Jedním z hlavních důvodů úspěchu IO-Link je snadné zapojení inteligentních, komplexních senzorů a akčních členů s jednoduchým standardizovaným 3vodičovým snímatelným kabelem. V budoucnu lze i toto jednoduché zapojení komunikační linky v systému IO-Link vynechat, protože IO-Link je nyní bezdrátový.
Redukce kabelů v průmyslových automatizačních systémech za účelem snížení instalačního úsilí nebo dosažení bezpečného a zabezpečeného přenosu dat v kritických bodech, jako jsou sběrné kroužky, je důležitým tématem pro výrobce strojů a koncové uživatele již roky.
S nástupem vývoje Průmyslu 4.0 a Průmyslového IoT se komunikační potřeby rychle mění. Komunikace mezi stroji (M2M), jako jsou připojené roboty, automatizace skladu a strojní zařízení pro zpracování, jsou stále častější a vyžadují vyšší dostupnost, lepší robustnost, nižší latenci a deterministické vzory.
V tomto vývoji kabelová komunikace jednoduše nemůže splnit požadavky vyžadované obrovským nárůstem připojených zařízení, pokud jde o flexibilitu, mobilitu a monitorování. IO-Link Wireless, rozšíření standardu IO-Link, je prvním bezdrátovým protokolem, který řeší tyto potřeby a představuje spolehlivou a deterministickou bezdrátovou komunikaci se senzory a akčními členy.
IO-Link Wireless poprvé představuje spolehlivý, deterministický protokol v reálném čase pro řídicí systémy průmyslové automatizace továrny. Očekává se, že tento standard zvýší mobilitu a flexibilitu, která v kabelovém protokolu chybí, a posouvá komunikaci průmyslových strojů na další úroveň.
Co je to IO-Link Wireless?
IO-Link Wireless definuje bezdrátovou síťovou komunikaci mezi senzory, akčními členy a PLC v prostředí automatizované výroby. Byl navržen tak, aby poskytoval podobnou úroveň výkonu a zpětně kompatibilní rozhraní jako u kabelů, takže migrace z kabelových na bezdrátové systémy je snadná. IO-Link Wireless poskytuje deterministickou latenci 5 ms a komunikaci se 40 uzly (senzory nebo akční členy). Představuje spolehlivost lepší než 10e-9 Packet Error Rate (PER). Například jiné bezdrátové standardy jako WLAN, Bluetooth a Zigbee ukazují, že PER je v průmyslovém prostředí o 6 řádů méně spolehlivý (cca 1e-3).
IO-Link Wireless podporuje možnosti roamingu a možnost zahrnout do sítě v reálném čase senzory napájené z baterie nebo senzory získávající energii s jejich nízkou spotřebou. Jednou z klíčových vlastností IO-Link Wireless je kompatibilita s protokoly pro automatizaci výroby a procesů. Lze použít standardní technické nástroje pro plánování, nastavení, provoz a údržbu IO-Link, aby byla zaručena zpětná kompatibilita s kabelovými řešeními IO-Link.
Popis systému IO-Link Wireless
Bezdrátový systém IO-Link Wireless se obvykle skládá z brány IO-Link Wireless Fieldbus (Master) a bezdrátových zařízení IO-Link. Zařízeními mohou být snímače, akční členy, čtečky RFID, ventily, spouštěče motorů nebo jednoduché I/O moduly. Standardní bezdrátový systém IO-Link Wireless dále zahrnuje technické nástroje pro konfiguraci senzorů / akčních členů a přiřazování parametrů.
Jsou definovány následující základní datové typy:
- Procesní data: o délce až 32 Bajtů, která se vyměňují s každým komunikačním cyklem.
- Status hodnoty: označující, zda jsou procesní data platná či nikoli, což jsou informace, které se také cyklicky vyměňují.
- Data zařízení: jako jsou identifikační informace, nastavení, varování a chyby, které jsou vyměňovány na vyžádání.
Následující obrázek ukazuje příklad systémové architektury založené na bezdrátových a kabelových připojeních IO-Link. Architektura bezdrátového IO-Link vypadá podobně jako drátová (hvězdicová topologie), ale bez komunikačních kabelů. IO-Link Wireless také podporuje funkci přemostění mezi IO-Link a IO-Link Wireless. Tato funkce, která je součástí standardu, umožňuje bezdrátovým připojením zařízení IO-Link k hlavnímu zařízení.
Fyzická vrstva IO-Link Wireless - zdroj robustnosti
Aby bylo možné splnit vysoké požadavky na spolehlivost (PER 10e-9) v průmyslovém prostředí, byla zvolena úzkopásmová modulace GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). Tato modulace se těší vysoké energetické účinnosti a dobrému odolnosti proti rušení, ale také odolnosti vůči slábnutí signálu v důsledku úzkého pásma 1 MHz. Stejná modulace slouží ostatním protokolům, jako jsou nízkoenergetické standardy Bluetooth a 802.15.4, ale dosahuje odlišného výkonu díky různým schématům protokolu. V souladu s regulačními normami je maximální vysílací výkon RF 10 mW a bylo zvoleno pásmo 2,45 GHz ISM (bez licence), i když toto pásmo trpí přetíženým prostředím.
Aby byla zajištěna vysoce spolehlivá vazba v přetíženém prostředí, byla použita kombinace schématu přístupu k frekvenčním a časovým dělením médií (F/TDMA). Zprávy downlink z masteru IO-Link do zařízení a zprávy uplink ze zařízení do masteru jsou vyměňovány v poloduplexním režimu v definovaném časovém rámci. Buňka může podporovat až 3 mastery, zatímco každý master komunikuje až s 40 senzory na 5 kanálech.
Vylepšeného chování při koexistenci je dosaženo použitím dvou mechanismů, přeskakování frekvencí a dynamického blacklistu, což umožňuje provoz bezdrátové sítě senzorů / akčních členů s nízkou mírou chyb paketů i v průmyslových zařízeních, kde jsou v pásmu 2,45 GHz přidělena pásma WLAN.
Pokud jde o reálný čas, byla pro zajištění spolehlivosti specifikována doba cyklu 5 ms. V každé buňce je v každé době cyklu vzorkováno až 120 uzlů (senzory nebo akční členy). Po dobu 5 ms jsou podporovány dva opakované přenosy cyklických dat v různých kanálech, aby se získala lepší odolnost vůči úzkopásmovým interferencím nebo slábnutí signálu. Algoritmy přeskakování frekvencí minimalizují slábnutí signálu, ale také zlepšují chování při koexistenci a umožňují zařízením pohybovat se mezi mastery.
Bylo definováno několik konceptů ke snížení spotřeby energie, které také umožňují integrovat do bezdrátového komunikačního systému zařízení s velmi omezenými zdroji energie, jako jsou například dlouhodobě provozovatelná zařízení napájená z baterie.
Jednou z klíčových funkcí IO-Link Wireless je podpora při roamingu zařízení mezi PLC. Umožňuje mobilitu bezdrátových zařízení mezi buňkami základnových stanic tak, aby během procesu předání nebyla přerušena cyklická datová komunikace procesu mezi PLC a zařízením.
Závěrem
Spolehlivé bezdrátové připojení bylo dlouho hledáno pro aplikace průmyslové automatizace. Výhody použití bezdrátového připojení pro aplikace průmyslové automatizace jsou jistě dostatečně lákavé, pokud jde o flexibilitu, snížení nákladů, vyšší mobilitu a lepší škálovatelnost. Moderní továrny chápou přidanou hodnotu flexibilní výrobní linky. Zvyšuje se poptávka po robotických ramenech, inteligentních senzorech a pokročilých akčních členech pro automatizaci a bezpilotní automatické řízené vozidlo (AGV) pro zvýšení efektivity. Jelikož je velká část zařízení přenosná a výrobní linka musí být flexibilní, je pro připojení vhodnější bezdrátové připojení. Nevýhodou použití bezdrátových sítí v průmyslových aplikacích je však to, že je mnohem těžší splnit požadavky na spolehlivost vyžadované průmyslovou automatizací.
Bezdrátový protokol IO-Link Wireless byl vytvořen, aby odpověděl na tyto výzvy - vysoká spolehlivost, nízká latence, deterministická komunikace a kompatibilita s kabelovými protokoly tovární automatizace.
