IO-Link 1.0 tot IO-Link 1.1

De afgelopen jaren is het gebruik van IO-Link, dat al tientallen jaren op grote schaal wordt toegepast in industriële I/O, dramatisch toegenomen. Zoals uitgelegd in het Digi-Key artikel "Vergelijking van IO-Link 1.0 en 1.1", verleent de Internationale Elektrotechnische Commissie IEC 61131-9 open standaard (branded IO-Link) gebruiksvriendelijke connectiviteit aan automatiseringscomponenten. Het is een single-drop digitale communicatie-interface (SDCI) om kleine sensors en actuators, die veldapparatuur of secundaire apparaten worden genoemd, in een netwerk op te nemen met de IO-Link-controllerhubs of primaries en verder met de rest van de automatiseringsinstallatie. Een van de voordelen van IO-Link is dat het gebruik van generieke onafgeschermde kabel (tot 20 m lang met drie tot vijf geleiderstrengen) voor deze verbindingen mogelijk is.

In dit artikel worden de drie IO-Link functies die nieuw zijn voor versie 1.1 nader toegelicht:

• IO-Link 1.1 maakt de back-up van gegevens mogelijk, zodat het personeel van de fabriek de apparaatparameters kan opslaan en hergebruiken
• IO-Link 1.1 kan databreedten verwerken tot 32 bytes per poort
• IO-Link 1.1 maakt 230,4 kbaud datasnelheden van IO-Link 1.1 primaries mogelijk

Afbeelding 1: IO-Link communicatie maakt R. mogelijk.Een JONES om sensors voor prestaties, onderhoud en het wijzigen van parameters via recepten beter te kunnen controleren. Dat is volgens innovatie-ingenieur manager Nate Smith. In feite is IO-Link hard op weg om een toonaangevende industriële standaard te worden voor communicatie met veldapparatuur (secondaries) in de automatisering. (Bron afbeelding: R.A JONES)

IO-Link 1.1 als Parameter Assignment Server

De besturingsintegratie van IO-Link componenten gebeurt door middel van configuratiesoftware die gebruik maakt van de gestandaardiseerde IO apparaat-beschrijvingsbestanden (IODD) die aan elk IO-Link component zijn gekoppeld. Deze IODD-bestanden (waarin het model van de component, het werkbereik, de gegevens ter ondersteuning van de diagnosefuncties en het symbool voor weergave op HMI's en GUI's worden opgeslagen) zijn .xml-bestanden die door de fabrikant van de component worden geleverd ter ondersteuning van IO-Link V1.0 en V1.1 via hun eigen websites en ioddfinder.io-link.com.

Nieuw in IO-Link 1.1 is de mogelijkheid van sommige IO-Link 1.1-primaries om lokaal IODD-bestanden en aanvullende gegevens op te slaan - om functies van de parametertoewijzingsserver voor andere apparaten in het netwerk te bieden. Voordat deze functie (en in oude IO-Link installaties) werd gebruikt, moesten eindgebruikers die een nieuw of vervangend veldapparaat moesten verwisselen, dat apparaat eerst configureren - meestal door het op de USB-poort van een PC aan te sluiten en de installatie handmatig met behulp van software uit te voeren.

Een ander voordeel van dit aspect van 1.1 is hoe eindgebruikers nu (in veel gevallen) vergelijkbare IO-Link edge apparaten van verschillende fabrikanten kunnen hotswappen - waardoor een bredere selectie van in principe uitwisselbare apparaten toegankelijker wordt. Dat is vooral nuttig voor de noodvervanging van defecte of beschadigde sensoren op hoog-volume productielijnen.

1. Specifieke kenmerken van de Hogere IO-Link 1.1 Communicatiesnelheid

De andere IO-Link-functie die nieuw is voor 1.1 is COM3 - de communicatiemodus met een snelheid ter ondersteuning van meer geavanceerde veldapparatuurfuncties. De datasnelheid van de COM3 SDCI-communicatie is gespecificeerd tot 230,4 kbit/sec (hier ook 230,4 kbaud). Dat betekent dat de nieuwste IO-Link iteratie (1.1.3) met verbeteringen komt om het laatste blijvende bezwaar tegen IO-Link aan te pakken - dat de standaard onvoldoende snelheid heeft voor moderne automatisering.

Meer in het bijzonder kan 1.1.3 cyclustijden ondersteunen voor de cyclisch verzonden procesgegevens zoals beschreven in het vorige Digi-Key-artikel over dit onderwerp; in sommige gevallen zelfs voor sub-msec-cycli. Procesgegevens die worden verzonden voor real-time bandbreedte (in kilobytes per seconde (kB/sec)) zijn afhankelijk van de tijd die de primary nodig heeft om een bericht van het apparaat op te vragen, een communicatie-richtingschakelaar vertraging, de tijd die nodig is voor het veldapparaat om te reageren, en een andere communicatie-richtingschakelaar vertraging.

Het helpt om wat achtergrondinformatie over de fysieke microcontroller schakelingen (in sommige gevallen standalone IC's) te hebben om te begrijpen hoe IO-Link componenten deze communicatie uitvoeren. Binnen de primaire en secundaire veldapparatuur zijn schakelingen die universele asynchrone ontvanger-zenders(UART's) worden genoemd en die gegevens bundelen of in een kader plaatsen voor de overdracht. Deze frames zijn 11 bits lang - waarbij één bit wordt gebruikt om de start te communiceren, acht bits (ook wel een octet genoemd in IO-Link specificaties en officiële literatuur) worden gebruikt om actuele procesgegevens te dragen, en nog twee andere worden gebruikt om de pariteit en de stop te communiceren.

Afbeelding 2: De MAX14827AATG+ van Maxim Integrated is een low-power dual-driver IO-Link zendontvanger voor integratie in IO-Link apparaten. Een drie-draads UART-interface maakt IO-Link-connectiviteit met de microcontroller UART mogelijk, en een gemultiplexeerde UART/SPI maakt het gebruik van één seriële microcontrollerinterface voor gedeelde UART- en SPI-functies mogelijk. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

Volgens tabel 9 van de IO-Link 1.1.3 specificaties van juni 2019 is er een IO-Link COM3-regeling van 4,34 µsec nodig om elk bit te verzenden. Die tijd plus vertragingen tussen pakketten in zowel de primaire als de secundaire (tot respectievelijk 4,34 µsec en driedubbel die) en 4,34 µsec tot 43,0 µsec voor de communicatie-richtingschakelaar vertraging zorgen voor een worst-case sub-msec data-transmissiesnelheid die nog steeds ruimschoots voldoende is voor veeleisende industriële toepassingen.

De wildcard (die een dramatische invloed heeft op de real-time bandbreedte) is het berichtsequentietype dat voor het IO-Link netwerk is gekozen. Verschillende volgordetypes zijn geschikt voor verschillende hoeveelheden acyclische of on-demand gegevensoverdracht. Om de real-time bandbreedte van een IO-Link regeling in te schatten, moeten de berekeningen dus rekening houden met zowel de procesgegevens als de acyclische gegevens die door de systeemmessaging worden toegestaan. Sommige types definiëren vaste proces- en acyclische on-demand octetwaarden, terwijl andere de leverancier of gebruiker in staat stellen om proces-data-octetten in te stellen tussen één en 32, en acyclische data-octetten in te stellen op 1, 2, 8 of 32. Kortom, systemen die minder gegevens hoeven te verplaatsen hebben snellere cyclustijden.

Analyse van alle bovenstaande factoren levert real-time bandbreedte op - gedefinieerd door de (alleen) verzonden procesgegevens (in kbits) gedeeld door de totale berekende cyclustijd in kbit/sec. Bijvoorbeeld, met slechts één acyclische data-octet (voor 1-8) en 32 proces-data-octetten (voor 32-8) is de cyclustijd iets meer dan een paar milliseconden en de bandbreedte groter dan 100 kbit/sec.

Alle nieuwe IO-Link 1.1-primaries ondersteunen COM3 en de automatiseringscomponenten die gebruik maken van deze datasnelheid - en passen zich automatisch aan aan de snelheden die de aangesloten secondaries toevallig gebruiken. In feite is het gebruikelijk om veldapparatuur met verschillende cyclustijden van een primaire te laten lopen om het gebruik van sensoren en actuatoren van verschillende geavanceerde niveaus mogelijk te maken, evenals incrementele ontwerpupgrades. Actuators die gebruik maken van de 230,4 kbaud datasnelheid van COM3 (meestal met de klasse B-poortopstelling die in de volgende sectie van dit artikel wordt behandeld) omvatten zowel vloeistof als elektromechanische componenten - inclusief pneumatische kleppen, lineaire cilinders en spruitstukken - en kleine veldapparaten op basis van stappenmotors. De sensors die het meest gebruikt worden in COM3 zijn zowel positie- en verplaatsingssensors als kleur-, temperatuur- en druksensors, die allemaal het meest gangbaar zijn in de procesbesturing. Selecteer mechanische schakelaars en maak gebruik van deze COM3-communicatiemodus.

Afbeelding 3: Panasonic's intelligente HG-C1000L-serie sensors maken gebruik van de COM3 aansluitingen van IO-link voor de ondersteuning van bewaking op afstand en preventieve onderhoudsroutines. De sensorlogica aan boord kan normaal, fout, voorzichtigheid en alarmtoestanden detecteren. Deze sensors bieden ook een middel om snel en op afstand de sensorinstellingen en -bewerkingen te herconfigureren wanneer dat nodig is. (Bron afbeelding: Panasonic Industrial Automation Sales)

IO-Link 1.1 Fysieke verbindingen (inclusief datapoorten)

Houd nu rekening met de databreedten van IO-Link - tot 32 bytes per poort voor procesdata. Alle geactiveerde poorten op IO-Link primaries zijn ingesteld om digitale uitvoer en invoer te verwerken of als IO-Link punt te draaien met behulp van een UART in half-duplex modus (zodat bits van gegevens worden verzonden en ontvangen in single-bits sequenties). Een typische vier- of acht-poort IO-Link primaire kan rechtstreeks verbinding maken met meerdere veldapparaten of als tussenliggende hub dienen - en de transmissiebreedte is afhankelijk van deze primaire. Aansluitingen op een typisch IO-Link-veldapparaat omvatten voedingsgeleiders L+ en M en C/Q₁-geleiders, waarbij deze laatste zowel procesgegevens als gegevens voor de parametrering, configuratie en diagnose bevatten.

Afbeelding 4: Intelligente sensors zoals deze SICK-druksensor met IO-Link (die verbindingen via een vier- of vijfpuntige M12 mogelijk maakt) kunnen de stilstandtijd en de fouten die gepaard gaan met manuele herprogrammering vermijden. Dat komt omdat ze parametrische bewerkingen en herconfiguratie via de PLC van de machine mogelijk maken. Let op de L+ en M en de C/Q₁ aansluitingen van de IO-Link connector. (Bron afbeelding: SICK)

Lichtelijk gecompliceerd is hier dat de IO-Link-specificaties zowel klasse A- als klasse B-poorten op primaries en secondaries toestaan. Klasse-A-poorten zoals gedefinieerd in IEC 60947-5-2 mogen niet worden verward met A-gecodeerde M12-connectors zoals gedefinieerd in IEC 61076-2-101. Lees meer over alomtegenwoordige M12 connectors in het kader van IO-Link in het Digi-Key artikel "De basisprincipes van IO-Link". Kortom, IO-Link-connectorpinnen 2 en 5 worden soms gebruikt (en dat gebruik varieert) terwijl pinnen 1, 3 en 4 altijd worden gebruikt (waarbij het gebruik alleen voor de laatste varieert). Klasse A-regelingen (gebaseerd op vierpins M5-, M8- of M12-connectors) maken meer I/O-variaties en zelfs een hoge stroomuitgang voor de aandrijving van de actuators mogelijk. Klasse B-arrangementen zijn daarentegen altijd vijfpuntige M12-aansluitingen.

Ongeacht de klasse, bevinden de vrouwelijke connectoraansluitingen zich op de primaire en mannelijke connectorpinnen van het secundaire veldapparaat.

De 32 bytes per poort voor procesdata is slechts een maximum dat wordt gebruikt voor de meest geavanceerde IO-Link aangesloten sensors en actuators; en in feite kan de databreedte van een zeer eenvoudige IO-Link secundaire zoals een schakelaar slechts één bit zijn. Wanneer de ingestelde databreedte onvoldoende is voor de toepassing, maken sommige IO-Link-primaries gefragmenteerde procesdatatransmissie mogelijk. Andere schema's voor de uitbreiding van de datacapaciteit van de IO-Link omvatten meerdere toepassingen van de pin-4 geleiders voor bidirectionele IO-Link en schakelcommunicatie, evenals tweekanaals datatransmissie die parallel loopt aan pin-4 IO-Link data. Voor dit laatste kan de pin-2 geleider apparaatspecifieke I/O- of schakelsignalen dragen (vaak, maar niet altijd, geassocieerd met statusbewaking) en het IO-Link kanaal vrijmaken om aanvullende signalen te dragen. Dergelijke IO-Link dual-channel datatransmissie maakt real-time communicatie mogelijk zonder de vertragingen die gepaard gaan met PLC's op afstand (inclusief cyclustijden), die op hun beurt toepassingen ondersteunen die een snelle analyse van en reactie op de omstandigheden van de machine of het apparaat noodzakelijk maken.

Conclusie

De drie IO-Link functies die nieuw zijn voor versie 1.1 omvatten de back-up van gegevens (voor het opslaan en hergebruiken van apparaatparameters); de mogelijkheid om databreedten te verwerken tot 32 bytes per poort; en 230,4 kbaud datatransmissiesnelheden van primaries. Deze kenmerken hebben de invoering van IO-Link 1.1 voor industriële automatisering alleen maar versneld.