilman. Niissä on myös SPI-sarjaväylä, joka sisältää runsaasti diagnostiikkaominaisuuksia. Kaksikanavaiset IO-Link-isäntälaitteen lähetin-vastaanotinpiirit tukevat vähävirtaista toimintaa ja tekevät mikrokontrollerin (MCU) valinnasta yksinkertaisempaa, sillä niissä on UART-kehysten käsittelijät ja FIFO-ominaisuudet.

Pneumaattisten toimilaitteiden korvaaminen IO-Linkillä

IO-Link tarjoaa helpon tavan jättää perinteiset prosessinhallinnan lähestymistavat taakse ja tehostaa tehtaan toimintoja korvaamalla pneumaattiset toimilaitteet servokäyttömoottoreilla ja edistyneellä digitaalisella ohjauksella. Suunnittelijat voivat esimerkiksi käyttää IO-Link-servokäyttömoottorien MAXREFDES37#-referenssimallia markkinoilletuontiajan nopeuttamiseen (kuva 4). Tämä referenssimalli tarjoaa 5 voltin tehon ja sisältää neljä pulssinleveysmodulaatiolähtöä (PWM) sekä neljä digitaalista tuloa, joiden avulla voidaan ohjata jopa neljää servomoottoria.

Kortilla on M12-4-liitin IO-Link-isäntään liittämistä varten. 3-nastaisiin liittimiin voidaan nopeasti kytkeä vakiomallisia 5 voltin servomoottoreita ja referenssimallin mukana toimitetaan valmiiksi yksi moottori. Liitännät 5 voltin digitaalisiin tuloihin, maahan ja kaikkiin neljään PWM-kanavaan tehdään pikariviliittimillä. Mukana toimitetaan Technologie Management Gruppe Technologie und Engineering ‑yrityksen (TMG TE) IO-Link-laitepino. MAXREFDES37#-korttia voidaan käyttää yhdessä Pmod-mallisen kaksikanavaisen MAXREFDES277-IO-Link-isännän kanssa. Se sisältää graafisen käyttöliittymän (GUI), joka tekee varmentamisesta helppoa Windows-tietokoneella.

Kuva 4: MAXREFDES37#-kortilla on M12-liitin (vasemmalla) IO-Link-isäntään liittämistä varten, ja sen mukana toimitetaan servomoottori (oikealla). (Kuvan lähde: Analog Devices)

MAXREFDES37# sisältää MAX14821ETG+T IO-Link ‑lähetin-vastaanotinpiirin ja MAX17504ATP+T-DC/DC-jännitteenalennuspiirin. MAX14821ETG+T-lähetin-vastaanotinta voidaan käyttää IO-Link-laitteiden ja 24 voltin binääriantureiden tai toimilaitteiden kanssa. Kaikkia määriteltyjä IO-Link-tiedonsiirtonopeuksia tuetaan, ja C/Q- ja DO-ohjaimet voivat syöttää tai vastaanottaa jopa 100 milliampeeria (mA). Lähetin-vastaanotin käyttää siirtoyhteyskerrosprotokollaa mikrokontrollerin (MCU) kanssa viestintään. Kaksi sisäistä lineaarista regulaattoria tuottaa 5 ja 3,3 voltin tasavirran (VDC) antureiden ja toimilaitteiden käyttövoimaksi. Laitteessa on myös 24 voltin digitaaliset tulot ja lähdöt. Integroidut DO- ja C/Q-ohjaimet voidaan määrittää erikseen push-pull-, alapuolen NPN- tai yläpuolen PNP-konfiguraatioon. Lähetin-vastaanotin voidaan määrittää ja sitä voidaan valvoa SPI-liitännän kautta.

Kortilla sijaitseva synkroninen tasasuunnattu DC/DC-jännitteenalennusmuunnin MAX17504 toimii tulojännitteellä 4,5–60 VDC. Sen lähtöjännite on 0,9 voltista 90 prosenttiin syöttöjännitteestä ja laite syöttää jopa 3,5 ampeerin (A) virran. Säädön tarkkuus on ±1,1 % lämpötila-alueella −40 ... +125 °C. Sen huipputehokkuus on >90 % ja sammutusvirta 2,8 mikroampeeria (μA).

Lähetin-vastaanotin isäntälaitteille ja laitteille integroidulla DC/DC-muuntimella

IO-Link-isäntien ja -laitteiden suunnittelijoille on tarjolla MAX22514. Pitkälle viety integrointi, joka sisältää DC/DC-jännitteenalennuksen, kaksi lineaarista regulaattoria ja integroidun ylijännitesuojauksen, sekä matala tehohäviö ja mahdollisuus valita WLP- (Wafer Level Package) (2,5 mm x 2,6 mm) tai TQFN-kotelon (4 mm x 5 mm) välillä tekevät tästä lähetin-vastaanottimesta hyvän vaihtoehdon teollisiin IO-Link-sovelluksiin, joissa on vain rajallisesti tilaa (kuva 5).

Esimerkiksi osanumero MAX22514AWA+ käyttää WLP-koteloa. Sen SPI mahdollistaa konfiguroitavuuden ja diagnostiikan, ja se tukee myös COM1-, COM2- ja COM3-tiedonsiirtonopeuksia.

Kuva 5: MAX22514-lähetin-vastaanotin on hyvin pitkälle integroitu ja soveltuu käytettäväksi IO-Link-isännissä ja -laitteissa. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kehitysaikaa voidaan lyhentää käyttämällä referenssimalleja, kuten MAXREFDES278#. Tämä on 8-kanavaisen solenoiditoimilaitteen referenssimalli, joka perustuu MAX22514-IO-Link-lähetin-vastaanottimeen ja käyttää 1 A:n 8-kanavaista integroitua sarjaohjattua solenoidiohjainta MAX22200 integroiduilla FET (Field Effect Transistor) -transistoreilla. Referenssimalli sisältää integroidun DC/DC-jännitteenalentimen. Mukana toimitetaan Windows-yhteensopiva ohjelmisto, joka tarjoaa graafisen käyttöliittymän MAX22514-laitteen ominaisuuksien tutkimiseen. Arviointialusta liitetään tietokoneeseen USB-A–micro-B-kaapelilla.

Kaksikanavainen isäntälaite

Kun tarvitaan kaksikanavainen IO-Link-isäntälaite, voidaan käyttää MAX14819ATM+-lähetin-vastaanotinta, joka sisältää kaksi digitaalista lisätulokanavaa. Integroitu IO-Link-kehystin poistaa ulkoisten UART-komponenttien tarpeen, ja integroidun jaksoajastimen ansiosta mikrokontrollerin ei tarvitse käsitellä ajoituksen kannalta kriittisiä tehtäviä. Tätä lähetin-vastaanotinta voidaan käyttää yhdessä digitaalisten MAX14931FAWE+- ja MAX12930EASA+T-erottimien kanssa. MAX14931FAWE+ tarjoaa neljä kanavaa digitaalisten signaalien lähettämiseen yhteen suuntaan. MAX12930EASA+T tarjoaa kaksi tiedonsiirtokanavaa. MAX14819EVKIT#-arviointisarjassa käytetään MAX14819A-piiriä ja se sisältää digitaaliset MAX14931- ja MAX12930-erottimet (kuva 6).

Kuva 6: Kaksikanavainen IO-Link-isäntälaitteen arviointisarja MAX14819EVKIT# sisältää MAX14819-lähetin-vastaanottimen sekä digitaaliset MAX12930- ja MAX14931-erottimet. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Yhteenveto

Anturit pitää saada käyttöön nopeasti ja kustannustehokkaasti, jotta teollisesta esineiden Internetistä ja Teollisuus 4.0 -teknologiasta saataisiin täysi hyöty. IO-Link tarjoaa tätä tarkoitusta varten teollisuusautomaatiojärjestelmien suunnittelijoille standardisoidun, luotettavan, tehokkaan ja modulaarisen lähestymistavan. Kuten artikkelissa on esitetty, valmiskomponentteja käyttävät suunnittelijat voivat hyödyntää IO-Linkiä älyn lisäämiseen reunalle antureiden ja toimilaitteiden käyttöönottoa, valvontaa ja uudelleenmääritystä varten.

Suositeltavaa luettavaa

1. Miten suunnitella modulaarinen päällysverkko IIoT:n optimoitua Teollisuus 4.0 -tietojenkäsittelyä varten