Gebruik van IO-Link in industriële toepassingen

Met de komst van de vierde industriële revolutie en Industrie 4.0 werd alomvattende en intelligente automatisering gedefinieerd door geavanceerde controles, monitoring en diagnostiek. Dergelijke mogelijkheden zijn alleen mogelijk via industriële connectiviteit, waarbij besturings- en machineapparatuur op een platform (zoals IO-Link) worden samengebracht voor een continue gegevensuitwisseling.

Afbeelding 1: IO-Link vormt een aanvulling op bestaande netwerkprotocollen door een eenvoudige integratie in veldbus- of Ethernet-netwerken via de IO-Link primary. De verbinding tussen een IO-Link primary en zijn IO-Link apparaten geschiedt via een niet-afgeschermde drie- of vijfaderige kabel die ook in staat is de IO-Link apparaten van stroom te voorzien. Hier is de stroom van de primaire 24 Vdc. (Bron afbeelding: Pepperl+Fuchs)

De belangrijkste technologieën die aan de basis liggen van industriële connectiviteit zijn gestandaardiseerde netwerken en apparaten met ingebouwde communicatiefuncties. Protocollen in overvloed voor deze functies. Niet alle industriële protocollen voldoen echter aan de eisen op het gebied van gegevensuitwisseling en intelligentie die de hedendaagse automatisering stelt. IO-Link is ontwikkeld om aan een groot aantal van deze moderne toepassingen te voldoen.

Zoals beschreven in een eerder artikel op digikey.com, is IO-Link een bekabeld punt-tot-punt-communicatieprotocol dat slimme bidirectionele datacommunicatie tussen apparaten mogelijk maakt. Gewoonlijk hebben IO-Link primaries (lokale controllers) verschillende IO-Link poorten (kanalen) waarop verschillende IO-Link apparaten onafhankelijk kunnen worden aangesloten. Deze knooppunt-tot-knooppuntverbindingen zijn wat IO-Link tot een punt-tot-puntcommunicatieprotocol maakt.

IO-Link, dat in 2009 werd gelanceerd door een consortium van 41 leden dat nu honderden leden telt, is uitgegroeid tot een algemeen aanvaard communicatieprotocol om gegevens te benutten die van cruciaal belang zijn voor:

• Optimalisering van de operaties
• Vermindering van de downtime en stroomlijning van het onderhoud
• Bezuinigen op grondstofkosten en het nemen van strategische operationele beslissingen.

De geharmoniseerde IO-Link interface wordt gedefinieerd door de IEC 61131-9 norm en ondersteund door Siemens, Omron Corp., ifm Efector, Balluff, Cinch Connectivity, Banner Engineering, Rockwell Automation, SICK, Pepperl+Fuchs, en tientallen andere fabrikanten van componenten en systemen. Geen wonder dat IO-Link connectiviteit op grote schaal wordt toegepast bij assemblageautomatisering, werktuigmachines en intralogistiek. De drie belangrijkste toepassingen in deze en andere industriële omgevingen zijn statuscommunicatie, machinebesturing en het intelligent maken van apparaten.

IO-Link controller modes corresponderen met gebruik

Afbeelding 2: Het type connector dat met de aansluitkabel wordt gebruikt, hangt af van het type poort. IO-Link klasse-A primaire poorten accepteren M8- of M12-connectors (zoals de hier getoonde AL1120 van ifm efector) met maximaal vier pinnen, terwijl klasse-B tegenhangers verbindingen accepteren met apparaten die vijf-pins M12 connectoren hebben (voor bidirectionele datacommunicatie). De modus die op een bepaald moment aan een primaire poort wordt toegewezen, wordt bepaald door het apparaat waarop het is aangesloten en de huidige werking. (Bron afbeelding: ifm Efector)

Herinner u van vorige digikey.com artikels dat het IO-Link communicatieprotocol elke connectorpoort op een IO-Link high-level primary (controller) in staat stelt om vier communicatiemodi te gebruiken. Deze omvatten een volledig gedeactiveerde modus, alsook IO-Link, digitale ingang (DI) en digitale uitgang (DQ) bedrijfsmodi. De modi komen in grote lijnen overeen met de drie belangrijkste IO-Link toepassingen die hierboven zijn genoemd.

De IO-Link bedrijfsmodus ondersteunt bidirectionele datacommunicatie met veldapparatuur en wordt gewoonlijk gebruikt bij het verzamelen van gegevens voor bewaking, testen en diagnostiek. Een primaire poort in DI-modus accepteert digitale ingangen en werkt wanneer de poort is verbonden met sensoren - in deze context, fungerend als invoerapparaten. Een poort in de DQ-modus werkt daarentegen als een digitale uitgang, meestal wanneer de poort is aangesloten op een actuator (in deze context in feite een uitvoerapparaat) of wanneer een systeem-PLC is ingesteld om rechtstreeks instructies naar een ander IO-Link-apparaat te sturen.

Hoewel dit buiten het bestek van dit artikel valt, is het vermeldenswaard dat de poorten op een IO-Link primary gemakkelijk tussen de modi kunnen schakelen. De poort van een primaire sensor kan bijvoorbeeld in DI-modus werken - en dan overschakelen naar IO-Link communicatiemodus wanneer diagnose- en bewakingsgegevens van de sensor door de primaire worden opgevraagd.

IO-Link toepassing 1 van 3: bruikbare statuscommunicatie

Afbeelding 3: IO-Link maakt het mogelijk zeer geavanceerde besturings- en automatiseringssystemen te creëren. De werktuigmachine-industrie maakt overvloedig gebruik van IO-Link-sensors om de juiste werkstukklemming en frees-eindgereedschapdrukken en -posities te verifiëren. (Bron afbeelding: Getty Images)

Machinebewaking is mogelijk met IO-Link apparatuur die is ingesteld om de status te melden, zodat het systeem op zijn beurt kan worden geïnformeerd over noodzakelijke aanpassingen en correcties. Denk maar aan een toepassing in de werktuigmachine-industrie - die van IO-Link druksensoren die controleren of werkstukken worden vastgeklemd met een druk die geschikt is voor een schadevrije maar veilige grip tijdens materiaalverwijderingsbewerkingen. Hier ondersteunen IO-Link sensoren in wezen de optimalisatie van machinetaken voor minder afgekeurde werkstukken.

IO-Link apparaten kunnen ook bruikbare statuscommunicaties maken ter ondersteuning van verbeterde onderhoudsroutines voor minimale uitvaltijd. Zo kunnen IO-Link-positiesensoren op een assemblagemachine bijvoorbeeld voortdurend de locaties van eindeffectoren melden om er zeker van te zijn dat er geen buiten bereik of uitgelijnd zijn.

Door het analyseren van diagnosegegevens die door IO-Link apparatuur worden geleverd, kunnen de technici van de fabriek fouten en potentiële storingen voorspellen en corrigeren voordat ze zich voordoen. Technici kunnen ook zwakke schakels in een machine of fabriek opsporen - om in de toekomst informatie te verstrekken over operationele veranderingen op bedrijfsniveau, aankoopbeslissingen en ontwerpen voor eigen machines.

IO-Link toepassing 2 van 3: geavanceerde besturing en automatisering

Afbeelding 4: Een IO-Link-systeem voor geavanceerde besturingen omvat een IO-Link primary (controller), zoals de hier getoonde Omron NX-ILM400, en diverse voor IO-Link geschikte sensoren, voedingen en mechatronische apparaten die op die primary zijn aangesloten. IO-Link systemen voor dergelijke toepassingen koppelen de IO-Link primaire en apparaten doorgaans aan een PLC of ander automatiseringssysteem. (Bron afbeelding: Omron)

Besturing en automatisering zijn andere toepassingsfuncties die door IO-Link worden ondersteund. Waar een IO-Link installatie functies ondersteunt die zonder tussenkomst van personeel worden uitgevoerd, maakt de IO-Link primair vaak verbinding met een hostsysteem of PLC op hoger niveau dat de ontvangen gegevens verwerkt en vervolgens direct of indirect actuatoren in het ontwerp opdracht geeft tot de juiste gecoördineerde reacties. Voor een dergelijke geautomatiseerde besturing moet het IO-Link systeem via gestandaardiseerde veldbus- of Ethernet-protocollen en bekabeling worden verbonden met een controller op een hoger niveau. In feite hebben de meeste IO-Link primaries veldbus- of Ethernetpoorten voor dergelijke verbindingen.

Apparaten in geavanceerde besturingstoepassingen met IO-Link systemen integreren op een van de volgende drie manieren:

• Zij maken rechtstreeks verbinding met de hostcomputer of PLC
• Zij worden aangesloten op een IO-Link primary en communiceren via het IO-Link protocol
• Zij maken gebruik van IO-Link-compatibele communicatie en worden via een IO-Link-hub aangesloten op een IO-Link primary

Deze laatste fungeert in wezen als tussenpersoon om niet-IO-Link apparaten met de primaire te verbinden.

Een bijkomend voordeel van IO-Link-systemen met veldbus- en Ethernet-communicatieconnectiviteit is dat langeafstandsverbindingen mogelijk zijn - waardoor installateurs IO-Link primaries in een schakelkast of aan de buitenste machinebereiken kunnen plaatsen als dat voor een bepaalde toepassing het meest zinvol is.

Bedenk hoe IO-Link primaries geavanceerde assemblagetoepassingen ten goede komen doordat zij fungeren als low-level controllers die zowel digitale als analoge signalen kunnen verwerken. Hier, voorverkiezingen misschien:

• Accepteer de gegevens gegenereerd door IO-Link lineaire encoders op de assen van een XY-stage
• Verwerk die gegevens als een gateway
• De verwerkte IO-Link-veldapparatuurgegevens naar de PLC of een andere systeemcontroller sturen

IO-Link toepassing 3 van 3: apparaatintelligentie

Afbeelding 5: De IO-Link aansluitinterface is zeer klein en past op de meeste compacte veldapparatuur. Hier ziet u een Balluff BUS004Z naderingssensor met IO-Link connectiviteit. (Bron afbeelding: Balluff)

De derde toepassing van IO-Link is om apparaten slim te maken. Deze apparaten met IO-link kunnen instructies ontvangen, bewaken en zelftestroutines uitvoeren - en gegevens genereren - en komen vooral voor in sensorontwerpen die lijken op verouderde sensoropties zonder (of met een bescheidener) programmering. Omdat apparaten via IO-Link ook meer kunnen leveren dan de basisgegevens met twee waarden (ja/nee of pass-fail), is ook de rapportage van precieze waarden mogelijk. Procesautomatiseringstaken profiteren bijvoorbeeld van IO-Link-temperatuursensoren die verder gaan dan het rapporteren van de hoge of lage temperatuurstatus door voortdurend de exacte temperatuurwaarde van een bewaakte zone of een bewaakt volume te rapporteren.

Een ander voordeel van IO-Link voor slimme veldapparatuur is de manier waarop de fysieke verbindingen compact zijn. Dit in tegenstelling tot de fysieke aansluitingen van veldbus- en Ethernet-interfaces, die soms te groot zijn om op veldmicro-apparaten te passen.

Ook slimme componenten van IO-Link kunnen nauwkeurig worden aangestuurd. In plaats van een eenvoudige aan/uit-regeling kan een actuator bijvoorbeeld opdracht krijgen om uit te schakelen zodra een scenario aan een aantal voorwaarden voldoet.

Invoerapparaten zoals drukknopschakelaars van RAFIkunnen gebruik maken van IO-Link-functies om smart-device-functies te ondersteunen - waaronder kleurgecodeerde controlelampjes.

Er zijn enkele kanttekeningen bij het gebruik van IO-Link voor smart-device toepassingen. Hoewel er een draadloze vorm van IO-Link in ontwikkeling is, is het nog steeds een communicatieprotocol met bedrading - dus nog steeds onderworpen aan alle beperkingen van harde bedrading. Om de gegevensintegriteit te behouden, mag de bekabeling van IO-Link primair naar apparaat niet langer zijn dan 20 m. En omdat het IO-Link protocol slechts 32 bytes aan gegevens per cyclus kan verzenden, is het onvoldoende voor gebruik met veldapparatuur zoals camera's, die vele MB aan gegevens per minuut kunnen genereren.

Conclusie

IO-Link-systemen worden in overvloed gebruikt als aanvulling op bestaande protocollen die de basis vormen van vrijwel onbeperkte besturings- en gegevensverzamelingssystemen. Een stimulans voor de toepassing is de eenvoud van IO-Link systemen - bestaande uit slechts een IO-Link primary en de bijbehorende apparaten en hun aangesloten drie- of vijfdraads kabels. Plug-and-play installatie en kosteneffectiviteit zijn andere IO-Link-voordelen.

De inspanningen van het IO-Link-consortium van aangesloten bedrijven hebben gezorgd voor een brede compatibiliteit tussen controllers, apparaten en actuatoren van verschillende fabrikanten, waardoor ontwerpers de ruimste keuze aan apparatuur hebben voor hun specifieke gebruikssituaties.