Az IO-Link használata ipari alkalmazásokban

A negyedik ipari forradalom és az Ipar 4.0 megérkezésével az átfogó és intelligens automatizálást immár a fejlett vezérlés, a felügyelet és a diagnosztika határozza meg. Ezek a képességek csak az ipari összekapcsolhatóság révén valósíthatók meg – így a vezérlőegységek és a gépi eszközök a folyamatos adatcsere érdekében egyesítve vannak valamilyen platformon (amilyen például IO-Link).

1. ábra: Az IO-Link kiegészíti a meglévő hálózati protokollokat azáltal, hogy az IO-Link-főeszköz (angolul IO-Link master, illetve jelen cikk ábráin IO-Link primary) segítségével könnyen beépíthető a fieldbus- és az Ethernet-hálózatokba. Az IO-Link-főeszköz és az IO-Link-eszközök közötti kapcsolat árnyékolatlan három- vagy ötvezetékes kábelekkel van megvalósítva. Ezek a kábelek az IO-Link eszközök áramellátására is alkalmasak. Itt az elsődleges áramellátás 24 V egyenfeszültségű (kép: Pepperl+Fuchs)

Az ipari csatlakoztathatóság alapjául szolgáló kulcsfontosságú alaptechnikák a szabványosított hálózatok és a belső kommunikációs funkciókkal rendelkező eszközök. Ezekhez a funkciókhoz rengeteg protokoll létezik. Nem minden ipari protokoll felel azonban meg a korszerű automatizálás által megkövetelt adatcsere- és adatgyűjtési követelményeknek. Az IO-Link protokollt úgy alkották meg, hogy ezeknek a modern alkalmazásoknak széles körét kielégítse.

Amint egy korábbi cikkben már szó volt róla a digikey.com felületén, az IO-Link egy két pont közötti vezetékes kommunikációs protokoll, amely megkönnyíti az eszközök közötti kétirányú intelligens adatkommunikációt. Az IO-Link-főeszközöknek (helyi vezérlőegységeknek) általában több IO-Link-portja (csatornája) van, amelyekhez a különböző IO-Link-eszközök egymástól függetlenül csatlakoznak. Ezek a csomópontok közötti végpontkapcsolatok teszik az IO-Linket két pont közötti kommunikációs protokollá.

A 2009-ben egy 41 tagból álló, mára több száz tagot számláló konzorcium által indított IO-Link projekt napjainkra széles körben elfogadott kommunikációs protokollá vált, amellyel az alábbiak tevékenységekhez létfontosságú adatokat lehet hasznosítani:

• Műveletek optimalizálása
• Az állásidő csökkentése és a karbantartás észszerűsítése
• A nyersanyagköltségek csökkentése és stratégiai működési döntések meghozatala

A harmonizált IO-Link illesztőfelületet az IEC 61131-9 szabvány határozza meg, és a Siemens, az Omron Corp., az ifm Efector, a Balluff, a Cinch Connectivity, a Banner Engineering, a Rockwell Automation, a SICK, a Pepperl+Fuchs és több tucat más alkatrész- és rendszergyártó támogatja. Nem csoda, hogy az IO-Link-csatlakoztathatóságot széles körben használják az összeszerelési automatizálással, szerszámgépekkel és cégen belüli belső logisztikával kapcsolatos területeken. Három fő felhasználási területe ezekben és más ipari környezetekben az állapotjelzés, a gépvezérlés és az eszközök intelligensé tétele.

Az IO-Link-vezérlőegység üzemmódjai a felhasználási módokhoz igazodnak

2. ábra: A csatlakozókábelhez használt csatlakozó típusa a port típusától függ. Az A osztályú IO-Link-főeszköz portjaihoz legfeljebb négyérintkezős M8 vagy M12 csatlakozókat (mint az ifm Efector itt látható AL1120 eszközének csatlakozói) lehet csatlakoztatni, míg B osztályú ellenpárjaik ötérintkezős M12 csatlakozóval felszerelt eszközökkel való kapcsolatot tesznek lehetővé (a kétirányú adatkommunikáció érdekében). A főeszköz portjához adott pillanatban hozzárendelt üzemmódot részben az az eszköz határozza meg, amelyhez csatlakozik, részben az éppen végzett művelet (kép: ifm Efector)

A digikey.com korábbi cikkei alapján emlékezzen vissza arra, hogy az IO-Link kommunikációs protokoll az IO-Link magas szintű főeszközének (vezérlőegység) minden egyes csatlakozóportját négy kommunikációs üzemmódra teszi alkalmassá. Ezek a teljesen kikapcsolt üzemmód, valamint az IO-Link üzemmód, a digitális bemenet (DI) és a digitális kimenet (DQ) üzemmód. Az üzemmódok nagyjából megfelelnek az IO-Link fent felsorolt három fő felhasználási módjának.

Az IO-Link üzemmód támogatja a kétirányú adatkommunikációt a helyi eszközökkel, és jellemzően a figyelési, tesztelési és diagnosztikai célú adatgyűjtés során használják. A főeszköz portja DI üzemmódban digitális bemeneteket fogad, és akkor működik, ha a port érzékelőkhöz van csatlakoztatva – ebben az összefüggésben az érzékelők bemeneti eszközként működnek. Ezzel szemben a DQ üzemmódban lévő port digitális kimenetként működik, jellemzően akkor, ha a port egy működtetőelemhez (ebben az összefüggésben gyakorlatilag egy kimeneti eszközhöz) van csatlakoztatva, vagy ha a rendszer egyik programozható logikai vezérlőegysége (PLC) úgy van beállítva, hogy közvetlenül küldjön utasításokat egy másik IO-Link-eszköznek.

Bár nem tartozik e cikk tárgykörébe, de érdemes megjegyezni, hogy az IO-Link-főeszköz portjai egyszerűen tudnak váltani az üzemmódok között. Például a főeszköz valamilyen érzékelőhöz csatlakoztatott portja működhet DI üzemmódban, majd amikor az érzékelőtől diagnosztikai és figyelési adatokat kér a főeszköz, átválthat IO-Link kommunikációs üzemmódra.

Az IO-Link első felhasználási területe: hasznosítható állapotüzenetek továbbítása

3. ábra: Az IO-Link megkönnyíti a nagy fejlettségű vezérlő- és automatizálási rendszerek létrehozását. A szerszámgépipar bőségesen használ IO-Link-érzékelőket a munkadarabok megfelelő rögzítésének, valamint a megmunkálószerszámok nyomásának és helyzetének ellenőrzésére (kép: Getty Images)

A gép felügyelete megoldható olyan IO-Link-eszközökkel, amelyek úgy vannak beállítva, hogy jelentsék az állapotot, így tájékoztatva a rendszert a szükséges beállításokról és helyesbítésekről. Gondoljunk csak a szerszámgépiparban történő egyik felhasználási módra: az IO-Link-nyomásérzékelők használatára, amelyek ellenőrzik, hogy a munkadarabokat olyan nyomással szorítják-e be, amely az anyagleválasztási műveletek során megfelel a sérülésmentes, de biztonságos rögzítéshez. Itt az IO-Link-érzékelők alapvetően a gépi feladatok optimalizálását támogatják a kevesebb selejtes munkadarab érdekében.

Az IO-Link-eszközök képesek továbbá a hasznosítható állapotjelzésre, hogy támogassák a rutinszerű karbantartási tevékenységeket az állásidő minimálisra csökkentése érdekében. Például az összeszerelőgépeken lévő IO-Link-helyzetérzékelők folyamatosan jelenthetik a robotkezek helyét, így biztosítva, hogy egyik se legyen hatótávolságon kívül, és megfelelően legyen beállítva.

Az IO-Link-eszközök által szolgáltatott diagnosztikai adatokat elemezve az üzem gépszerelői előre jelezhetik és javíthatják a hibákat és lehetséges meghibásodásokat, még mielőtt azok bekövetkeznének. A szerelők azonosíthatják a gép vagy az üzem gyenge pontjait is, elősegítve ezzel a vállalati szintű működésbeli változtatásokat, a beszerzési döntéseket és a jövőbeni géptervezéseket.

Az IO-Link második felhasználási területe: fejlett vezérlés és automatizálás

4. ábra: A fejlett vezérlésekben használt IO-Link rendszer tartalmaz egy IO-Link-főeszközt (vezérlőegység), mint az itt látható Omron NX-ILM400, valamint különböző IO-Link-kompatibilis érzékelőket, tápegységeket és mechatronikai eszközöket, amelyek ehhez a főeszközhöz csatlakoznak. Az ilyen feladatokra használt IO-Link rendszerekben az IO-Link-főeszköz jellemzően egy PLC vezérlőegységhez vagy más automatizálási rendszerhez van kapcsolva (kép: Omron)

Az IO-Link által támogatott további felhasználási területek a vezérlés és az automatizálás. Ahol egy IO-Link rendszer olyan funkciókat támogat, amelyek emberi beavatkozás nélkül működnek, az IO-Link-főeszköz gyakran egy fő rendszerhez vagy magasabb szintű PLC vezérlőegységhez van kapcsolva, amely feldolgozza a kapott adatokat, majd közvetlenül vagy közvetve a megfelelő koordinált válaszokra utasítja a berendezésben lévő működtetőelemeket. Az ilyen automatizált vezérlőrendszerek megkövetelik, hogy az IO-Link rendszer szabványosított fieldbus vagy Ethernet protokollokon és kábelezésen keresztül kapcsolódjon egy magasabb szintű vezérlőegységhez. Valójában a legtöbb IO-Link-főeszköz el van látva fieldbus- vagy Ethernet-porttal az ilyen csatlakozásokhoz.

Az IO-Link rendszereket használó fejlett vezérlőrendszerekben lévő eszközök háromféleképpen illeszthetők a rendszerbe:

• Közvetlenül csatlakoznak a központi számítógéphez vagy PLC-hez
• IO-Link-főeszközhöz csatlakoznak, és az IO-Link protokollon keresztül kommunikálnak
• IO-Link-kompatibilis kommunikációt használnak, és IO-Link-elosztón keresztül csatlakoznak egy IO-Link-főeszközhöz

Ez utóbbi lényegében illesztőegységként működik, amely a nem IO-Link-eszközöket az IO-Link-főeszközhöz csatlakoztatja.

Az IO-Link rendszerek fieldbus- és Ethernet-kommunikációs kapcsolatának további előnye, hogy nagy távolságokról is a rendszerhez lehet kapcsolódni, ami lehetővé teszi a rendszert kiépítők számára, hogy az IO-Link-főeszközöket egy vezérlőszekrényben, vagy ha az adott felhasználás esetében az a legcélszerűbb, akkor a legtávolabbi gépek közelében helyezzék el.

Gondoljon bele, hogy milyen előnyökkel jár az IO-Link-főeszközök használata a fejlett összeszerelő rendszerekben, ahol digitális és analóg jelek feldolgozására egyaránt képes alacsony szintű vezérlőegységekként szolgálnak. Ilyen esetekben az IO-Link-főeszköz a következőkre alkalmazható:

• Az asztal XY tengelyein elhelyezett IO-Link lineáris kódolók által előállított adatok fogadása
• Az adatok feldolgozása átjáró szerepkörben
• A feldolgozott helyi IO-Link-adatok továbbítása a PLC vagy más rendszervezérlő egység felé

Az IO-Link harmadik felhasználási területe: intelligens eszközök

5. ábra: Az IO-Link-csatlakozó nagyon kicsi, így a legtöbb kisméretű helyi eszközön elfér. A képen egy IO-Link-csatlakozóval ellátott Balluff BUS004Z közelségérzékelő látható (kép: Balluff)

Az IO-Link harmadik felhasználási területe az eszközök intelligenssé tétele. Ezek az IO-Link-kompatibilis eszközök, amelyek különösen az olyan érzékelőket használó rendszerekben gyakoriak, amelyek a hagyományos, nem (vagy csak kismértékben) programozható érzékelőkhöz hasonlítanak, képesek utasításokat fogadni, figyelést végezni és önellenőrző rutinokat végrehajtani, valamint adatokat előállítani. Mivel az IO-Link lehetővé teszi, hogy az eszközök az alapszintű kétállapotú (igen–nem vagy megfelelt – nem felelt meg) adatoknál többet is szolgáltassanak, lehetőség van pontos értékek jelentésére is. Például a folyamatautomatizálási feladatokhoz előnyösek az olyan IO-Link hőmérséklet-érzékelők, amelyek nemcsak azt jelzik, hogy magas vagy alacsony-e a hőmérséklet, hanem folyamatosan tudatják a figyelt zóna vagy térfogat pontos hőmérsékletét.

Az IO-Link másik előnye az intelligens helyi eszközök vonatkozásában az, hogy a fizikai csatlakozói kisméretűek. E tekintetben nem hasonlít a fieldbus és az Ethernet rendszer fizikai csatlakozóihoz, amelyek néha túl nagyok lehetnek ahhoz, hogy elférjenek a helyi mikroeszközökön.

Az intelligens IO-Link-alkatrészek emellett pontosan vezérelhetőek. Például az alapvető ki-be kapcsoló vezérlések helyett egy működtetőelemet lehet arra utasítani, hogy akkor kapcsoljon ki, ha bizonyos feltételek fennállnak.

Az olyan bemeneti eszközök, mint például a RAFI nyomógombos kapcsolói, kihasználhatják az IO-Link funkcióit az intelligenseszköz-funkciók támogatására, beleértve a színkódolt visszajelző fényeket is.

Az IO-Link intelligens eszközöket tartalmazó készülékekben való használatával kapcsolatban van néhány fenntartás. Bár az IO-Link vezeték nélküli formája fejlesztés alatt áll, ez még mindig egy vezetékes kommunikációs protokoll, így továbbra is érvényes rá a vezetékes kommunikáció összes korlátja. Az adatok épségének megőrzése érdekében az IO-Link-főeszközt az IO-Link-eszközökkel összekötő kábel hossza nem haladhatja meg a 20 m-t. Ráadásul az IO-Link protokoll ciklusonként csak 32 bájtnyi adatot képes továbbítani, ami nem elegendő az olyan helyi eszközökhöz, mint például a kamerák, amelyek percenként több MB adatot is előállíthatnak.

Összegzés

Az IO-Link rendszerek sokféleképpen felhasználhatók a meglévő – gyakorlatilag korlátlan számú – vezérlő- és adatgyűjtő rendszerek alapjául szolgáló protokollok kiegészítésére. Az IO-Link rendszerek elfogadását nagyban ösztönözte az egyszerűségük, mivel nem kell hozzájuk más, csak egy IO-Link-főeszköz és a hozzá kapcsolódó IO-Link-eszközök, valamint az ezeket összekötő három- vagy ötvezetékes kábelek. Az IO-Link további előnyei az azonnali használhatóságot biztosító plug-and-play telepítés és a költségtakarékosság.

A számos tagvállalatból álló IO-Link konzorcium erőfeszítései biztosítják a különböző gyártók vezérlőegységi, eszközei és működtetőelemei közötti széles körű kompatibilitást, így a tervezőmérnökök termékek igen széles választékból válogathatnak saját egyedi felhasználási igényeikhez.