IO-Linkin hyödyntäminen teollisuussovelluksissa

Edistyneestä ohjauksesta, valvonnasta ja diagnostiikasta tuli neljännen teollisen vallankumouksen alkamisen ja Teollisuus 4.0:n myötä ratkaisevan tärkeitä kattavalle ja älykkäälle automaatiolle. Nämä tehtävät voidaan hoitaa vain teollisuusyhteyksien avulla eli yhdistämällä ohjaukset ja koneet/laitteet jonkin alustan (kuten IO-Linkin) kautta sekä siirtämällä dataa jatkuvasti.

Kuva 1: IO-Link täydentää olemassa olevia verkkoprotokollia. Se on helppo integroida kenttäväylään tai Ethernet-verkkoon IO-Linkin primäärilaitteen avulla. IO-Link-laitteet kytketään IO-Link-primäärilaitteeseen kolmi- tai viisijohtimisella suojaamattomalla kaapelilla, jolla voidaan myös syöttää virtaa IO-Link-laitteille. Tässä primäärilaitteen jännite on 24 VDC. (Kuvan lähde: Pepperl+Fuchs)

Tärkeimmät teollisuusyhteyksiä tukevat teknologiat ovat standardisoidut verkot ja laitteet integroiduilla tiedonsiirto-ominaisuuksilla. Näihin tehtäviin on saatavana valtavasti erilaisia protokollia. Kaikki teollisuusprotokollat eivät kuitenkaan täytä nykypäivän automaation asettamia tiedonsiirtoa ja älykkyyttä koskevia vaatimuksia. IO-Link kehitettiin vastaukseksi monien tällaisten modernien sovellusten tarpeisiin.

Kuten aiemmassa digikey.com-artikkelissa selitetään, IO-Link on langallinen pisteestä pisteeseen -tiedonsiirtoprotokolla, joka sallii älykkään kaksisuuntaisen tiedonsiirron laitteiden välillä. IO-Linkin primäärilaitteissa (paikallisohjaimet) on tyypillisesti useita IO-Link-portteja (kanavia), joihin erilaisia IO-Link-laitteita voidaan kytkeä toisistaan riippumatta. IO-Link onkin näiden solmujen välisten päätepistekytkentöjen vuoksi kaksipisteviestintäprotokolla.

IO-Linkin julkaisi vuonna 2009 konsortio, jossa oli 41 jäsentä. Nykyään siinä on jo satoja jäseniä, ja IO-Linkistä on tullut laajalti hyväksytty tiedonsiirtoprotokolla kriittisen datan siirtämiseen. Sen avulla voidaan

• optimoida toimintoja
• vähentää käyttökatkoja ja sujuvoittaa kunnossapitoa
• leikata raaka-ainekustannuksia ja tehdä strategisia operatiivisia päätöksiä.

Yhdenmukaistettu IO-Link-rajapinta on määritelty standardissa IEC 61131-9. Sitä tukevat Siemens, Omron Corp., ifm Efector, Balluff, Cinch Connectivity, Banner Engineering, Rockwell Automation, SICK, Pepperl+Fuchs ja kymmenet muut komponentti- ja järjestelmävalmistajat. IO-Link-yhteyksiä hyödynnetäänkin laajalti kokoonpanon automaatiossa, koneistustyökaluissa ja intralogistiikassa. Sitä käytetään näillä aloilla ja muissa teollisuussovelluksissa pääasiassa kolmeen tehtävään: tilan viestintään, koneiden ohjaukseen ja laitteiden älykkyyden lisäämiseen.

IO-Linkin ohjaustilat valitaan käytön mukaan

Kuva 2: Liitoskaapelissa käytettävän liittimen tyyppi riippuu portin tyypistä. IO-Linkin A-luokan primääriportteihin voidaan kytkeä M8- tai M12-liitin (kuten kuvassa esitetty ifm efectorin AL1120), jossa on enintään neljä nastaa. Class-B-vastakappaleisiin voi kytkeä laitteita, joissa käytetään viisinastaista M12-liitintä (kaksisuuntaista tiedonsiirtoa varten). Primäärilaitteen portin tilan määrittävät siihen kulloinkin kytketty laite ja senhetkinen toiminta. (Kuvan lähde: ifm Efector)

Muistat ehkä aiemmista digikey.comin artikkeleista, että IO-Link-tiedonsiirtoprotokollan avulla jokaista korkean tason IO-Link-primäärilaitteen (ohjaimen) liitinporttia voidaan käyttää neljässä eri tiedonsiirtotilassa. Ne ovat täysin deaktivoitu toimintatila, IO-Link- tila, digitaalinen tulo (DI) ja digitaalinen lähtö (DQ). Nämä tilat vastaavat suunnilleen edellä mainittuja IO-Linkin kolmea pääasiallista käyttötapaa.

IO-Link-toimintatila tukee kaksisuuntaista tiedonsiirtoa kenttälaitteiden kanssa. Sitä käytetään tyypillisesti valvontaan, testaukseen ja diagnostiikkaan tarvittavan datan keräykseen. Primäärilaitteen portti ottaa DI-tilassa vastaan digitaalista syötettä ja sitä käytetään kun portti on kytketty syöttölaitteina toimiviin antureihin. DQ-tilassa portti toimii digitaalisena lähtönä, tyypillisesti silloin, kun portti on kytketty toimilaitteeseen (joka on tässä tilanteessa käytännössä lähtölaite), tai kun järjestelmän PLC on määritetty lähettämään käskyjä suoraan toiselle IO-Link-laitteelle.

On syytä huomata, että IO-Link-primäärilaitteen porttien tilan voi vaihtaa koska tahansa, vaikka sitä ei käsitelläkään tässä artikkelissa tarkemmin. Esimerkiksi anturiin kytketty primääriportti voi toimia DI-tilassa ja siirtyä sitten IO-Link-tiedonsiirtotilaan, kun primäärilaite pyytää anturilta diagnostiikka- ja valvontadataa.

IO-Linkin käyttö, 1/3: toimenpiteitä vaativan tilan ilmoittaminen

Kuva 3: IO-Linkin avulla voidaan toteuttaa erittäin kehittyneitä ohjaus- ja automaatiojärjestelmiä. Koneistusteollisuudessa käytetään laajalti IO-Link-antureita työkappaleen kiinnityksen ja työkalujen paineiden sekä sijaintien varmentamiseen. (Kuvan lähde: Getty Images)

Koneita voidaan seurata tilan raportointiin määritetyillä IO-Link-laitteilla, jotka ilmoittavat järjestelmälle tarvittavista säädöistä ja korjauksista. Koneistusalalla käytetään esimerkiksi IO-Link-paineantureita, jotka tarkistavat, että työkappaleiden kiinnityspaine ei vaurioita kappaletta, mutta pitää sen varmasti paikallaan koneistuksen aikana. Käytännössä IO-Link-anturit siis tukevat koneen tehtävien optimointia ja vähentävät hylättävien työkappaleiden määrää.

IO-Link-laitteet voivat myös viestiä tiedon toimenpiteitä vaativasta tilasta ja tukea siten tehokkaampaa kunnossapitoa ja vähentää käyttökatkoja. Esimerkiksi kokoonpanokoneeseen asennetut IO-Link-asentoanturit voivat raportoida päätetyövälineiden sijainnit jatkuvasti, jolloin niiden pysyminen sallitulla alueella voidaan varmistaa.

Tehtaan koneistusasiantuntijat voivat IO-Link-laitteiden tarjoamaa diagnostiikkadataa analysoimalla ennakoida ja korjata virheitä ja mahdollisia konerikkoja ennen niiden tapahtumista. Asentajat voivat myös tunnistaa koneen tai tehtaan heikkoja kohtia. Näiden tietojen perusteella yrityksessä voidaan toteuttaa kattavia operatiivisia muutoksia, tehdä hankintapäätöksiä ja suunnitella uusia koneita kyseiset tiedot huomioon ottaen.

IO-Linkin käyttö, 2/3: edistynyt ohjaus ja automaatio

Kuva 4: Edistyneeseen ohjaukseen käytettävässä IO-Link-järjestelmässä on IO-Link-primäärilaite (ohjain), kuten tässä kuvassa esitetty Omron NX-ILM400, sekä useita IO-Link-protokollaa tukevia ja kyseiseen primäärilaitteeseen kytkettyjä antureita, virtalähteitä ja mekatroniikkalaitteita. Tällaisissa IO-Link-järjestelmissä IO-Link-primäärilaite ja siihen kytketyt laitteet on yleensä yhdistetty PLC-ohjaimeen tai muuhun automaatiojärjestelmään. (Kuvan lähde: Omron)

IO-Link tukee myös ohjausta ja automaatiota. Jos IO-Link-järjestelmää käytetään toiminnoissa, jotka pyörivät autonomisesti ilman työntekijöiden osallistumista, IO-Link-primäärilaite kytketään usein isäntäkoneeseen tai ylemmän tason PLC-ohjaimeen, joka prosessoi vastaanottamansa datan ja ohjaa toimilaitteita määriteltyjen, koordinoitujen vasteiden mukaisesti suoraan tai välillisesti. Tällainen automaattinen ohjaus edellyttää IO-Link-järjestelmän kytkemistä kaapeleilla ylemmän tason ohjaimeen standardisoidun kenttäväylän tai Ethernet-protokollan avulla. Useimmissa IO-Link-primäärilaitteissa onkin kenttäväylä- tai Ethernet-portit tällaisia kytkentöjä varten.

Laitteet integroidaan IO-Link-järjestelmiä hyödyntäviin edistyneisiin ohjaussovelluksiin jollakin seuraavista kolmesta tavasta:

• kytkemällä ne suoraan isäntäkoneen tai PLC-ohjaimeen
• kytkemällä ne IO-Link-primäärilaitteeseen ja käyttämällä tiedonsiirtoon IO-Link-protokollaa
• käyttämällä IO-Link-yhteensopivaa tiedonsiirtoa ja kytkemällä ne IO-Link-keskittimen kautta IO-Link-primäärilaitteeseen.

IO-Link-keskitin toimii tällöin käytännössä välittäjänä, jonka kautta primäärilaitteeseen voidaan liittää myös muita kuin IO-Link-laitteita.

Kenttäväylä- tai Ethernet-tiedonsiirtoa tukevissa IO-Link-järjestelmissä voidaan käyttää myös pidempiä yhteysmatkoja, jolloin asentajat voivat sijoittaa IO-Link-primäärilaitteet ohjauskoteloon tai kauimpana sijaitsevan koneen luokse, jos siitä saadaan etua kyseisessä sovelluksessa.

IO-Link-primäärilaitteista on hyötyä esimerkiksi kehittyneissä kokoonpanosovelluksissa, joissa niitä voidaan käyttää alemman tason ohjaimina, jotka pystyvät prosessoimaan sekä digitaalisia että analogisia signaaleja. Primäärilaitteet voivat tällaisessa käytössä

• ottaa vastaan IO-Link-lineaarienkooderien tuottaman XY-tason akselidatan
• prosessoida kyseisen datan yhdyskäytävänä
• lähettää kyseisen prosessoidun IO-Link-kenttälaitedatan PLC-ohjaimelle tai muulle järjestelmän ohjaimelle.

IO-Linkin käyttö, 3/3: laitteiden älykkyys

Kuva 5: IO-Link-liitäntärajapinta on hyvin pieni ja mahtuu useimpiin kompakteihin kenttälaitteisiin. Kuvan Balluff BUS004Z -läheisyysanturi IO-Link-liitännällä (Kuvan lähde: Balluff)

Kolmas IO-Linkin käyttötapa on älykkyyden lisääminen laitteisiin. Tällaiset laitteet, joiden kanssa voi käyttää IO-Linkiä, pystyvät vastaanottamaan ohjeita, valvomaan ja tekemään itsetestejä sekä tuottamaan tietoa. Niitä käytetään etenkin aiemmin käytössä olleita anturivaihtoehtoja muistuttavissa antureissa, kun vanhoja antureita ei voida ohjelmoida tai niiden tarjoamat ohjelmointimahdollisuudet ovat hyvin rajallisia. Myös täsmällisten arvojen raportointi on mahdollista, koska laitteet voivat IO-Linkin kautta ilmoittaa muutakin dataa kuin vain tiedon kahdesta vaihtoehdosta (kyllä/ei, hyväksytty/hylätty). Esimerkiksi prosessiautomaation tehtävissä voidaan hyödyntää IO-Linkiä käyttäviä lämpötila-antureita, jotka eivät pelkästään kerro, onko lämpötila ylittänyt ylärajan tai alittanut alarajan, vaan raportoivat jatkuvasti valvottavan vyöhykkeen tai tilavuuden täsmällisen lämpötilan.

IO-Linkin pienet fyysiset kytkennät helpottavat sen käyttöä älykkäissä kenttälaitteissa. Kenttäväylä- tai Ethernet-rajapintojen fyysiset kytkennät ovat paljon suurempia ja joskus liian suuria pieniin kenttälaitteisiin.

Älykkäitä IO-Link-komponentteja voidaan myös ohjata tarkasti. Toimilaite voidaan esimerkiksi määrätä sammumaan tiettyjen ehtojen täyttyessä sen sijaan, että sille lähetettäisiin vain päälle/pois-komentoja.

RAFI-painikekytkimien kaltaisten syöttölaitteiden avulla IO-Linkin toimintoja voidaan hyödyntää tukemaan älykkäitä laiteominaisuuksia, kuten värikoodattuja merkkivaloja.

On eräitä seikkoja, jotka on otettava huomioon käytettäessä IO-Linkiä älylaitteissa. IO-Linkistä ollaan kehittämässä langatonta versiota, mutta tällä hetkellä se on edelleen johdollinen tiedonsiirtoprotokolla, joten kaikki johdotukseen liittyvät rajoitukset koskevat yhä myös sitä. Datan eheys vaatii, että IO-Link-primäärilaitteen kaapeli saa olla enintään 20 m pitkä. Ja koska IO-Link-protokolla pystyy siirtämään vain enintään 32 tavua dataa sykliä kohden, sen tiedonsiirtokapasiteetti ei riitä moniin kameroiden kaltaisiin kenttälaitteisiin, joissa syntyvä datamäärä voi olla useita megatavuja minuutissa.

Yhteenveto

IO-Link-järjestelmiä käytetään runsaasti ja ne täydentävät nykyisiä protokollia sekä tukevat käytännössä rajatonta määrää ohjaus- ja datankeräysjärjestelmiä. IO-Link-järjestelmien käyttöönottoa on edistänyt niiden yksinkertaisuus: järjestelmään tarvitaan vain IO-Link-primäärilaite, siihen kytkettävät laitteet sekä kolmi- tai viisijohtimiset liitoskaapelit. IO-Linkin etuihin kuuluvat myös plug-and-play-asennus ja kustannustehokkuus.

IO-Link-konsortion jäsenyritysten ponnistelut ovat varmistaneet eri valmistajien ohjainten, laitteiden ja toimilaitteiden laajan yhteensopivuuden, joten suunnittelijoiden käytössä on laajin mahdollinen laitevalikoima kuhunkin käyttötarkoitukseen.