Hoe Smart Factory Actuators productiever te maken met behulp van IO-Link

De verschuiving naar Industry 4.0, of het Industrial Internet of Things (IIoT), gaat door om meer efficiëntie, veiligheid, productiviteit en lagere algemene kosten te bereiken. Een cruciaal element van deze inspanning is de connectiviteit van de apparaten. Dit kan een uitdaging zijn omdat een geschikte communicatiestandaard moet worden gekozen en de bijbehorende interfaces en software moeten worden ontworpen, wat de invoering van smart-fabrieken kan vertragen.

Ontwerpers van systemen voor industriële automatisering hebben behoefte aan een standaard, betrouwbare, efficiënte en meer modulaire aanpak om snelle en kosteneffectieve implementaties mogelijk te maken.

Om dit probleem aan te pakken kunnen zij zich wenden tot IO-Link, een beproefde interface voor gebruik in slimme fabrieken. IO-Link is een bidirectionele, point-to-point, single-drop digitale communicatie-interface (SDCI) die wordt geregeld door verscheidene normen, waaronder IEC 61131-2, IEC 61131-9 (SDCI), en IO-Link 1.1.3.

In dit artikel wordt kort ingegaan op de verschuiving naar slimme fabrieken en de uitdagingen die dit met zich meebrengt voor ontwerpers. Vervolgens wordt een overzicht gegeven van de werking van IO-Link en hoe het de implementatie in smart-fabrieken vereenvoudigt. Het presenteert voorbeelden van IO-Link-apparaten van Analog Devices, waaronder een slave-apparaat dat kan worden gebruikt om pneumatische actuatoren te vervangen en betere prestaties te leveren, een slave-apparaat met een geïntegreerde DC/DC-omzetter en een master-apparaat. Inbegrepen zijn referentieontwerpen om snel industriële actuatoren met IO-Link te realiseren.

De verschuiving naar slimme fabrieken vereenvoudigen

De verschuiving naar slimme fabrieken vergroot de behoefte aan een eenvoudige manier om intelligentie aan de rand toe te voegen voor het in bedrijf stellen, bewaken en herconfigureren van sensoren en actuatoren. De eenvoudige installatie en bidirectionele communicatiemogelijkheden van IO-Link ondersteunen de toepassing van edge intelligence. In één geval werd IO-Link gecrediteerd voor een vermindering van 90 procent van de instel- en inbedrijfstellingstijden.

In de praktijk kunnen parameterinstellingen via IO-Link worden gedownload om apparaten in te stellen of opnieuw te configureren. Hierdoor is er geen tussenkomst van een technicus nodig en wordt de uitvaltijd beperkt. De slimme diagnostiek, foutdetectie en gegevensregistratie van IO-Link kunnen worden gebruikt om real-time operationele informatie over de hele fabrieksvloer te verzamelen, waardoor de uitvaltijd verder wordt beperkt.

De architectuur van een IO-Link-systeem bestaat uit point-to-point verbindingen tussen de IO-Link-master en verschillende IO-Link-apparaten. Het gebruik van standaard M8- of M12-connectoren en een 20 meter lange 3- of 4-draadskabel vereenvoudigt de installatie van het systeem. IO-Link-masterapparaten hebben gewoonlijk 4 of 8 poorten, die elk verbonden zijn met een IO-Link-apparaat. Elke poort kan werken in standaard input/output (SIO) modus of in bidirectionele communicatie modus. Aangezien het een point-to-point architectuur is, is IO-Link geen veldbus, maar het is compatibel met veldbussen en industrieel Ethernet en kan worden aangesloten op programmeerbare logische controllers (PLC's) en mens-machine-interfaces (HMI's) (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: IO-Link is compatibel met veldbussen en IEEE industriële Ethernet-netwerken. (Afbeelding: IO-Link Community)

IO-Link werkt niet alleen in SDCI-modus, maar biedt ook achterwaartse compatibiliteit met de IEC 60974-5-2 norm voor binaire sensoren. Basis point-to-point communicatie maakt gebruik van een 3-draads interface (L+, C/Q, en L-). In IO-Link-modus is de communicatie tussen master en slave apparaten bidirectioneel met drie mogelijke transmissiesnelheden; COM1 is 4,8 kilobits per seconde (kbps), COM2 is 38,4 kbps, en COM3 is 230,4 kbps (Afbeelding 2). Een IO-Link-master moet alle drie datasnelheden ondersteunen, zodat hij kan communiceren met elk aangesloten slave-apparaat. Slave-apparaten ondersteunen slechts één datasnelheid. De communicatie geschiedt met pulsen van 24 volt waarbij gebruik wordt gemaakt van NRZ-codering (nonreturn-to-zero) op de C/Q-lijn. In IO-Link modus kan pin 2 in digitale ingang (DI) modus, digitale uitgang (DO) modus, of niet aangesloten zijn. Het IO-Link-apparaat (sensor of actuator) moet binnen 300 milliseconden (ms) functioneren nadat L+ een drempelwaarde van 18 volt heeft overschreden.

Afbeelding 2: IO-Link-communicatie is bidirectioneel en kan 4,8, 38,4 en 230,4 kbps ondersteunen. (Bron afbeelding: )

IO-Link-apparaatbeschrijving

Alle IO-Link-sensors en actuatoren hebben een IO-Link device description (IODD) bestand (Afbeelding 3). De IODD is een xml-bestand dat de IO-Link-master voorziet van de gegevens die hij nodig heeft om het apparaat te identificeren en te configureren en zijn gegevens te interpreteren.

• De inhoud van de IODD omvat
  • Eigenschappen die nodig zijn om de communicatie te ondersteunen
  • Apparaatparameters
  • Identificatiegegevens
  • Proces- en diagnose-informatie
  • Een afbeelding van het apparaat en het logo van de fabrikant
• De structuur van de IODD wordt afzonderlijk van IEC 61131-9 beschreven.
• Een gecentraliseerde database voor IODD-bestanden wordt onderhouden door het IO-Link Consortium.

Afbeelding 3: De IODD is een xml-bestand dat de informatie bevat die de IO-Link-master nodig heeft om elk slave-apparaat te identificeren, te configureren en ermee te communiceren. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Datalink en datatypes

De uitwisseling van berichten tussen de IO-Link-master en de apparaten wordt beheerd door de datalinklaag (DL). Berichten zijn frames die tussen 1 en 66 universele asynchrone ontvanger-zender (UART) woorden lang zijn en worden "M-sequenties" genoemd. Berichten kunnen betrekking hebben op gegevens op verzoek, verzoeken en opdrachten van het systeembeheer en gewone procesgegevens. De master bevat een DL handler die fouten en foutmeldingen afhandelt en bedrijfsmodi beheert, zoals wakker worden, SIO en COM rates. Wanneer de master een verzoek stuurt, moeten de apparaten reageren.

IO-Link-communicatie kan synchroon of asynchroon verlopen. IO-Link-masters en -apparaten bevatten procesdatahandlers voor synchrone communicatie, en een on-request handler voor asynchrone communicatie van event-, controle-, parameter- en index service data unit (ISDU) gegevens. Asynchrone gegevens zijn op verzoek en kunnen het volgende bevatten:

• Configuratie- of onderhoudsinformatie en -controle.
• Gebeurtenisgestuurd, met drie urgentieniveaus:
  • Fouten
  • Waarschuwingen
  • Kennisgevingen
• Paginagegevens om rechtstreeks apparaatparameters te lezen
• Dienstgegevens voor grote gegevensstructuren

De integratie van IO-Link in masters en apparaten kan complex zijn. De normen moeten volledig worden toegepast om de interoperabiliteit van de apparaten en een betrouwbare werking van het systeem te garanderen. Om snel efficiënte en betrouwbare IO-Link-communicatie in smart-factory actuators te integreren, kunnen ontwerpers gebruik maken van vooraf ontworpen oplossingen voor masters en apparaten. IO-Link-device controller-IC's hebben ultra-laagvermogen drivers met actieve reverse-polarity bescherming en zijn beschikbaar met en zonder geïntegreerde DC/DC-convertor. Ze hebben ook een seriële perifere interface (SPI) die uitgebreide diagnostiek ondersteunt. IO-Link-master-zendontvanger-IC's met twee kanalen ondersteunen een laag stroomverbruik en vereenvoudigen de keuze van een microcontroller (MCU) door frame handlers met UART en first-in, first-out (FIFO) mogelijkheden.

Pneumatische aandrijvingen vervangen door IO-Link

IO-Link biedt een eenvoudige manier om traditionele benaderingen van procesbesturing te doorbreken en fabrieksactiviteiten te verbeteren door pneumatische actuators te vervangen door servoaandrijvingen en geavanceerde digitale besturingen. Ontwerpers kunnen bijvoorbeeld het MAXREFDES37# IO-Link servo drive referentieontwerp gebruiken om de time-to-market te versnellen (Afbeelding 4). Dit referentieontwerp levert 5-volt vermogen en bevat vier PWM-uitgangen (pulsbreedtemodulatie), plus vier digitale ingangen om maximaal vier servomotoren aan te sturen.

Het bord bevat een M12-4-connector voor aansluiting op een IO-Link-master. De 3-pins headers ondersteunen een snelle aansluiting op standaard 5 volt servomotoren, waarvan er één bij het basisreferentieontwerp is inbegrepen. De verbinding met de digitale ingangen van 5 volt, de voedingsaarde en de vier PWM-kanalen wordt gemaakt met behulp van insteekklemmen. De IO-Link device stack van Technologie Management Gruppe Technologie und Engineering (TMG TE) is inbegrepen. De MAXREFDES37# kan worden gebruikt in combinatie met de MAXREFDES277 tweekanaals IO-Link-master in een Pmod-vormfactor die een grafisch gebruikersinterface (GUI)-programma bevat voor eenvoudige verificatie met behulp van een Windows-PC.

Afbeelding 4: De MAXREFDES37# heeft een M12-connector (links) voor aansluiting op een IO-Link-master, en wordt geleverd met een servomotor (rechts). (Bron afbeelding: Analog Devices)

De MAXREFDES37# bevat de MAX14821ETG+T IO-Link-zendontvanger-IC en de MAX17504ATP+T buckregelaar DC/DC IC. De MAX14821ETG+T-zendontvanger kan worden gebruikt met IO-Link-apparaten en 24-volt binaire sensors of actuators. Alle gespecificeerde IO-Link-datasnelheden worden ondersteund, en de C/Q- en DO-drivers kunnen tot 100 milliampère (mA) leveren of wegnemen. De transceiver voert het DL-laag protocol uit voor de interface met een microcontroller unit (MCU). Twee interne lineaire regelaars leveren 5- en 3,3 volt gelijkstroom (VDC) voor de voeding van sensoren en actuatoren, en digitale ingangen en uitgangen van 24 volt zijn ook inbegrepen. Geïntegreerde DO- en C/Q-drivers kunnen onafhankelijk worden geconfigureerd voor push-pull, low-side (NPN), of high-side (PNP) werking. De zendontvanger kan worden geconfigureerd en gecontroleerd via een SPI.

De ingebouwde MAX17504 synchroon gelijkgerichte step-down DC/DC-convertor werkt in een ingangsbereik van 4,5 tot 60 VDC. Hij heeft een uitgangsspanningsbereik van 0,9 volt tot 90% van de ingangsspanning en levert tot 3,5 ampère (A). De regelnauwkeurigheid is ±1,1% van -40 tot +125 graden Celsius (°C). Hij heeft een piekrendement >90% en een uitschakelstroom van 2,8 microamperes (μA).

Zendontvanger voor master of apparaten met geïntegreerde DC/DC

Voor ontwerpers van IO-Link-masters en -apparaten is er de MAX22514. Een hoge mate van integratie - met inbegrip van een DC/DC-buckregelaar, twee lineaire regulatoren en geïntegreerde overspanningsbeveiliging - evenals een lage vermogensdissipatie en een keuze uit een wafer level package (WLP) (2,5 millimeter (mm) x 2,6 mm) of een thin quad flat pack (TQFN) pakket (4 mm x 5 mm), maakt deze zendontvanger zeer geschikt voor ruimtegebrek bij industriële IO-Link-toepassingen (Afbeelding 5).

Bijvoorbeeld, onderdeelnummer MAX22514AWA+ zit in een WLP. De SPI ondersteunt configureerbaarheid en diagnostiek, en ondersteunt tevens COM1-, COM2- en COM3-datasnelheden.

Afbeelding 5: De MAX22514-zendontvanger is sterk geïntegreerd en geschikt voor gebruik in IO-Link-masters en -apparaten. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Om de ontwikkelingstijd te verkorten, kunnen ontwerpers referentieontwerpen zoals de MAXREFDES278# gebruiken. Dit is een 8-kanaals solenoïde actuator referentieontwerp gebaseerd op de MAX22514 IO-Link transceiver die de MAX22200 demonstreert, een 1 A octaal geïntegreerde serieel gestuurde solenoïde driver met geïntegreerde veldeffecttransistoren (FET's). Het referentieontwerp bevat een geïntegreerde DC/DC-buckregelaar. Er wordt Windows-compatibele software meegeleverd met een grafische gebruikersinterface (GUI) voor het verkennen van de functies van de MAX22514. Een USB-A naar micro-B kabel wordt gebruikt om het evalbord met een PC te verbinden.

Tweekanaals master

Wanneer een tweekanaals IO-Link-master nodig is, kunnen ontwerpers zich wenden tot de MAX14819ATM+-zendontvanger, die twee extra digitale ingangskanalen bevat. Een geïntegreerde IO-Link-framer maakt externe UART's overbodig, en de geïntegreerde cyclustimer ontlast de MCU van timing-kritische taken. Deze zendontvanger kan worden gebruikt in combinatie met de digitale isolators MAX14931FAWE+ en MAX12930EASA+T. De MAX14931FAWE+ heeft vier kanalen voor het verzenden van digitale signalen in één richting. De MAX12930EASA+T heeft twee kanalen voor gegevensoverdracht. De MAX14819EVKIT#-evaluatiekit is beschikbaar voor de MAX14819A en omvat de MAX14931 en MAX12930 digitale isolators (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De MAX14819EVKIT# dual-channel IO-Link-master-evaluatiekit omvat de MAX14819-zendontvanger en de MAX12930 en MAX14931 digitale isolators. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Conclusie

Om de voordelen van het IIoT en Industrie 4.0 te benutten, moeten sensors en transducers snel en kosteneffectief worden ingezet. Daarom biedt IO-Link de ontwerpers van industriële automatiseringssystemen een standaard, betrouwbare, efficiënte en modulaire aanpak. Zoals getoond kunnen ontwerpers met behulp van kant-en-klare componenten IO-Link gebruiken om intelligentie aan de rand toe te voegen voor inbedrijfstelling, bewaking en herconfiguratie van sensoren en actuatoren.

Aanbevolen lectuur

1. Hoe ontwerp je een modulair overlay-netwerk voor optimalisatie van de gegevensverwerking in het IIoT?