Gebruik IO-Link voor meer flexibiliteit, beschikbaarheid en efficiëntie in Industry 4.0-fabrieken

Om de gegevensverzameling en -analyse te ondersteunen die de kenmerken vormen van Industry 4.0, zijn vaak lijn- en proceswijzigingen nodig, zoals het toevoegen, verwijderen of herprogrammeren van digitale sensors, actuators, indicators en andere apparaten. Dit kan moeilijk zijn om efficiënt te implementeren in oudere automatiseringsnetwerkprotocollen met hun verschillende eigenschappen. Industry 4.0-installaties hebben een extra laag van connectiviteit en flexibiliteit nodig tussen de geïnstalleerde netwerken en de groeiende massa van gelokaliseerde sensors, actuators en indicators.

Om deze uitdagingen aan te gaan, is IO-Link ontwikkeld als een open standaard die signalen van apparaten zoals sensoren, actuatoren en indicatoren kan verbinden met netwerken van een hoger niveau, zoals Ethernet IP, Modbus TCP/IP en PROFINET, en van daaruit met programmeerbare logische controllers (PLC's), mens-machine-interface (HMI) apparaten, toezichthoudende controle- en gegevensverzamelingssystemen (SCADA) en met de cloud. IO-Link seriële connectiviteit is gestandaardiseerd als IEC 61131-9 met eenvoudige niet-afgeschermde standaardkabels met drie of vijf aders zoals gedefinieerd in IEC 60974-5-2. Ontwerpers van automatiseringssystemen zullen IO-Link bijzonder geschikt vinden voor ondersteuning van de snelle implementatie en externe configuratie, bewaking en diagnose van aangesloten apparaten die nodig zijn voor Industry 4.0-fabrieken.

Dit artikel geeft een overzicht van de mogelijkheden en voordelen van IO-Link en bekijkt de structuur en werking van IO-Link-netwerken, inclusief het gebruik van verschillende soorten IO-Link-apparaten voor het bouwen van lokale netwerken van sensoren, actuatoren en indicatoren ter ondersteuning van Industry 4.0. Het bevat praktijkvoorbeelden van IO-Link-master-, hub- en dataconverterapparaten van Banner Engineering die ontwerpers kunnen gebruiken om op efficiënte wijze massa's randapparaten voor Industry 4.0 in te zetten.

Waar past IO-Link in?

IO-Link biedt een netwerk op een lager niveau dat gegevens van gedistribueerde sensors, actuators en indicators vastlegt, verbinding maakt met converters die de gegevens omzetten in het IO-Link-formaat en deze vervolgens distribueert naar IO-Link-hubs of masterapparaten voor aansluiting op fabrieksnetwerken op een hoger niveau, zoals Ethernet, Modbus en PROFINET (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: IO-Link biedt een complete oplossing voor het verbinden van legacy en andere sensors, actuators en apparaten (links) met bestaande SCADA, HMI en de cloud (rechts) in Industry 4.0-netwerken. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

De belangrijkste kenmerken van IO-Link zijn de volgende:

• Open standaard
• Ondersteunt snelle integratie, configuratie en inbedrijfstelling van lokale apparaten om omschakelingen te versnellen en meer flexibiliteit mogelijk te maken met minimale behoefte aan hands-on ondersteuning door technici
• Compatibiliteit met bestaande automatiseringsnetwerken
• Robuuste tweewegcommunicatie die synchroon of asynchroon kan zijn voor maximale communicatie-efficiëntie
• Diagnostische ondersteuning op afstand tot op apparaatniveau
• De mogelijkheid om sensor- of actuatorparameters dynamisch te wijzigen om procesoptimalisatie te versnellen
• Geïntegreerde apparaatidentificatie en automatische toewijzing van parameters voor maximale beschikbaarheid

IO-Link-apparaten aansluiten

Apparaten in een IO-Link-netwerk worden aangesloten met niet-afgeschermde drie- of vijfaderige kabels van maximaal 20 meter (m) lang. IEC 60947-5-2 definieert de master- en apparaatpintoewijzingen. Mannelijke connectors worden toegewezen aan het apparaat en vrouwelijke connectors worden gebruikt voor de master. Connectors kunnen M5, M8 of M12 zijn met maximaal vijf pinnen. Op de master wordt 24 volt gelijkstroom (VDC) bij maximaal 200 milliampère (mA) geleverd tussen pinnen 1 en 3 als optionele voeding voor apparaten. Pin 4 is gedefinieerd als een digitale ingang (DI) of digitale uitgang (DO) op basis van IEC 61131-2 en ondersteunt achterwaartse compatibiliteit met oudere apparaten volgens IEC60947-5-2.

Er zijn twee masterpoortklassen, A en B. Bij poorten van klasse A zijn pin 2 en 5 niet aangesloten (NC), en bij poorten van klasse B kunnen die pinnen worden geconfigureerd als DI, DO, niet aangesloten (NC), of een extra voeding leveren. In de meeste industriële installaties worden M12 snelkoppelingsconnectors gebruikt. Afbeelding 2 geeft een overzicht van de pintoewijzingen zoals gedefinieerd in IEC 60974-5:

• Pin 1: +24 VDC, maximaal 200 mA (L+)
• Pin 2: Digitale I/O (alleen PNP)
• Pen 3: 0 volt (L-)
• Pin 4: Digitale I/O (NPN, PNP of push-pull) en IO-Link communicatie
• Pin 5: Middenpin NC (optioneel)

Afbeelding 2: IO-Link is een eenvoudige oplossing voor het leveren van voeding en gegevensconnectiviteit aan randapparatuur zoals sensors en actuators. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Waarom IO-Link?

IO-Link draagt bij aan aanzienlijke prestatieverbeteringen in Industry 4.0-netwerken door eenvoudige installatie of vervanging van apparaten met gestandaardiseerde, betrouwbare en goedkope bedrading. Bovendien is het ontworpen om de integratie van geïsoleerde sensoren in bestaande netwerken te vereenvoudigen. Voordelen van IO-Link zijn onder andere:

De beschikbaarheid van gegevens wordt mogelijk gemaakt door IO-Link te gebruiken om geïsoleerde apparaten en automatiseringseilanden te verbinden tot een uniform netwerk. Gegevens op sensorniveau zijn niet altijd beschikbaar of gemakkelijk te verkrijgen. Met IO-Link kunnen gegevens eenvoudig worden verzameld en in realtime beschikbaar zijn om processen te optimaliseren en proactief machine- en sensoronderhoud te ondersteunen. IO-Link ondersteunt drie primaire gegevenstypen die verder kunnen worden gecategoriseerd als ofwel cyclische gegevens die automatisch worden verzonden volgens een regelmatig schema, of acyclische gegevens die op verzoek of wanneer nodig worden verzonden:

• Procesgegevens: Dit verwijst naar informatie zoals sensormetingen die het apparaat doorstuurt naar de master, maar ook naar informatie van de master om de werking van het apparaat te regelen, zoals het verlichten van specifieke segmenten op een torenverlichtingsarmatuur. Procesgegevens kunnen cyclisch of acyclisch zijn.
• Servicegegevens: Dit bevat informatie over het apparaat en wordt soms apparaatgegevens genoemd. De servicegegevens omvatten parameterwaarden van het apparaat, een beschrijving van het apparaat en het model- en serienummer. Het is acyclisch en kan naar behoefte worden gelezen van of geschreven naar een apparaat.
• Gebeurtenisgegevens: Dit omvat foutafhandeling en bevat foutmeldingen zoals parameterinstellingen die worden overschreden of onderhoudswaarschuwingen zoals een vuile lens op een beeldsensor. Ze worden acyclisch verzonden wanneer zich een triggerende gebeurtenis voordoet.

Met configuratie op afstand kunnen netwerkbeheerders en technici apparaatparameters lezen en wijzigen via softwarebesturing zonder fysiek naar elk afzonderlijk apparaat te gaan. Sensorparameters kunnen indien nodig dynamisch worden gewijzigd om bestaande processen te verfijnen, product- en proceswijzigingen te versnellen, massale aanpassingen te ondersteunen en machine- en lijnuitval te minimaliseren.

Eenvoudige vervanging van apparaten wordt mogelijk gemaakt door de mogelijkheid om apparaten op afstand te configureren. De functie Auto Device Replacement (ADR) in IO-Link kan zorgen voor automatische parameteraanpassingen en hertoewijzingen voor vervangen apparaten. Met ADR kunnen netwerkbeheerders bestaande parameterwaarden importeren in een vervangend apparaat of de parameters naar behoefte bijwerken om snelle en nauwkeurige netwerkaanpassingen en -onderhoud te garanderen.

Uitgebreide diagnostiek maakt gebruik van de cyclische en acyclische communicatiemogelijkheden van IO-Link om netwerkbeheerders uitgebreide informatie te bieden over de operationele status van elk apparaat in de fabriek. De mogelijkheid om op afstand een diagnose te stellen van de werking van apparaten kan de identificatie versnellen van apparaten die verslechteren of buiten de specificaties werken. Hierdoor kan onderhoud of vervanging van apparaten efficiënter worden gepland.

Gestandaardiseerde en eenvoudige bedrading is een belangrijk kenmerk van IO-Link. In tegenstelling tot andere netwerkprotocollen worden IO-Link-apparaten, -convertors, -hubs en -masters allemaal aangesloten met eenvoudige en goedkope niet-afgeschermde kabels en snelkoppelingsconnectors. De master-slave architectuur van IO-Link vereenvoudigt de bedrading en voorkomt problemen met de netwerkconfiguratie.

Aan de slag: IO-Link-master/-controller

Ontwerpers van automatiseringssystemen die IO-Link toevoegen of het gebruik ervan uitbreiden, kunnen beginnen met het selecteren van een IO-Link-master (of controller) zoals de DXMR90-4K van Banner Engineering die gegevens uit meerdere bronnen consolideert, lokale gegevensverwerking biedt en connectiviteit met het netwerk op een hoger niveau mogelijk maakt (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Het DXMR90-4K IO-Link-masterapparaat kan gegevens van vier lokale bronnen combineren en verbinding maken met een netwerk op een hoger niveau. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

De vier poorten van de DXMR90-4K ondersteunen gelijktijdige communicatie met maximaal vier IO-Link-apparaten. Het ondersteunt gegevensverzameling, randverwerking en protocolconversie voor aansluiting op industrieel Ethernet of Modbus/TCP, en kan gegevens overbrengen naar webservers. Andere kenmerken van de DXMR90-4K zijn:

• Compacte en lichtgewicht behuizing die ruimte bespaart en het gebruik vereenvoudigt
• Dankzij beschermingsgraad IP67 is er geen aparte schakelkast nodig, wat bijdraagt aan lagere installatiekosten
• Maakt geconsolideerde kabeltrajecten mogelijk die de complexiteit en het gewicht van de bekabeling minimaliseren, wat vooral belangrijk kan zijn in toepassingen zoals robotica
• Uitbreidbare interne logische controller met behulp van actieregels en ScriptBasic-programmering die een hoge mate van flexibiliteit ondersteunt

Voor eenvoudigere installaties kunnen ontwerpers zich wenden tot apparaten zoals de R45C-2K-MQ IO-Link-master met twee poorten voor Modbus-verbindingen.

IO-Link hubs

Wanneer een groot aantal sensoren of actuators op een enkele IO-master moeten worden aangesloten, kunnen ontwerpers een IO-Link-hub gebruiken om sensor- en actuatorsignalen samen te voegen en ze via een enkele kabel naar een IO-Link-master te sturen. De R90C-4B21-KQ heeft bijvoorbeeld vier ingangspoorten en wordt op de master aangesloten met een standaard M12-connector (Afbeelding 4). Het is een compacte bimodale (PNP of NPN) naar IO-Link-apparaatconvertor die discrete ingangen verbindt en de waarde naar een IO-Link-master stuurt. Kenmerken:

• Vertragingsmodi waaronder AAN/UIT-vertraging, AAN/UIT/hertriggerbare eenmalige opname, AAN/UIT, pulsstretcher en totalisator
• Meetgegevens zijn onder andere aantal, gebeurtenissen per minuut en duur
• Discrete spiegeling maakt het mogelijk de signalen (in en uit) te spiegelen naar elk van de vier poorten
• Discrete I/O's kunnen onafhankelijk worden geconfigureerd als NPN of PNP
• Robuust overgegoten IP68-ontwerp

Afbeelding 4: De R90C-4B21-KQ-hub kan de communicatie van vier apparaten consolideren en ze verbinden met een IO-Link-masterapparaat. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

IO-Link-signaalconvertors

Er zijn verschillende soorten convertors beschikbaar voor IO-Link-netwerken om sensors en andere apparaten aan te sluiten die een reeks signaaltypes kunnen gebruiken, zoals discrete PNP of NPN signalen, analoge 0 tot 10 VDC signalen en stroomtransducers. Voorbeelden van IO-Link-signaalconvertors zijn:

• R45C-K-IIQ convertor voor IO-Link naar analoge stroom in of uit (Afbeelding 5)
• R45C-K-UUQ convertor voor analoge spanning in of uit
• R45C-K-IQ convertor voor analoge stroomuitgang
• R45C-K-UQ convertor voor analoge spanning uit

Afbeelding 5: De R45C-K-IIQ IO-Link-convertor kan een masterapparaat verbinden met lokale apparaten via analoge in- en uitgangen. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Er zijn ook IO-Link inline convertors verkrijgbaar die ongeveer net zo groot zijn als een enkele AA-batterij. Deze convertors kunnen verschillende signaaltypes verwerken en converteren naar IO-Link, Modbus of andere protocollen. De S15C-I-KQ is bijvoorbeeld een analoge stroom naar IO-Link-convertor die wordt aangesloten op een 4 tot 20 mA stroombron en de waarde uitvoert naar een IO-Link-master. Het kleine formaat van deze convertors vereenvoudigt de toevoeging van oudere sensors aan netwerken met standaardprotocollen voor proces- of omgevingsbewaking. Dankzij hun IP68-classificatie kunnen ze breed worden ingezet in industriële omgevingen.

Conclusie

IO-Link biedt de connectiviteit die nodig is om de gegevens te verzamelen die nodig zijn om de prestaties van Industry 4.0-fabrieken te optimaliseren door legacy en andere randapparaten te verbinden met het hoofdnetwerk Ethernet IP, Modbus TCP/IP of PROFINET. Het ondersteunt hoge niveaus van gegevensbeschikbaarheid, uitgebreide diagnostiek, configuratie op afstand en vereenvoudigde apparaatvervanging, waardoor proces- en lijnveranderingen worden versneld met behulp van connectiviteit die is gestandaardiseerd in IEC 61131-9 met eenvoudige niet-afgeschermde standaardkabels met 3 of 5 aders zoals gedefinieerd in IEC 60974-5-2.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Hoe ontwerpt u een modulair overlaynetwerk voor optimalisatie van gegevensverwerking in het IIoT voor Industry 4.0?
2. Hoe de signaalintegriteit van Gigabit Ethernet waarborgen bij industriële automatiseringsimplementaties over lange afstanden