Intelligens gyárakban működő aktuátorok termelékenységének növelése az IO-Link használatával

A nagyobb hatékonyság, biztonság, termelékenység és alacsonyabb összköltség elérése érdekében folytatódik az Ipar 4.0, vagyis az ipari dolgok internete (IIoT) felé való elmozdulás. Ezen erőfeszítések kritikus elemét képezi az eszközök hálózathoz való kapcsolódási képessége. Ez kihívásokkal járhat, mivel megfelelő kommunikációs szabványt kell kiválasztani, valamint meg kell tervezni a kapcsolódó interfészeket és szoftvereket, ami mind-mind lassíthatja az intelligens gyárak telepítését.

Az ipari automatizálási rendszerek tervezőinek szabványos, megbízható, hatékony és modulárisabb megközelítésre van szükségük a gyors és költséghatékony telepítések megkönnyítése érdekében.

Ezen probléma megoldásához az intelligens gyárakban már jól bevált interfészhez, az IO-Linkhez fordulhatnak. Az IO-Link egy kétirányú, pont-pont típusú, egyetlen eszköz csatlakoztatására alkalmas (Single Drop) digitális kommunikációs interfész (SDCI), amelyet több szabvány is szabályoz, köztük az IEC 61131-2, az IEC 61131-9 (SDCI) és az IO-Link 1.1.3.

Ez a cikk az intelligens gyárakra való áttérést tárgyalja röviden, valamint azokat a kihívásokat, amelyekkel ez a tervezők számára jár. Ezután áttekinti az IO-Link működését és azt, hogy ez a szabvány hogyan egyszerűsíti az intelligens gyárak telepítését. Bemutat példaként néhány IO-Link eszközt az Analog Devices-től, köztük egy olyan szolga eszközt, amely a jobb működésének köszönhetően pneumatikus működtetők kiváltására használható, egy integrált DC/DC átalakítóval ellátott szolga eszközt és egy mester eszközt. Referenciaterveket is megemlít, melyek segítségével az IO-Link alapú ipari működtetőelemek építhetők meg gyorsan.

Az intelligens gyárakra való átállás egyszerűsítése

Az intelligens gyárakra való áttéréssel nagyobb lett annak igénye, hogy a peremhálózati rendszerekbe egyszerűen lehessen intelligens eszközöket telepíteni, érzékelők és működtető elemek üzembe helyezéséhez, felügyeletéhez és újrakonfigurálásához. Az IO-Link egyszerű telepíthetősége és kétirányú kommunikációs képessége lehetővé teszi intelligens peremhálózati eszközök telepítését. Volt egy olyan eset, amikor a tervezők, az IO-Linknek köszönhetően a beállítási és üzembe helyezési idő terén 90 százalékos csökkenést értek el.

A gyakorlati működés olyan, hogy az eszközök beállításához vagy újrakonfigurálásához szükséges beállítási paraméterek az IO-Linken keresztül letölthetők. Ez kiküszöböli annak szükségességét, hogy technikusok általi beavatkozásra legyen szükség, és csökkenti az állásidőt. Az IO-Link intelligens diagnosztikai, hibaérzékelési és adatnaplózási képességének köszönhetően valós idejű működési információk gyűjthetők a gyár egész területén, ami tovább csökkenti az állásidőt.

Egy IO-Link rendszer az IO-Link mester és a különböző IO-Link eszközök közötti pont-pont kapcsolatokból épül fel. A szabványos M8-as vagy M12-es csatlakozóknak és egy 20 méteres, 3 vagy 4 eres kábelnek köszönhetően a rendszerek egyszerűen telepíthetők. Az IO-Link mesterek általában 4 vagy 8 porttal rendelkeznek, amelyek mindegyike egy-egy IO-Link eszközhöz csatlakozik. Mindegyik port működhet szabványos be- és kimeneti (SIO) vagy kétirányú kommunikációs üzemmódban. Mivel pont-pont architektúráról van szó, az IO-Link nem terepi busz, de kompatibilis a terepi buszokkal és az ipari Ethernettel, és képes csatlakozni a programozható logikai vezérlőkhöz (PLC-k) és az ember-gép interfészekhez (HMI-k) (1. ábra).

1. ábra: Az IO-Link kompatibilis a terepi buszokkal és az IEEE ipari Ethernet hálózatokkal (kép: IO-Link Community)

Az SDCI üzemmódban való működés mellett a bináris érzékelők támogatásához az IO-Link visszafelé kompatibilis az IEC 60974-5-2 szabvánnyal. Az alapvető pont-pont kommunikáció 3 vezetékes (L+, C/Q és L-) interfésszel van megvalósítva. IO-Link üzemmódban a kommunikáció a mester és a szolga eszközök között kétirányú, három lehetséges átviteli sebességgel: COM1 4,8 kbps, COM2 38,4 kbps és COM3 230,4 kbps (2. ábra). Az IO-Link mesternek mindhárom adatátviteli sebességet támogatnia kell, hogy tetszőlegesen kommunikálni tudjon mindegyik csatlakoztatott szolga eszközzel, míg a szolga eszközök csak egy adatátviteli sebességet támogatnak. A kommunikáció 24 voltos impulzusokkal történik a C/Q vonalon, NRZ (nonreturn-to-zero) kódolással. IO-Link üzemmódban a 2-es láb lehet digitális bemeneti (DI), digitális kimeneti (DO) vagy nem csatlakoztatott üzemmódban. Az IO-Link eszköznek (érzékelőnek vagy működtetőnek) 300 milliszekundumon belül működésbe kell lépnie, miután az L+ vonalon a feszültség értéke meghaladta a 18 voltos küszöbértéket.

2. ábra: Az IO-Link kommunikáció kétirányú, és a 4,8 kbps, 38,4 kbps és 230,4 kbps sebességeket támogatja (kép: )

IO-Link eszközök leírása

Az IO-Link érzékelők és működtetők mindegyike rendelkezik egy IO-Link eszközleíró (IODD) fájllal (3. ábra). Az IODD egy xml fájl, és ebből olvassa ki az IO-Link mester az eszköz azonosításához és konfigurálásához, valamint adatainak értelmezéséhez szükséges adatokat.

• Az IODD a következőket tartalmazza
  • A kommunikáció támogatásához szükséges tulajdonságokat
  • Az eszköz paramétereit
  • Azonosítási információkat
  • Folyamat- és diagnosztikai információkat
  • A készülék képét és a gyártó logóját
• Az IODD fájlok struktúrájának ismertetését nem az IEC 61131-9 tatalmazza, hanem ez egy külön dokumentumban található
• Létezik egy IODD fájlokból álló központi adatbázis, amelyet az IO-Link konzorcium tart fenn

3. ábra: Az IODD egy xml fájl, amely tartalmazza az IO-Link mester által az egyes szolga eszközök azonosításához, konfigurálásához és a velük való kommunikációhoz szükséges információkat (kép: Analog Devices)

Adatkapcsolat és adattípusok

Az IO-Link mester és az eszközök közötti üzenetváltás az adatkapcsolati (DL) rétegen keresztül valósul meg. Az üzenetek 1 és 66 közötti univerzális aszinkron adóvevő (UART) szó hosszúságú keretek, amelyeket „M szekvenciáknak” neveznek. Az üzenetek vonatkozhatnak lekérdezett adatokra, rendszerirányítási kérésekre és parancsokra, valamint egyszerű folyamatadatokra. A mester tartalmaz egy adatréteg-kezelőt (DL-handler), amely feldolgozza a hibákat és a hibaüzeneteket, és ez állítja be a működési üzemmódokat is, mint például az ébresztést, a SIO-t és COM sebességeket. Amikor a mester kérést küld, az eszközöknek válaszolniuk kell.

Az IO-Link kommunikáció lehet szinkron vagy aszinkron. Az IO-Link mesterek és eszközök folyamatadat-kezelőket tartalmaznak a szinkron kommunikációhoz, valamint egy lekérdezés-kezelőt az esemény-, vezérlő-, paraméter-adatok és az indexszolgáltatási adategység (ISDU) adatainak aszinkron kommunikációjához. Az aszinkron adatok kérésre érkeznek, és a következőket tartalmazhatják:

• Konfigurációs vagy karbantartási információk és ellenőrzés
• Eseményvezéreltek, három sürgősségi szinttel:
  • Hibák
  • Figyelmeztetések
  • Értesítések
• Oldaladatok az eszközparaméterek közvetlen kiolvasásához
• Szolgáltatási adatok nagy adatstruktúrákhoz

Az IO-Link mesterekbe és eszközökbe történő integrálása összetett lehet. A szabványokhoz teljes mértékben igazodni kell az eszközök átjárhatóságának és a rendszer megbízható működésének biztosításához. Az intelligens gyárak aktuátorai esetén a hatékony és megbízható IO-Link-kapcsolat gyors megvalósításához a tervezők a mesterek és az eszközök számára készült előre elkészített megoldásokat használhatnak. Az IO-Link eszközöket vezérlő IC-k ultraalacsony fogyasztású vezérlőkkel rendelkeznek, aktív fordított polaritás elleni védelemmel, és integrált DC/DC átalakítóval vagy anélkül is kaphatók. Soros perifériás interfésszel (SPI) is rendelkeznek, amelynek köszönhetően kiterjedt diagnosztikai lehetőségek is rendelkezésre állnak. A kétcsatornás IO-Link mester adó-vevő IC-k támogatják az alacsony fogyasztású működést, és mivel UART és FIFO (first-in, first-out) képességekkel rendelkező keretkezelőket tartalmaznak, ezért egyszerűen választható hozzájuk egy megfelelő mikrovezérlő (MCU).

Pneumatikus működtetőelemek kiváltása IO-Linkkel

Az IO-Link lehetővé teszi a tervezők számára, hogy a gyári műveletek feljavításakor egyszerűen szakítani tudjanak a hagyományos gyári folyamatirányítási megközelítésekkel, mivel ez a szabvány a pneumatikus működtetőket képes szervohajtásokkal és kifinomult digitális vezérlőkkel helyettesíteni. A tervezők például felhasználhatják a MAXREFDES37# IO-Link szervohajtás referenciatervét a piacra kerülési idő felgyorsítására (4. ábra). Ez a referencia kialakítás 5 voltos tápellátást biztosít, továbbá négy impulzusszélesség-modulált (PWM) kimenettel és négy digitális bemenettel rendelkezik akár négy szervomotor vezérléséhez.

A kártya tartalmaz egy M12-4 típusú csatlakozót az IO-Link mesterhez való csatlakozáshoz. A 3 tűs foglalatok kompatibilisek a szabványos 5 voltos szervomotorok gyorscsatlakozóival, és a referenciaterv egy szervomotort tartalmaz alap kiszerelésben. Az 5 voltos digitális bemenetekhez, a hálózati földeléshez és a négy PWM-csatornához való csatlakoztatás bedugható vezetékes kialakítású sorkapcsok segítségével történik. Tartalmazza a Technologie Management Gruppe Technologie und Engineering (TMG TE) IO-Link eszköz stackjét is. A MAXREFDES37# kombinálható a kétcsatornás Pmod méretformátumú MAXREFDES277 IO-Link mesterrel, amely tartalmaz egy grafikus felhasználói felületkezelő (GUI) programot, mely segítségével az eszköz működése egy Windows alapú PC-vel egyszerűen ellenőrizhető.

4. ábra: A MAXREFDES37# rendelkezik egy M12-es csatlakozóval (balra) az IO-Link mesterhez való csatlakozáshoz, és jár vele egy szervomotor (jobbra) is (kép: Analog Devices)

A MAXREFDES37# a MAX14821ETG+T IO-Link adó-vevő IC-t és a MAX17504ATP+T egyenáramú feszültséggcsökkentő szabályozó IC-t tartalmazza. A MAX14821ETG+T adó-vevő IO-Link eszközökkel és 24 voltos bináris érzékelőkkel vagy működtetőkkel együtt használható. Az IO-Link minden adatátviteli sebessége támogatott, és a C/Q és DO vezérlők akár 100 mA áramot is képesek szolgáltatni vagy felvenni. Az adó-vevő a mikrovezérlő egységhez (MCU) való kapcsolódáshoz az adatkapcsolati (DL) réteg protokollját futtatja. Két belső lineáris szabályozó biztosítja az 5 és 3,3 voltos egyenáramot (VDC) az érzékelők és működtetőelemek táplálásához, valamint 24 voltos digitális bemenetek és kimenetek is vannak. Az integrált DO és C/Q vezérlők egymástól függetlenül push-pull, alsó oldali (NPN) vagy magas oldali (PNP) működésre konfigurálhatók. Az adó-vevő SPI interfészen keresztül konfigurálható és felügyelhető.

A beépített MAX17504 szinkron egyenirányított feszütségcsökkentő DC/DC átalakító 4,5 és 60 VDC közötti bemeneti tartományban működik. Kimeneti feszültségtartománya 0,9 volt és a bemeneti feszültség 90%-a között van, és akár 3,5 A áramot is tud szolgáltatni. A szabályozási pontosság ±1,1%, -40 és +125 °C közötti környezeti hőmérséklet mellett. A csúcshatásfok >90%, a kikapcsolási áram értéke pedig 2,8 μA.

Mesterhez vagy integrált DC/DC-vel rendelkező eszközökhöz való adó-vevő

Az IO-Link mesterek és eszközök tervezői számára rendelkezésre áll a MAX22514. A nagyfokú integráltság – beleértve egy DC/DC feszültségcsökkentő szabályzót, két lineáris szabályozót és integrált túlfeszültség-védelmet –, valamint az alacsony energiaveszteség és a WLP (2,5 mm x 2,6 mm) vagy TQFN (4 mm x 5 mm) tokozások közötti választási lehetőség teszi ezt az adó-vevőt alkalmassá a helyszűkös ipari IO-Link alkalmazási esetekben való használatra (5. ábra).

A MAX22514AWA+ cikkszámú IC például WLP tokozásban található. A rajta lévő SPI interfésznek köszönhetően konfigurálható és diagnosztikai képességeket támogat a COM1, COM2 és COM3 adatátviteli sebességekkel együtt.

5. ábra: Az MAX22514 adó-vevő nagyfokúan integrált, és IO-Link mesterekben és eszközökben való használatra alkalmas (kép: Analog Devices)

A fejlesztési idő csökkentéséhez a tervezők referenciaterveket is használhatnak, mint amilyen például a MAXREFDES278#. Ez egy MAX22514 IO-Link adó-vevőt tartalmazó, 8 csatornás mágnestekercs-aktuátorokhoz való referencia kialakítás, amely a MAX22200-t, egy 1 A-es, nyolccsatornás integrált soros vezérlésű és integrált térvezérlésű tranzisztorokkal (FET-ekkel) ellátott mágnestekercs-vezérlőt mutatja be. A referenciaterv integrált DC/DC feszültségcsökkentő szabályzót tartalmaz. A MAX22514 funkcióinak felfedezéséhez a Windows-kompatibilis szoftver grafikus felhasználói felületet (GUI) biztosít. A fejlesztői kártya egy USB-A és egy micro-B kábel segítségével csatlakoztatható a számítógéphez.

Kétcsatornás mester

Ha kétcsatornás IO-Link mesterre van szükség, a tervezők a MAX14819ATM+ adó-vevőhöz fordulhatnak, amely két kiegészítő digitális bemeneti csatornát tartalmaz. Az integrált IO-Link keretkezelőnek köszönhetően nincs szükség külső UART-okra, az integrált ciklusidőzítő pedig mentesíti az MCU-t az időzítés szempontjából kritikus feladatok végzésétől. Ez az adó-vevő a MAX14931FAWE+ és a MAX12930EASA+T digitális leválasztókkal együtt használható. A MAX14931FAWE+ négy olyan csatornával rendelkezik, melyeken keresztül a digitális jelek egy irányban továbbíthatók. A MAX12930EASA+T két csatornával rendelkezik adatátvitelhez. A MAX14819A-hoz rendelkezésre áll a MAX14931 és MAX12930 digitális leválasztókat is tartalmazó MAX14819EVKIT# kiértékelő készlet (6. ábra).

6. ábra: A MAX14819EVKIT# kétcsatornás IO-Link mester kiértékelő készlet tartalmazza a MAX14819 adó-vevőt és a MAX12930 és MAX14931 digitális leválasztókat (kép: Analog Devices)

Összegzés

Az IIoT és az Ipar 4.0 előnyeinek kiaknázásához az érzékelők és jelátalakítók gyors és költséghatékony telepítésére van szükség. Ennek megvalósítása érdekében az ipari automatizálási rendszerek tervezői számára az IO-Link egy olyan megoldás, amely szabványos, megbízható, hatékony és moduláris megközelítést kínál. Amint azt bemutattuk, a tervezők készen kapható komponensek használatával az IO-Link segítségével intelligens képességekkel ruházhatják fel a peremhálózati rendszereket, érzékelők és működtetők üzembe helyezése, felügyelete és újrakonfigurálása céljából.

Ajánlott olvasnivaló

1. Modulrendszerű átfedő hálózatok tervezése az ipari dolgok internetén végzett Ipar 4.0-ás adatfeldolgozás optimalizálására