Utilizzo di IO-Link nelle applicazioni industriali

Con l'avvento della quarta rivoluzione industriale e dell'Impresa 4.0, l'automazione completa e intelligente è definita da controlli avanzati, monitoraggio e diagnostica. Tali capacità sono possibili solo attraverso la connettività industriale, attraverso la quale i controlli e i dispositivi delle macchine sono unificati su qualche piattaforma (come IO-Link) per lo scambio continuo di dati.

Figura 1: IO-Link completa i protocolli di rete esistenti integrandosi facilmente nelle reti fieldbus o Ethernet tramite il primario IO-Link. Il collegamento tra un primario IO-Link e i suoi dispositivi IO-Link avviene attraverso un cavo a tre o cinque fili non schermato e non protetto, capace anche di alimentare i dispositivi IO-Link. Qui, l'alimentazione dal primario è di 24 V c.c. (Immagine per gentile concessione di Pepperl+Fuchs)

Le tecnologie chiave alla base della connettività industriale sono reti standardizzate e dispositivi con funzioni di comunicazione su scheda. I protocolli per queste funzioni abbondano. Tuttavia, non tutti i protocolli industriali soddisfano i requisiti di scambio di dati e di intelligenza richiesti oggi dall'automazione. IO-Link è stato creato per soddisfare una vasta gamma di queste applicazioni moderne.

Come discusso in un precedente articolo di digikey.com, IO-Link è un protocollo di comunicazione punto-punto cablato che facilita la comunicazione bidirezionale intelligente dei dati tra i dispositivi. Tipicamente, i primari IO-Link (controller locali) hanno diverse porte IO-Link (canali) in cui si inseriscono indipendentemente vari dispositivi IO-Link. Queste connessioni endpoint da nodo a nodo sono ciò che rende IO-Link un protocollo di comunicazione punto-punto.

Lanciato nel 2009 da un consorzio di 41 membri che ora ne conta centinaia, IO-Link è diventato un protocollo di comunicazione ampiamente accettato per sfruttare i dati cruciali per:

• Ottimizzare le operazioni
• Ridurre i tempi di inattività e razionalizzare la manutenzione
• Tagliare i costi delle materie prime e prendere decisioni operative strategiche.

L'interfaccia armonizzata IO-Link è definita dallo standard IEC 61131-9 e supportata da Siemens, Omron Corp. ifm Efector, Balluff, Cinch Connectivity, Banner Engineering, Rockwell Automation, SICK, Pepperl+Fuchs e decine di altri produttori di componenti e sistemi. Non c'è da stupirsi che la connettività IO-Link sia ampiamente sfruttata nelle operazioni che riguardano l'automazione dell'assemblaggio, le macchine utensili e l'intralogistica. I suoi tre usi principali in questi e altri contesti industriali includono le comunicazioni di stato, il controllo delle macchine e infondere intelligenza nei dispositivi.

Le modalità del controller IO-Link sono correlate agli usi

Figura 2: Il tipo di connettore usato con il cavo di collegamento dipende dal tipo di porta. Le porte primarie IO-Link di classe A accettano connettori M8 o M12 (come AL1120 di ifm Efector mostrato come esempio) con un massimo di quattro pin, mentre le controparti di classe B accettano connessioni con dispositivi che hanno connettori M12 a cinque pin (per la comunicazione dati bidirezionale). La modalità assegnata alla porta di un primario in un dato momento è determinata dal dispositivo cui è collegato e dal funzionamento corrente. (Immagine per gentile concessione di ifm Efector)

Ricordiamo dai precedenti articoli digikey.com che il protocollo di comunicazione IO-Link rende ogni porta del connettore su un primario di alto livello IO-Link (controller) capace di quattro modalità di comunicazione. Queste includono una modalità completamente disattivata e le modalità operative IO-Link, ingresso digitale (DI) e uscita digitale (DQ). Le modalità sono vagamente correlate ai tre principali usi IO-Link elencati sopra.

La modalità operativa IO-Link supporta la comunicazione bidirezionale dei dati con i dispositivi di campo ed è tipicamente utilizzata durante la raccolta dei dati per il monitoraggio, i test e la diagnostica. La porta di un primario in modalità DI accetta ingressi digitali e funziona quando la porta è collegata a sensori – in questo contesto, agendo da dispositivi di ingresso. Al contrario, una porta in modalità DQ agisce da uscita digitale, tipicamente quando la porta è collegata a un attuatore (in questo contesto, effettivamente un dispositivo di uscita) o quando un PLC di sistema è impostato per inviare direttamente istruzioni a un altro dispositivo IO-Link.

Anche se al di là dello scopo di questo articolo, vale la pena notare che le porte su un primario IO-Link possono facilmente passare da una modalità all'altra. Ad esempio, la porta di un primario collegata a un sensore può funzionare in modalità DI e poi passare alla modalità di comunicazione IO-Link quando la diagnostica e i dati di monitoraggio del sensore sono richiesti dal primario.

Applicazione IO-Link 1 di 3: comunicazioni di stato attivabili

Figura 3: IO-Link facilita la creazione di sistemi di controllo e automazione altamente avanzati. Il settore delle macchine utensili fa abbondante uso dei sensori IO-Link per verificare le pressioni e le posizioni appropriate del serraggio dei pezzi e degli utensili di fresatura finale. (Immagine per gentile concessione di Getty Images)

Il monitoraggio della macchina è possibile con i dispositivi IO-Link impostati per segnalare lo stato che può, a sua volta, informare il sistema delle regolazioni e delle correzioni necessarie. Consideriamo un esempio nel settore delle macchine utensili - quello dei sensori di pressione IO-Link che verificano che i pezzi siano serrati con una pressione appropriata per una tenuta senza danni ma sicura durante le operazioni di rimozione del materiale. Qui, i sensori IO-Link supportano essenzialmente l'ottimizzazione dei compiti della macchina per un minor numero di pezzi respinti.

I dispositivi IO-Link possono anche avere comunicazioni di stato attivabili per supportare routine di manutenzione migliorate e ridurre al minimo i tempi di inattività. Ad esempio, i sensori di posizione IO-Link su una macchina di assemblaggio potrebbero segnalare continuamente le posizioni degli attuatori finali per assicurare che nessuno sia fuori portata o disallineato.

Analizzando i dati diagnostici forniti dai dispositivi IO-Link, gli impiantisti possono prevedere e correggere errori e potenziali guasti prima che accadano. I tecnici possono anche identificare gli anelli deboli in una macchina o in un impianto - per suggerire cambiamenti operativi a livello aziendale, informare le decisioni di acquisto e i progetti delle macchine in futuro.

Applicazione IO-Link 2 di 3: controllo avanzato e automazione

Figura 4: Un sistema IO-Link coinvolto nei controlli avanzati comprende un primario IO-Link (controller), come NX-ILM400 di Omron mostrato qui, e vari sensori abilitati per IO-Link, alimentatori e dispositivi meccatronici collegati a quel primario. I sistemi IO-Link per tali applicazioni tipicamente vincolano il primario e i dispositivi IO-Link a un PLC o a un altro sistema di automazione. (Immagine per gentile concessione di Omron)

Il controllo e l'automazione sono altre funzioni applicative supportate da IO-Link. Dove un'installazione IO-Link supporta funzioni che si eseguono senza l'intervento del personale, l'IO-Link primario spesso si collega a un sistema host o a un PLC di livello superiore che elabora i dati ricevuti e poi comanda direttamente o indirettamente gli attuatori nel progetto alle risposte coordinate appropriate. Tale controllo automatizzato richiede che il sistema IO-Link si colleghi a un controllore di livello superiore tramite protocolli e cablaggi standardizzati fieldbus o Ethernet. Infatti, la maggior parte dei primari IO-Link ha porte fieldbus o Ethernet per tali connessioni.

I dispositivi in applicazioni di controllo avanzate che coinvolgono sistemi IO-Link si integrano in uno dei tre modi seguenti:

• Si collegano direttamente al computer host o al PLC
• Si collegano a un primario IO-Link e comunicano tramite il protocollo IO-Link
• Utilizzano comunicazioni compatibili con IO-Link e si collegano a un primario IO-Link tramite un hub IO-Link

Quest'ultimo funge essenzialmente da intermediario per collegare i dispositivi non IO-Link al primario.

Un ulteriore vantaggio dei sistemi IO-Link con connettività fieldbus ed Ethernet è che sono consentite connessioni a lunga distanza - che a sua volta permette agli installatori di posizionare i primari IO-Link in un armadio di controllo o sulla macchina più esterna, se questo ha più senso per una data applicazione.

Considerate come i primari IO-Link beneficiano delle applicazioni di assemblaggio avanzate servendo come controllori di basso livello in grado di elaborare sia segnali digitali che analogici. Qui, i primari potrebbero:

• Accettare i dati generati dagli encoder lineari IO-Link sugli assi di uno stadio XY
• Elaborare quei dati come gateway
• Inviare i dati elaborati del dispositivo di campo IO-Link al PLC o un altro controller di sistema

Applicazione IO-Link 3 di 3: intelligenza del dispositivo

Figura 5: L'interfaccia di connessione IO-Link è molto piccola e può adattarsi alla maggior parte dei dispositivi di campo compatti. Qui è mostrato un sensore di prossimità BUS004Z con connettività IO-Link di Balluff. (Immagine per gentile concessione di Balluff)

La terza applicazione di IO-Link si prefigge di infondere intelligenza nei dispositivi. Particolarmente comuni in progetti di sensori che assomigliano a opzioni di sensori legacy senza programmazione (o più modesta), questi dispositivi abilitati a IO-Link possono ricevere istruzioni, monitorare ed eseguire routine di auto-test – e generare dati. Poiché IO-Link permette anche ai dispositivi di fornire più di due valori di base (sì-no o pass-fail), è possibile anche segnalare valori precisi. Ad esempio, i compiti di automazione dei processi beneficiano dei sensori di temperatura IO-Link che vanno oltre la segnalazione dello stato di alta o bassa temperatura, riportando continuamente il valore esatto della temperatura di una zona o di un volume monitorato.

Un altro vantaggio di IO-Link per i dispositivi di campo intelligenti è la compattezza delle sue connessioni fisiche. Questo contrasta con le connessioni fisiche delle interfacce fieldbus ed Ethernet, che a volte possono essere troppo grandi per adattarsi ai microdispositivi di campo.

Anche i componenti intelligenti IO-Link possono essere controllati con precisione. Ad esempio, invece dei controlli di base off-on, un attuatore può essere comandato per spegnersi una volta che uno scenario soddisfa una serie di condizioni.

I dispositivi di ingresso come gli interruttori a pulsante RAFI possono sfruttare le funzioni IO-Link per supportare le caratteristiche dei dispositivi intelligenti, comprese gli indicatori luminosi con codifica a colori.

Ci sono alcune avvertenze sull'uso di IO-Link per le applicazioni di dispositivi intelligenti. Anche è in corso di sviluppo una forma wireless di IO-Link, al momento IO-Link è ancora un protocollo di comunicazione cablato, quindi è tuttora soggetto a tutte le limitazioni del cablaggio. Per mantenere l'integrità dei dati, il cablaggio dal primario al dispositivo IO-Link non deve superare i 20 metri. Inoltre, poiché il protocollo IO-Link può trasmettere solo fino a 32 byte di dati per ciclo, è insufficiente per l'uso con dispositivi di campo come le telecamere, che possono generare molti MB di dati al minuto.

Conclusione

Gli usi per i sistemi IO-Link abbondano per completare i protocolli esistenti alla base di controlli e sistemi di raccolta dati virtualmente illimitati. A spingere l'adozione è stata la semplicità dei sistemi IO-Link, che comprendono solo un primario IO-Link e i suoi dispositivi e i loro cavi a tre o cinque fili. L'installazione plug-and-play e l'economicità sono altri vantaggi di IO-Link.

Gli sforzi del consorzio IO-Link di aziende associate hanno assicurato un'ampia compatibilità tra controller, dispositivi e attuatori di vari produttori, dando ai progettisti la più ampia scelta di apparecchiature per i loro casi d'uso specifici.