Technologie IO-Link

Vedle hodnoty procesní veličiny je možné přenášet další informace, jako např. parametry nebo diagnostická hlášení.

Systém IO-Link nabízí mnoho výhod, jako digitální rozhraní pro připojení senzorů / akčních členů:

• Otevřený standard dle ČSN EN 61131-9. Zařízení lze integrovat stejným způsobem do všech běžně používaných systémů Fieldbus a automatizačních systémů.
• Přiřazení parametrů podporovaných nástroji a centrální správa dat. Rychlé nastavení a uvedení do provozu. Vzdálené nastavení parametrů a automatické nastavení parametrů.
• Jednoduché připojení point-to-point (od bodu k bodu) bez adresování pomocí kabelů s konektory M12 usnadňuje instalaci.
• Důsledná komunikace mezi senzory / akčními členy a kontrolérem. Značně se zlepšuje dostupnost stroje, protože všechny hodnoty a parametry lze v reálném čase číst a centrálně zpracovávat.
• Konzistentní diagnostické informace až po úroveň senzoru / akčního členu. Senzory detekují stavy mimo běžné provozní chování. To umožňuje údržbu dle stavu “opotřebení” a vyšší provozní dobu stroje.
• Dynamická změna parametrů senzoru / akčního členu pomocí kontroléru nebo obsluhy přes HMI.
• Automatické přiřazení parametrů pro výměnu zařízení během provozu. Výměna “plug and play” přístrojů může být provedena každým i bez odborných znalostí.

Přehled IO-Link

Systém IO-Link se skládá z následujících základních komponent:

• IO-Link master
• IO-Link zařízení (např. senzory, RFID čtečky, ventily, motorové spouštěče, I/O moduly)
• Nestíněné 3- nebo 5vodičové standardní kabely
• Technický nástroj pro konfiguraci a přiřazení parametrů IO-Link

Master IO-Link naváže spojení mezi zařízeními IO-Link a automatizačním systémem. Jako součást I/O systému je IO-Link master instalován buď v rozvaděči nebo jako vzdálené I/O zařízení s krytím IP65/67 přímo v poli.
Master IO-Link komunikuje přes různé sběrnice Fieldbus nebo produktové sběrnice backplane. Master IO-Link může mít několik portů IO-Link (kanály), kde lze ke každému portu připojit zařízení IO-Link (point-to-point). IO-Link je tedy point-to-point komunikace a ne Fieldbus.

Rozhraní IO-Link

IO-Link je sériové, obousměrné rozhraní připojené point-to-point pro přenos signálu a napájení v libovolných sítích, Filedbus sítích nebo sběrnicích Backplane.

Připojení
Pro připojení se nejčastěji používá konektor M12, který poskytuje krytí IP65/67, ve kterém senzory mají obvykle 4kolíkovou zástrčku a akční členy 5kolíkovou zástrčku. Mastery IO-Link mají obvykle 5kolíkovou zásuvku M12.
Přiřazení pinů je specifikováno podle IEC 60974-5-2 následovně:

• Pin 1: 24 V
• Pin 3: 0 V
• Pin 4: Spínací a komunikační linka (C/Q)

Kromě komunikace IO-Link se tyto tři piny používají také k napájení zařízení alespoň 200 mA (viz obr. 3).

Typy konektorů
Rozlišují se dva typy konektorů pro IO-Link master:

• Konektory třídy A (typ A) - U tohoto typu nejsou funkce pinů 2 a 5 specifikovány. Tyto funkce definuje výrobce. Pin 2 je obvykle přiřazen na další digitální kanál.
• Konektor třídy B (typ B) - Tento typ poskytuje dodatečné napájecí napětí a je vhodný pro připojení zařízení, která mají zvýšenou spotřebu energie.

V tomto případě jsou použity piny 2 a 5 pro zajištění dodatečného (galvanicky izolovaného) napájecího napětí.
K použití tohoto dodatečného napájecího napětí je vyžadován standardní kabel s 5 vodiči.

Připojovací kabel
Zařízení je připojeno k masteru pomocí nestíněných 3 nebo 5vodičových standardních kabelů o délce nejvýše 20 m a průřezu ≥ 0,34 mm². Stínění není nutné. Stejně tak se při pokládání kabelů nemusí dodržovat žádné specifické pokyny.

Protokol IO-Link

Provozní režimy
Porty IO-Link masteru lze provozovat v následujících režimech:

• IO-Link: V režimu „IO-Link“ se port používá pro komunikaci IO-Link.
• DI: V režimu „DI“ se port chová jako digitální vstup.
• DQ: V režimu „DQ“ se port chová jako digitální výstup.
• Deaktivováno: Režim „Deaktivovaný“ lze použít pro nepoužívané porty.

Přenosová rychlost
V režimu IO-Link specifikace V1.1 jsou specifikovány tři přenosové rychlosti:

• COM 1 = 4,8 kbaud
• COM 2 = 38,4 kbaud
• COM 3 = 230,4 kbaud (volitelné podle specifikace V1.0)

Zařízení IO-Link podporuje pouze jednu z definovaných rychlostí přenosu dat. Podle specifikace V1.1 podporuje master IO-Link všechny přenosové rychlosti dat a automaticky se přizpůsobuje rychlosti přenosu dat podporované zařízením.

Doba odezvy systému IO-Link
Doba odezvy systému IO-Link poskytuje informace o frekvenci a rychlosti přenosu dat mezi zařízením a masterem. Doba odezvy závisí na různých faktorech. Soubor IODD popisu zařízení obsahuje hodnotu pro minimální dobu cyklu zařízení. Tato hodnota označuje časové intervaly, v nichž může master adresovat zařízení. Hodnota má velký vliv na dobu odezvy. Master má navíc interní dobu zpracování, která je zahrnuta do výpočtu doby odezvy.
Zařízení s různými minimálními dobami cyklu lze konfigurovat na jednom masteru. Doba odezvy se u těchto zařízení liší. To znamená, že doba odezvy různých zařízení na masteru se může výrazně lišit.
Při konfiguraci hlavní jednotky můžete kromě pevně stanovené minimální doby cyklu uložené v IODD určit pevnou dobu cyklu. Master poté adresuje zařízení na základě této specifikace. Typická doba odezvy zařízení je tedy výsledkem doby efektivity zařízení a typické doby vnitřního zpracování masteru.

Kvalita přenosu
IO-Link je velmi robustní komunikační systém. Tento komunikační systém pracuje s úrovní 24 V. Pokud přenos selže, rámec se opakuje ještě dvakrát. Teprve po selhání druhého opakování rozpozná master IO-Link selhání komunikace a signalizuje to nadřazené řídicí jednotce.

Typy dat
K dispozici jsou čtyři základní typy dat:

• Procesní data → Cyklická data
• Hodnoty stavu → Cyklická data
• Data zařízení → Acyklická data
• Události → Acyklická data

Procesní data – Procesní data zařízení jsou cyklicky přenášena v datovém rámci, ve kterém je velikost procesních dat určována zařízením. V závislosti na zařízení je možné 0 až 32 bajtů procesních dat (pro každý vstup a výstup). Šířka konzistence přenosu není pevná a je tedy závislá na masteru.

Hodnoty stavu – Každý port má stav hodnoty (Port-Qualifier). Stav hodnoty označuje, zda jsou procesní data platná nebo neplatná. Stav hodnoty se cyklicky přenáší s procesními daty.

Data zařízení – Data zařízení mohou být parametry, identifikační data a diagnostické informace. Vyměňují se acyklicky a na žádost master IO-Link. Data zařízení lze zapisovat do zařízení (Write) a také číst ze zařízení (Read).

Události – Když dojde k události, tak to zařízení signalizuje IO-Link masteru, který poté událost přečte. Události mohou být chybové zprávy (např. zkrat) a varování / údaje o údržbě (např. znečištění, přehřátí).
Chybové zprávy jsou přenášeny ze zařízení do řídicí jednotky nebo HMI terminál přes master IO-Link.
Přenos parametrů nebo událostí zařízení probíhá nezávisle na cyklickém přenosu procesních dat. Tyto přenosy se navzájem neovlivňují.

Spuštění I / O systému
Je-li port master nastaven na režim IO-Link, pokusí se master IO-Link komunikovat s připojeným zařízením IO-Link. Za tímto účelem vyšle master IO-Link definovaný signál (probouzející puls) a čeká na odpověď zařízení IO-Link.
Master IO-Link se nejprve pokouší komunikovat při nejvyšší definované rychlosti přenosu dat. V případě neúspěchu se master IO-Link pokusí komunikovat při nejbližší nižší přenosové rychlosti dat. Pokud master obdrží odpověď, začne komunikace. Za tímto účelem si master a zařízení vyměňují potřebné komunikační parametry. Je-li aktivována správa dat, jsou parametry uložené v masteru přeneseny do zařízení. Poté začíná cyklická výměna procesních dat a hodnot stavu.

Profily zařízení

Pro standardizaci přístupu uživatelského programu z kontroléru k zařízením jsou pro IO-Link definovány profily zařízení.
Profily zařízení určují strukturu dat, obsah dat a základní funkčnost. V důsledku toho je dosaženo stejného uživatelského pohledu a stejného přístupu k programu na kontroléru pro řadu různých zařízení, která odpovídají stejnému profilu zařízení.

Profily pro IO-Link
Profily zařízení jsou definovány pro:

• Binární spínací senzory
• Digitální měřicí senzory
• Zařízení s jednotným chováním systému

Profily pro spínací senzory jsou vhodné pro jednoduché spínací aplikace, jako je detekce přítomnosti.
Digitální profily měření jsou určeny pro měřicí senzory, které mohou poskytovat hodnoty na základě fyzických jednotek, jako jsou teplota nebo tlak. Tyto profily umožňují integrovat senzory IO-Link bez zvláštní znalosti použitého senzoru.
Profil zařízení pro jednotné chování systému definuje minimální identifikaci zařízení, diagnostiku a data událostí. Zařízení IO-Link, která podporují tento profil, nabízejí jednotný minimální stupeň integrace systému do řídicí jednotky. Tento profil je základem pro všechny ostatní profily zařízení.

Aktualizace firmwaru pro zařízení IO-Link

Aktualizace firmwaru může být nezbytná během provozní doby zařízení IO-Link (např. pro rozšíření funkcí). U zařízení IO-Link je k dispozici jednotný mechanismus aktualizace firmwaru, který umožňuje aktualizaci firmwaru zařízení a zabraňuje chybám během procesu aktualizace. Soubor FW poskytnutý výrobcem zařízení lze přenést na odpovídající zařízení IO-Link přes master IO-Link.

Elektronický popis přístroje IODD

Pro každé zařízení je k dispozici popis elektronického zařízení – soubor IODD (IO Device Description). IODD ukládá různé informace pro integraci systému:

• Komunikační vlastnosti
• Parametry zařízení s rozsahem hodnot a výchozí hodnotou
• Identifikační, procesní a diagnostická data
• Data zařízení
• Textový popis
• Ilustrace zařízení
• Logo výrobce

Struktura IODD je stejná pro všechna zařízení všech výrobců. Struktura IODD je vždy reprezentována stejným způsobem konfiguračními nástroji IO-Link od výrobců. Tím je zajištěno stejné zacházení se všemi zařízeními IO-Link bez ohledu na výrobce. U zařízení, která podporují funkčnost V1.0 a V1.1, jsou k dispozici dvě různé verze IODD.

IODDfinder
IODDfinder je nechráněná centrální databáze IODD. Zpřístupňuje aktuální IODD výrobců zařízení a nabízí uživatelům informační a stahovací platformu. IODDfinder je přístupný pomocí jakéhokoli aktuálního prohlížeče na následující internetové adrese: https://ioddfinder.io-link.com.

Konfigurační nástroj IO-Link
Pro konfiguraci celého systému IO-Link jsou nutné konfigurační nástroje. Konfigurační nástroje IO-Link od výrobců jsou schopny číst v IODD. Mezi hlavní úkoly konfiguračního nástroje IO-Link patří:
• Přiřazení zařízení k portům masteru
• Přiřazení adresy (I/O adresy procesních dat) portům v adresové oblasti masteru
• Přiřazení parametrů zařízení IO-Link

Připojená zařízení musí mít schopnost diagnostiky. To umožňuje konfiguračnímu nástroji poskytovat transparentní reprezentaci systému IO-Link až na úroveň pole.

GSD soubor

Soubor masteru přístroje, který popisuje rozhraní přístroji, který má být připojen k průmyslové sběrnici. GDS soubory jsou poskytovány výrobcem zařízení a jsou
k dispozici jako samostatné soubory.

Rozdíly specifikací IO-Link V1.0 a V1.1

Technická definice systému IO-Link je popsána ve specifikaci IO-Link Community. Specifikace verze 1.0 byla připravena v první fázi zavedení technologie IO-Link. V důsledku dalšího vývoje a přidání funkcí do systému IO-Link byla připravena verze 1.1.
Důležité dodatky ve verzi 1.1. jsou:

• Zálohování dat parametrů zařízení
• Pro IO-Link master je povinná rychlost přenosu dat 230,4 kbaud
• Šířka procesních dat na port až 32 bajtů

Kombinace zařízení IO-Link
V zásadě je možná jakákoli kombinace masterů a zařízení. Je však třeba poznamenat limity konkrétního systému (např. maximální velikost uživatelských dat masteru).
Pokud jsou zařízení IO-Link kombinována s jinou specifikací IO-Link, je třeba poznamenat následující:

• Na IO-Link masteru V1.0 lze provozovat pouze zařízení IO-Link podle specifikace V1.0.
• Zařízení IO-Link podle specifikace V1.0 a V1.1 lze provozovat na masteru IO-Link V1.1.
• Funkci zálohování dat a rychlost přenosu dat 230,4 kbaud na masteru IO-Link V1.1 lze použít pouze tehdy, pokud jsou tyto funkce podporovány také zařízením IO-Link.