IO-Linkin avulla voit lisätä joustavuutta, käytettävyyttä ja tehokkuutta Teollisuus 4.0 -tehtaissa

Teollisuus 4.0 -aloitteelle tunnusmerkillisen tietojen keräämisen ja analysoinnin tukeminen voi usein edellyttää muutoksia tuotantolinjalla ja prosesseissa, mm. digitaalisten antureiden, toimilaitteiden, ilmaisimien ja muiden laitteiden lisäämistä, poistamista tai uudelleenohjelmointia. Tätä voi olla vaikea toteuttaa tehokkaasti, jos käytössä on useita ominaisuuksiltaan eroavia, vanhoja automaatioverkkoprotokollia. Teollisuus 4.0 -asennukset tarvitsevat uuden kerroksen yhdistettävyyttä ja joustavuutta aikaisemmin asennettujen verkkojen ja paikallisten antureiden, toimilaitteiden ja ilmaisimien kasvavan määrän väliin.

Näiden haasteiden ratkaisemista varten IO-Link on kehitetty avoimeksi standardiksi, joka kykenee yhdistämään signaaleja antureista, toimilaitteista ja ilmaisimista korkeamman tason verkkoihin, kuten Ethernet IP, Modbus TCP/IP ja PROFINET, ja sieltä ohjelmoitavaan logiikkaan (PLC), käyttöliittymiin (HMI), SCADA-järjestelmiin ja pilvipalveluihin. IO-Link-sarjaliitäntä on standardoitu standardissa IEC 61131-9, ja siinä käytetään yksinkertaisia suojaamattomia kolmen tai viiden johdon vakiokaapeleita, jotka on määritelty IEC 60974-5-2 -standardissa. IO-Link soveltuu erityisen hyvin Teollisuus 4.0 -asennuksissa tarvittavien verkkoon kytkettyjen laitteiden nopeaan käyttöönottoon sekä etäkonfigurointiin, -valvontaan ja -diagnostiikkaan.

Tässä artikkelissa tarkastellaan IO-Linkin ominaisuuksia ja etuja sekä IO-Link-verkkojen rakennetta ja toimintaa, mukaan lukien erilaisten IO-Link-laitteiden käyttöä anturi-, toimilaite- ja ilmaisinten paikallisverkkojen muodostamiseen Teollisuus 4.0 -aloitteen mukaisesti. Siinä esitetään tosimaailman esimerkkejä Banner Engineering -yhtiön IO-Link-isännistä, keskittimistä ja datamuuntimista, joiden avulla voidaan ottaa tehokkaasti käyttöön suuria määriä Teollisuus 4.0 -reunalaitteita.

Mihin IO-Link sopii?

IO-Link tarjoaa alemman tason verkon, joka kerää datan hajautetuista antureista, toimilaitteista ja ilmaisimista, muodostaa yhteyden muuntimiin, jotka muuntavat datan IO-Link-muotoon, ja jakaa sen sitten IO-Link-keskittimeen tai isäntälaitteisiin Ethernet-, Modbus- ja PROFINET-protokollan kaltaisiin korkeamman tason tehdasverkkoihin yhdistämistä varten (kuva 1).

Kuva 1: IO-Link tarjoaa kokonaisvaltaisen ratkaisun vanhojen ja muiden antureiden, toimilaitteiden ja laitteiden (vasemmalla) yhdistämiseen olemassa oleviin SCADA-, HMI- ja pilvipalveluihin (oikealla) Teollisuus 4.0 -verkoissa. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

IO-Linkin keskeisiä ominaisuuksia ovat:

• Avoin standardi
• Tukee paikallisten laitteiden nopeaa integrointia, konfigurointia ja käyttöönottoa muutosten nopeuttamiseksi, ja mahdollistaa enemmän joustavuutta tarvitsematta juurikaan käytännön tukea teknikoilta
• Yhteensopivuus olemassa olevien automaatioverkkojen kanssa
• Robusti kaksisuuntainen kommunikointi, joka voi olla joko synkronista tai asynkronista viestintätehokkuuden maksimoimiseksi
• Etädiagnostiikkatuki aina laitetasolle asti
• Mahdollisuus muuttaa anturin tai toimilaitteen parametreja dynaamisesti prosessioptimoinnin nopeuttamiseksi
• Integroitu laitetunnistus ja automaattiset parametrien uudelleenmääritykset maksimoivat käytettävyyden

IO-Link-laitteiden yhdistäminen

IO-Link-verkon laitteet yhdistetään suojaamattomilla kolme- tai viisijohtimisilla kaapeleilla, joiden pituus on enintään 20 metriä. IEC 60947-5-2 määrittää isännän ja laitteen nastajärjestykset. Laitteissa käytetään urosliittimiä ja isännässä naarasliittimiä. Liittimet voivat olla M5-, M8- tai M12-liittimiä, joissa on enintään viisi nastaa. Isäntä tarjoaa 24 VDC:n ja enintään 200 mA milliampeerin tasavirtalähteen nastojen 1 ja 3 välillä valinnaisena teholähteenä laitteille. Nasta 4 on määritelty digitaaliseksi tuloksi (DI) tai digitaaliseksi lähdöksi (DO) IEC 61131-2 -standardin mukaisesti, ja se tukee taaksepäin yhteensopivuutta vanhojen laitteiden kanssa IEC60947-5-2-standardin mukaisesti.

Isännässä on kaksi porttiluokkaa, A ja B. Luokan A porteissa nastoja 2 ja 5 ei ole kytketty (NC), ja luokan B porteissa nämä nastat voidaan määrittää olemaan DI, DO tai ei kytketty (NC), tai ne voivat toimia lisäteholähteenä. Useimmissa teollisuuslaitoksissa käytetään M12-pikaliittimiä. Kuvassa 2 on yhteenveto IEC 60974-5 -standardissa määritellystä nastajärjestyksestä:

• Nasta 1: +24 V DC, enintään 200 mA (L+)
• Nasta 2: digitaalinen I/O (vain PNP)
• Nasta 3: 0 volttia (L-)
• Nasta 4: digitaalinen I/O (NPN, PNP tai push-pull) ja IO-Link-tiedonsiirto
• Nasta 5: Keskinasta NC (valinnainen)

Kuva 2: IO-Link on yksinkertainen ratkaisu virran ja tiedonsiirtoyhteyden tarjoamiseen reunalaitteille, kuten antureille ja toimilaitteille. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Miksi IO-Link?

IO-Link parantaa merkittävästi Teollisuus 4.0 -verkkojen suorituskykyä yksinkertaistamalla laitteiden asennuksen tai vaihdon standardoidulla, luotettavalla ja edullisella johdotuksella. Lisäksi se on suunniteltu yksinkertaistamaan yksittäisten anturien integrointia olemassa oleviin verkkoihin. IO-Linkin etuja ovat:

Tiedon saatavuus saavutetaan IO-Linkin avulla, kun erilliset laitteet ja automaatiosaarekkeet voidaan yhdistää yhtenäiseen verkkoon. Anturitason tietoja ei ole aina saatavilla tai helppo hankkia. IO-Linkin avulla tiedon hankkimisesta tulee helppoa, ja se on saatavilla reaaliajassa prosessien optimoimiseksi ja koneiden ja anturien ennakoivan kunnossapidon tukemiseksi. IO-Link tukee kolmea ensisijaista tietotyyppiä, jotka voidaan luokitella edelleen joko syklisiksi tiedoiksi, jotka lähetetään automaattisesti säännöllisin väliajoin, tai asyklisiksi tiedoiksi, jotka lähetetään pyynnöstä tai tarvittaessa:

• Prosessitiedot: tämä tarkoittaa anturilukemien kaltaisia tietoja, jotka laite lähettää isännälle, sekä isännän lähettämiä tietoja laitteen toiminnan ohjaamiseksi, kuten tornivalaisimen yksittäisten segmenttien sytyttämiseksi. Prosessitiedot voivat olla syklisiä tai asyklisiä.
• Palvelutiedot: tämä käsittää laitetta koskevat tiedot, ja niitä kutsutaan toisinaan laitetiedoiksi. Palvelutiedot sisältävät laitteen parametriarvot, laitteen kuvauksen sekä mallin ja sarjanumeron. Ne ovat asyklisiä, ja ne voidaan lukea tai kirjoittaa laitteelle tarpeen mukaan.
• Tapahtumatiedot: tämä sisältää virheiden käsittelyn ja siihen sisältyy virheilmoituksia, kuten parametriasetusten ylityksiä, tai huoltovaroituksia, kuten likainen linssi kuvantamisanturissa. Ne lähetetään asyklisesti aina tapahtuman realisoiduttua.

Etäkonfigurointia käyttämällä verkko-operaattorit ja teknikot voivat lukea ja muuttaa laiteparametreja ohjelmallisesti ilman, että heidän on tarpeen mennä fyysisesti kunkin yksittäisen laitteen luokse. Anturiparametreja voidaan muuttaa dynaamisesti tarpeen mukaan olemassa olevien prosessien parantamiseksi, tuotteiden ja prosessien muutosten nopeuttamiseksi, joukkomukauttamisen tukemiseksi sekä koneiden ja tuotantolinjan seisokkiajan minimoimiseksi.

Laitteiden vaihtaminen on yksinkertaisempaa, koska ne voidaan etäkonfiguroida. IO-Linkin automaattinen laitteen vaihtotoiminto (ADR) voi tarjota vaihdettujen laitteiden automaattiset parametrien säädöt ja uudelleenmääritykset. ADR-toiminnon avulla verkko-operaattorit voivat tuoda olemassa olevat parametriarvot korvaavalle laitteelle tai päivittää parametreja tarpeen mukaan varmistaakseen, että verkon muutokset ja ylläpito voidaan suorittaa nopeasti ja tarkasti.

Laajennettu diagnostiikka hyödyntää IO-Linkin syklisiä ja asyklisiä viestintäominaisuuksia tarjotakseen verkko-operaattoreille kattavaa tietoa tehtaan jokaisen laitteen toimintatilasta. Mahdollisuus diagnosoida laitteen toiminta etänä voi nopeuttaa sellaisten laitteiden tunnistamista, jotka ovat vikaantumassa tai toimivat ohjearvojen ulkopuolella. Tämä mahdollistaa kunnossapidon tai laitteiden vaihdon tehokkaamman ajoituksen.

Standardisoitu ja yksinkertainen johdotus on IO-Linkin keskeinen ominaisuus. Toisin kuin muissa verkkoprotokollissa, IO-Linkin laitteet, muuntimet, keskittimet ja isäntälaitteet yhdistetään yksinkertaisilla ja edullisilla suojaamattomilla kaapeleilla ja pikaliittimillä. IO-Linkin master-slave-arkkitehtuuri yksinkertaistaa entisestään johdotusvaatimuksia ja poistaa verkon konfigurointiin liittyvät huolenaiheet.

Aloittaminen: IO-Link-isäntä/ohjain

Automaatiojärjestelmien suunnittelijat, jotka ovat aloittamassa tai laajentamassa IO-Linkin käyttöä, pääsevät alkuun valitsemalla IO-Link-isännän (tai ohjaimen), kuten Banner Engineering DXMR90-4K, joka konsolidoi datan useista lähteistä, tarjoaa paikallista tietojenkäsittelyä ja mahdollistaa yhteyden korkeamman tason verkkoon (kuva 3).

Kuva 3: DXMR90-4K IO-Link -isäntälaite voi konsolidoida datan neljästä paikallisesta lähteestä ja muodostaa yhteyden korkeamman tason verkkoon. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

DXMR90-4K:n neljä porttia tukevat samanaikaista tiedonsiirtoa jopa neljän IO-Link-laitteen kanssa. Se tukee tiedonkeruuta, reunaprosessointia ja protokollamuunnoksia yhteyden muodostamiseksi teolliseen Ethernet- tai Modbus/TCP-protokollaan, ja se voi siirtää tietoja verkkopalvelimille. DXMR90-4K:n muita ominaisuuksia ovat:

• Pienikokoinen ja kevyt kotelo, joka säästää tilaa ja helpottaa käyttöönottoa
• IP67-luokitus poistaa erillisen ohjauskaapin tarpeen, mikä vähentää asennuskustannuksia
• Helpottaa yhdistettyä kaapelointia minimoiden kaapeloinnin monimutkaisuuden ja painon, mikä voi olla erityisen tärkeää robotiikan kaltaisissa sovelluksissa
• Laajennettava sisäinen logiikkaohjain, joka käyttää toimintasääntöjä ja ScriptBasic-ohjelmointia, joka tarjoaa korkean joustavuustason

Yksinkertaisempia asennuksia varten suunnittelijat voivat käyttää kaksiporttista R45C-2K-MQ-IO-Link-isäntää Modbus-liitäntöjä varten.

IO-Link-keskittimet

Kun yhteen IO-Link-isäntään on kytkettävä useita antureita tai toimilaitteita, suunnittelijat voivat käyttää IO-Link-keskitintä antureiden ja toimilaitteiden signaalien kokoamiseen ja niiden lähettämiseen IO-Link-isäntään yhtä kaapelia pitkin. Esimerkiksi R90C-4B21-KQ tarjoaa neljä tuloporttia ja se liitetään isäntään tavallisella M12-liittimellä (kuva 4). Se on pienikokoinen bimodaalinen (PNP tai NPN) IO-Link-laitemuunnin, joka yhdistää erilliset tulot ja lähettää niiden arvon IO-Link-isännälle. Siinä on seuraavat ominaisuudet:

• Viivetilat, joihin kuuluvat päälle/pois-viive, päälle/pois/uudelleenlaukaistava kertatoiminto, päälle/pois, pulssinpidennys ja summaus
• Mittaussuureisiin kuuluvat lukumäärä, tapahtumia minuutissa ja kestoaika
• Erillisen peilauksen ansiosta signaalit (sisään ja ulos) voidaan peilata mihin tahansa neljästä portista
• Erilliset I/O-linjat voidaan konfiguroida itsenäisesti NPN- tai PNP-muotoon
• Lujatekoinen valettu IP68-luokiteltu ratkaisu

Kuva 4: R90C-4B21-KQ-keskitin voi konsolidoida kommunikoinnin neljästä laitteesta ja yhdistää ne IO-Link-isäntälaitteeseen. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

IO-Link-signaalimuuntimet

IO-Link-verkkoihin on saatavana erilaisia muuntimia eri signaalityyppejä käyttävien anturien ja muiden laitteiden yhdistämiseen. Näitä ovat erilliset PNP- ja NPN-signaalit, analogiset 0–10 VDC:n signaalit ja virta-anturit. Esimerkkejä IO-Link-signaalimuuntimista:

• R45C-K-IIQ IO-Link-muunnin analogiselle tulolle/lähdölle (kuva 5)
• R45C-K-UUQ-muunnin analogiselle tulo-/lähtöjännitteelle
• R45C-K-IQ-muunnin analogiselle virtalähdölle
• R45C-K-UQ-muunnin analogiselle jännitelähdölle

Kuva 5: IO-Link-muunnin R45C-K-IIQ voi yhdistää isäntälaitteen paikallisiin laitteisiin analogisten tulojen ja lähtöjen avulla. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Saatavana on myös IO-Link-inline-muuntimia, jotka ovat suunnilleen yhden AA-pariston kokoisia. Nämä muuntimet voivat käsitellä erilaisia signaalityyppejä ja muuntaa ne IO-Link-, Modbus- tai muihin protokolliin. Esimerkiksi S15C-I-KQ on muunnin analogisesta virrasta IO-Linkiin, joka kytketään 4–20 mA:n virtalähteeseen ja joka lähettää arvon IO-Link-isännälle. Näiden muuntimien pieni koko yksinkertaistaa vanhojen antureiden lisäämistä verkkoihin, joissa on vakioprotokollat prosessin tai ympäristön valvontaa varten. Niiden IP68-luokituksen ansiosta niitä voidaan käyttää laajasti teollisuusympäristöissä.

Yhteenveto

IO-Link tarjoaa verkkoyhteyden Teollisuus 4.0 -tehtaiden suorituskyvyn optimoimiseen tarvittavien tietojen keräämiseksi yhdistämällä vanhat ja muut reunalaitteet Ethernet IP-, Modbus TCP/IP- tai PROFINET-pääverkkoon. Se tukee tietojen korkeaa saatavuutta, laajennettua diagnostiikkaa, etäkonfigurointia ja yksinkertaistettua laitteiden vaihtoa, nopeuttaa prosessi- ja tuotantolinjamuutoksia IEC 61131-9 -standardin mukaisella verkkoyhteydellä ja käyttää yksinkertaisia suojaamattomia 3- tai 5-johtimisia vakiokaapeleita, jotka on määritelty IEC 60974-5-2 -standardissa.

Suositeltavaa luettavaa

1. Miten suunnitella modulaarinen päällysverkko IIoT:n optimoitua Teollisuus 4.0 -tietojenkäsittelyä varten
2. Gigabitin Ethernet-signaalin eheyden varmistaminen pitkien etäisyyksien teollisuusautomaatiosovelluksissa