IO-Link-versiosta 1.0 IO-Link-versioon 1.1

IO-Linkiä on käytetty vuosikymmenien ajan yleisesti teollisuus-I/O:ssa, mutta viime vuosina IO-Linkin käyttö on lisääntynyt dramaattisesti. Kuten Digi-Keyn artikkelissa “IO-Link versioiden 1.0 ja 1.1 vertailu” selitetään, International Electrotechnical Commissionin avoin standardi IEC 61131-9 (tunnetaan nimellä IO-Link) tarjoaa helppokäyttöisen liitettävyyden automaatiokomponenttien kesken. Se on SDCI-rajapinta (Single-drop Digital Communication Interface) pienien antureiden ja aktuaattoreiden verkottamiseen. Näitä kutsutaan kenttälaitteiksi tai sekundäärilaitteiksi IO-Link-ohjainkeskittimille tai primäärilaitteille ja edelleen muulle automaatioasennukselle. Yksi IO-Linkin etuja on se, että sen kanssa voidaan käyttää tavallista suojaamatonta kaapelia (enintään 20 m pitkä ja kolmesta viiteen johdinsäiettä) näissä liitännöissä.

Tämä artikkeli selittää kattavasti IO-Linkin kolme ominaisuutta, jotka ovat uusia sen versiossa 1.1:

• IO-Link 1.1 mahdollistaa tiedon datan varmuuskopioinnin, niin että tehtaan henkilöstö voi tallentaa ja käyttää uudelleen laitteiden parametreja
• IO-Link 1.1 voi käsitellä 32 tavun dataleveyksiä porttia kohti
• IO-Link 1.1 mahdollistaa 230,4 kilobaudin tiedonsiirtonopeuden IO-Link 1.1 -primäärilaitteista

Kuva 1: IO-Link-viestinnän avulla R.A JONES voi seurata tarkemmin antureiden suorituskykyä ja huoltotarvetta sekä muuttaa parametrejä reseptien kautta. Tämän meille kertoi innovaatiosuunnittelun johtaja Nate Smith. Itse asiassa IO-Linkistä on nopeasti tulossa automaation johtava teollisuusstandardi kenttälaitteiden (sekundäärilaitteiden) kanssa viestintään. (Kuvan lähde: R.A JONES)

IO-Link 1.1 parametrien määrittelypalvelimena

IO-Link-komponenttien ohjausintegraatio suoritetaan konfigurointiohjelmistolla, joka käyttää jokaiseen IO-Link-komponenttiin liittyviä standardisoituja IODD-tiedostoja (IO Device-Description). Nämä IODD-tiedostot (jotka tallentavat komponentin mallin, käyttöalueet, tukitiedot diagnostiikkatoimintoja varten sekä symbolin näytettäväksi HMI- tai GUI-liittymässä) ovat .xml-tiedostoja, jotka komponentin valmistaja toimittaa omalla sivustollaan sekä osoitteessa ioddfinder.io-link.com IO-Link-versioiden V1.0 ja V1.1 tukemiseksi.

Mikä on uutta IO-Link-versiossa 1.1, on mahdollisuus, että jotkin IO-Link 1.1 -primäärilaitteet tallentavat paikallisesti IODD-tiedostot ja lisätiedot. Nämä tarjoavat parametrien määrittelypalvelintoimintoja verkon muita laitteita varten. Ennen tätä ominaisuutta (sekä vanhoissa IO-Link-asennuksissa) loppukäyttäjien, joiden oli vaihdettava uusi tai korvaava kenttälaite, oli pakko ensin konfiguroida kyseinen laite. Tämä tehdään tavallisesti yhdistämällä laite tietokoneen USB-porttiin ja suorittamalla asetukset manuaalisesti ohjelmistolla.

Toinen version 1.1 etu tämän aspektin suhteen on se miten loppukäyttäjät voivat nyt (useissa tapauksissa) vaihtaa lennossa vastaavan IO-Link-reunalaitteen toiselta valmistajalta. Tämä laajentaa keskenään vaihdettavien laitteiden valikoimaa. Tämä on erityisen hyödyllistä kun vikaantuvat tai vikaantuneet anturit vaihdetaan hätätilanteessa volyymiltään korkeissa tuotantolinjoissa.

Korkeamman IO-Link-version 1.1 viestintänopeuden yksityiskohdat

Eräs version 1.1 uusi IO-Link-ominaisuus on COM3-viestintätila, jonka nopeus tukee monipuolisempaa kenttälaitetoiminnallisuutta. COM3 SDCI -viestinnän tiedonsiirtonopeus on jopa 230,4 kilobittiä/s (Tässä myös 230,4 kilobaudia). Tämä tarkoittaa, että uusin IO-Link-iteraatio (1.1.3) sisältää parannuksia, jotka poistavat viimeisetkin mahdolliset syyt olla käyttämättä IO-Link-protokollaa, nimittäin ettei standardin nopeus riitä moderniin automaatioon.

Tarkemmin ottaen 1.1.3 voi tarjota syklisesti siirrettävälle prosessidatalle sykliajat, jotka tukevat reaaliaikaista viestintää, kuten tätä aihetta käsittelevässä aikaisemmassa Digi-Keyn artikkelissa kuvattiin. Eräissä tapauksissa syklit voivat olla jopa alle millisekunnin. Reaaliaikaisella kaistanleveydellä (kilotavuja sekunnissa (kt/s)) siirrettävä prosessidata riippuu ajasta, jonka primäärilaite tarvitsee pyytääkseen viestiä laitteelta, viestintäsuunnan kytkentäviiveestä, ajasta jonka kenttälaite tarvitsee vastatakseen sekä toisesta viestintäsuunnan kytkentäviiveestä.

Taustatieto fyysisistä mikrokontrolleripiireistä (eräissä tapauksissa itsenäiset mikropiirit) auttaa ymmärtämään miten IO-Link-komponentit suorittavat tämän viestinnän. Primäärisissä ja sekundäärisissä kenttälaitteissa on piiri, jota kutsutaan nimellä UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter), joka yhdistää tai kehystää datan siirtopaketteihin. Nämä kehykset ovat 11 bittiä pitkiä. Yksi bitti ilmaisee aloituksen, kahdeksaa bittiä (kutsutaan myös oktetiksi IO-Link-spesifikaatioissa ja virallisessa kirjallisuudessa) käytetään varsinaisen prosessidatan välitykseen ja kahta muuta bittiä käytetään ilmaisemaanpariteetti ja lopetus.

Kuva 2: MAX14827AATG+ yritykseltä Maxim Integrated on vähävirtainen kahden ajurin IO-Link-lähetin-vastaanotin integroitavaksi IO-Link-laitteisiin. Kolmijohtoinen UART-rajapinta mahdollistaa IO-Link-yhteyden mikrokontrollerin UART:in kanssa ja multipleksoitu UART/SPI mahdollistaa sen, että yhtä mikrokontrollerin sarjaliitäntää käytetään jaettuna UART- ja SPI-toimintoihin. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

Heinäkuun 2019 IO-Link 1.1.3 -spesifikaation taulukon 9 mukaan kunkin bitin lähetys IO-Link COM3 -järjestelyltä kestää 4,34 µs. Tämä aika plus pakettien väliset viiveet sekä primääri- että sekundäärilaitteessa (korkeintaan 4,34 µs sekä tämä vastaavasti kolminkertaisena) samoin kuin 4,34 µs – 43,0 µs viestintäsuunnan kytkentäviivettä varten antavat alle millisekunnin tiedonsiirtonopeuden huonoimmassa tapauksessa, joka siltikin riittää varsin hyvin vaativiin teollisuussovelluksiin.

Jokerimerkki (jolla on dramaattinen vaikutus reaaliaikaiseen kaistanleveyteen) on IO-Link-verkkoon valittu viestisekvenssityyppi. Erilaiset sekvenssityypit mahdollistavat erisuuruiset asykliset tai tarpeen mukaan tehtävät tiedonsiirrot. Joten IO-Link-järjestelyn reaaliaikaisen kaistanleveyden arvioimiseksi laskelmissa on huomioitava sekä järjestelmäviestien mahdollistama prosessidata että asyklinen data. Eräät tyypit määrittävät kiinteät prosessin oktettiarvot ja tarpeen mukaan tehtävät asykliset oktettiarvot kun taas toisissa toimittaja tai käyttäjä voi asettaa prosessidataokteteiksi arvon 1–32 ja asyklisiksi dataokteteiksi joko arvon 1, 2, 8 tai 32. Lyhyesti sanottuna, järjestelmissä, joiden tarvitsee siirtää vähemmän dataa, on nopeammat sykliajat.

Kaikkien yllä esitettyjen tekijöiden analyysi antaa reaaliaikaisen kaistanleveyden. Tämä on määritetty seuraavalla tavalla: siirretty prosessidata (vain) (kilobittejä) jaettuna lasketulla kokonaissykliajalla yksikkönä kbit/s. Esimerkiksi vain yhdellä asyklisellä dataoktetilla (1·8) ja 32 prosessidataoktetilla (32·8) sykliaika on hieman yli kaksi millisekuntia ja kaistanleveys ylittää 100 kbit/s.

Kaikki uudet IO-Link 1.1 -primäärilaitteet tukevat COM3-protokollaa ja automaatiokomponentit hyödyntävät tätä tiedonsiirtonopeutta. Ne adaptoivat nopeudet automaattisesti sen mukaan, mitä niihin yhdistetyt sekundäärilaitteet sattuvatkaan käyttämään. On itseasiassa tavallista, että erilaisia sykliaikoja käyttävät kenttälaitteet käyttävät samaa primäärilaitetta. Tämä mahdollistaa sofistikoitumisasteeltaan erilaisten antureiden ja aktuaattorien käytön samoin kuin järjestelmän inkrementaalisen päivityksen. Aktuaattorit, jotka käyttävät COM3-tiedonsiirtonopeutta 230,4 kilobaudia (tavallisesti tämän artikkelin seuraavassa osassa käsiteltävässä B-luokan porttijärjestelyssä), sisältävät nestetehokomponentteja samoin kuin sähkömekaanisia komponentteja, mukaan lukien pneumaattiset venttiilit, lineaariset sylinterit sekä kokoomaputket samoin kuin pienet askelmoottoripohjaiset kenttälaitteet. Antureihin, joissa tavallisesti käytetään COM3-ominaisuutta, sisältyvät sijainti- ja siirtymäanturit samoin kuin väri-, lämpötila- ja paineanturit, jotka kaikki ovat erittäin yleisiä prosessinohjauksessa. Myös eräät mekaaniset kytkimet hyödyntävät tätä COM3-viestintätilaa.

Kuva 3: Panasonicin älykkäät HG-C1000L-sarjan anturit käyttävät IO-linkin COM3-yhteyttä tukeakseen etävalvontaa ja ennakoivan huollon rutiineja. Laitteen anturilogiikka tunnistaa normaali-, virhe, huomio- ja hälytystilat. Nämä anturit tarjoavat myös mahdollisuuden nopeasti ja etänä konfiguroida haluttaessa uudelleen anturin asetukset ja toiminnot. (Kuvalähde: Panasonic Industrial Automation Sales)

IO-Linkin 1.1 fyysiset yhteydet (dataportit mukaan lukien)

Huomaa, että IO-Link tarjoaa prosessisdatalle dataleveytenä jopa 32 tavua per portti. Kaikki IO-Link-primäärilaitteiden aktivoidut portit on asetettu käsittelemään digitaalilähtöjä ja -tuloja tai toimimaan IO-Link-pisteenä käyttäen UART:tia puolidupleksitilassa (niin että databitit lähetetään ja otetaan vastaan yhden bitin sekvensseissä). Tyypillinen neljän tai kahdeksan portin IO-Link-primääri voidaan yhdistää suoraan useisiin kenttälaitteisiin ja se voi toimia niiden välisenä keskittimenä. Lähetysleveys riippuu tästä primäärilaitteesta. Liitäntä tyypilliseen IO-Link-kenttälaitteeseen sisältää virtajohtimet L+ ja M samoin kuin C/Q₁-johtimet. Näistä jälkimmäinen kuljettaa prosessidatan samoin kuin parametrisoinnin, konfiguroinnin että diagnostiikan datan.

Kuva 4: Älykkäät anturit kuten tämä SICK-paineanturi IO-Linkillä (mahdollistaa yhteyden neli- tai viisipinnisen M12-liittimen kautta) vähentävät käyttökatkoja ja manuaaliseen uudelleenohjelmointiin liittyvät virheet. Tämä on sen ansiota, että koneen PLC voi muokata ja konfiguroida uudelleen niiden parametrit. Huomaa IO-Link-liittimen liitokset L+ ja M samoin kuin C/Q₁. (Kuvan lähde: SICK)

Asioita vaikeuttaa tässä hieman se, että IO-Link-spesifikaatiot sallivat primääri- ja sekundäärilaitteissa sekä luokan A että luokan B portit. Luokan A portit on määritetty standardissa IEC 60947-5-2 eikä niitä pidä sekoittaa standardissa IEC 61076-2-101 määritettyihin A-koodattuihin M12-liittimiin. Lue lisää yleisistä M12-liittimistä IO-Linkin kontekstissa Digi-Keyn artikkelissa “IO-Linkin perusteet”. Lyhyesti sanottuna IO-Link-liittimen pinnejä 2 ja 5 käytetään joskus (erilaisiin käyttötarkoituksiin) kun taas pinnejä 1, 3 ja 4 käytetään aina (ainoastaan jälkimmäisen käyttö vaihtelee). Luokan A järjestelyssä (perustuu nelipinnisiin M5-, M8- tai M12-liittimiin) on enemmän I/O-variaatioita ja sitä voidaan jopa käyttää korkeana virtalähtönä aktuaattoreiden ohjauksessa. Sitä vastoin luokan B järjestelyt ovat aina viiden pinnin M12-liitäntöjä.

Luokasta huolimatta naarasliittimet sijaitsevat primäärilaitteessa ja urosliittimen pinnit sekundäärisessä kenttälaitteessa.

32 tavua per portti prosessidatalle on maksimi, mitä käytetään kehittyneimmissä IO-Link-liitetyissä antureissa ja aktuaattoreissa; ja itse asiassa hyvin yksinkertaisen IO-Link-sekundäärilaitteen, kuten kytkimen, dataleveys saattaa olla vain yksi bitti. Jos dataleveys ei riitä sovellukseen, eräät IO-Link-primäärilaitteet mahdollistavat fragmentoidun prosessidatan lähettämisen. Muut IO-Linkin datakapasiteetin laajennusmallit sisältävät erilaisia käyttöjä pinnin 4 johtimelle kaksisuuntaisessa IO-Linkissä sekä viestinnän kytkemisessä samoin kuin kahden kanavan tiedonsiirrossa rinnakkain pinnin 4 IO-Link-datan kanssa. Jälkimmäisessä pinnin 2 johdin saattaa kuljettaa laitespesifisiä I/O-signaaleja tai kytkentäsignaaleja (liittyvät usein tilan seurantaan, mutta ei aina) ja vapauttaa IO-Link-kanavan lisäsignaalien kuljettamista varten. IO-Linkin kahden kanavan tiedonsiirto mahdollistaa reaaliaikaisen viestinnän ilman kaukana sijaitsevan PLC:n käyttöön liittyviä viiveitä (sykliajat mukaan lukien), mikä vuorostaan tukee sellaisia sovelluksia, joissa vaaditaan koneen vastauksen tai laitteen tilan nopeaa analyysiä.

Yhteenveto

Kolme IO-Link-ominaisuutta, jotka ovat uusia versiossa 1.1, sisältävät tietojen varmuuskopioinnin (laiteparametrien tallentamiseksi ja uudelleenkäyttämiseksi); mahdollisuuden käsitellä jopa 32 tavun dataleveyttä porttia kohden; sekä 230,4 kilobaudin tiedonsiirtonopeudet primäärilaitteilta. Nämä ominaisuudet ovat vain lisänneet IO-Link 1.1 -version käyttöönottoa teollisuusautomaatiossa.