IO Link: komunikacja czujników z systemem automatyki
Nowa technologia, promowana przez organizację Profibus, podnosi komunikację w kablowych systemach automatyki na wyższy poziom. Umożliwia użytkownikowi dwukierunkową komunikację ? wysyłanie ustawień do czujnika oraz pobieranie z niego informacji zwrotnej w postaci sygnałów diagnostycznych.
Linia pakowania produktów w zakładach Dunni jest pierwszą praktyczną implementacją technologii IO Link w przemyśle. Źródło: Dunni
Osiągnięty w ostatnich latach poziom innowacji w konstrukcji i obsłudze różnego typu czujników, jak chociażby wyłączników zbliżeniowych, jest zaskakujący. Obudowy urządzeń są coraz mniejsze, zwiększa się ich zasięg oraz funkcjonalność. Dzięki wprowadzeniu do ich obsługi mikrokontrolerów możliwy jest dokładny dobór nastaw i parametrów pracy czujników, w miejsce niedokładnych i kłopotliwych regulacji potencjometrami itp. Znacznie poprawiła się również diagnostyka tego typu elementów. Obejmuje ona między innymi wczesne ostrzeganie o możliwym, postępującym zanieczyszczeniu, awarii itp.
Aby jednak w pełni wykorzystać zdobycze technologii w zakresie dokładności pomiaru i diagnostyki samego modułu czujnika, powinno się go udostępnić z poziomu sieci automatyki. Poza obsługą tradycyjnych sygnałów typu załącz / wyłącz komunikujący się z czujnikiem moduł We/Wy powinien umożliwić również wymianę danych pomiarowych i diagnostycznych. Tylko w ten sposób można wykorzystać wszystkie możliwości funkcjonalne nowoczesnych czujników.
Jak dotąd było to możliwe tylko przez podłączenie do specjalnego złącza na czujniku czy wyłączniku do komputera klasy PC. Działo się tak ze względu na braki w interfejsie do modułów We/Wy systemów automatyki. Najnowsze nawet systemy sieciowe automatyki nie zapewniały standardowej, dwukierunkowej komunikacji pomiędzy czujnikami a aplikacjami sterowania. W rezultacie czujniki były nastawiane i konfigurowane ręcznie, przed dostarczeniem ich do klienta lub po instalacji, w fazie uruchomieniowej. W takim układzie cała informacja o nastawach czujnika pozostaje w nim oraz w komputerze, za pomocą którego był konfigurowany. Łatwo wyliczyć problemy, jakie wiążą się z tym faktem. W przypadku wymiany czujnika konieczne jest odnalezienie pliku z parametrami nastaw i wgranie go do nowego modułu.
A co z diagnostyką czujnika? Bardzo niewielu techników i serwisantów chce pozostawiać swojego notebooka, który w trakcie prac serwisowych jest podłączony na stałe do czujnika. Dlatego też w większości przypadków ciągły monitoring parametrów był raczej niemożliwy. Z kolei prowadzenie diagnostyki kilku czujników jednocześnie wymagapoprowadzenia dodatkowej linii dla sygnałów We/Wy. Większość użytkowników, co zrozumiałe, nie jest zainteresowana w nadmiernym zwiększaniu ilości okablowania w swoich aplikacjach. A co za tym idzie, diagnostyka pracy czujników nie może być pełna.
Komunikacja dwukierunkowa
Aby zapewnić komunikację nowych, inteligentnych czujników z sieciowymi systemami automatyki, organizacja Profibus zainicjowała działania na rzecz opracowania nowej technologii zwanej IO Link. Zdefiniowano ją jako swego rodzaju ?wartość dodaną? do standardowych binarnych interfejsów wymiany danych, od wielu już lat instalowanych w tego typu czujnikach. Celemtego działania było uzyskanie dodatkowej możliwości dwukierunkowej komunikacji, która pozwala użytkownikowi na zadanie parametrów do czujnika oraz pobranie od niego informacji zwrotnej w postaci sygnałów diagnostycznych.
To znaczny postęp w zakresie obsługi zaawansowanych funkcjonalnie czujników. Dotychczas do realizacji takich czynności konieczne było bezpośrednie połączenie czujnika z komputerem PC (lub innym, dedykowanym narzędziem), z którym następowała wymiana danych. Obecnie komputer stał się zbędny, a komunikacja z czujnikiem następuje poprzez magistralę sieci systemu automatyki.
Dzięki technologii IO Link użytkownik może korzystać z funkcjonalności czujników i elementów wykonawczych, komunikując się z nimi z poziomu sieci sterowania. Ich połączenie z obsługującym je modułem We/Wy realizowane jest w tradycyjny sposób ? połączenie typu point-to-point i nie wymaga stosowania dodatkowych kabli magistralnych czy komunikacyjnych. Podobnie zasilanie czujników realizowane jest przez przewody ? tak jak dotychczas. Zezwolenie na dwukierunkową wymianę danych w magistrali inicjowane jest przez prosty telegram, nakładany na napięciowy sygnał zasilania czujników.
Czujniki korzystające z technologii IO Link mogą być połączone bezpośrednio do sterowników PLC wyposażonych w karty IO Link lub też przyłączone do sieci z magistralą miejscową (fieldbus), poprzez moduły IO Link.
IO Link to mechanizm komunikacji o bardzo niskich kosztach. Jego pomysłodawcy zwracali szczególną uwagę na aspekt ekonomiczny implementacji interfejsu w czujnikach i elementach wykonawczych oraz modułach We/Wy.
Pierwsze elementy z interfejsem IO Link pokazano na targach w Hanowerze w 2006 roku. Dziś posiada je w ofercie wielu europejskich producentów układów automatyki.
Prosta instalacja
Procedury instalacyjne są bardzo uproszczone. Do podłączenia czujnika w standardzie IO Link niezbędny jest bowiem tylko jeden, trójżyłowy przewód nieekranowany. Dzięki temu możliwe jest podpięcie ?starych? czujników i ?nowych? ? pracujących w standardzie IO Link, tym samym kablem 3-żyłowym. Co więcej, na tym samym rodzaju przewodu mogą być podłączane zarówno proste elementy typu załącz / wyłącz, jak i wielofunkcyjne układy sterowania, np. oświetleniem.
Ponieważ kompatybilność czujników z już istniejącymi dotychczas interfejsami nie została zachwiana, możliwe jest tworzenie systemów mieszanych ? z interfejsami tradycyjnymi i nowym IO Link. Czujniki mogą pracować z interfejsem IO Link w trybie master, wykorzystując pełne spektrum swych funkcji lub przekazywać sygnały w trybie cyfrowym, współpracując z klasycznymi układami We/Wy.
Łatwiejsza jest również obsługa sygnałów analogowych, które nie muszą już być łączone poprzez kable ekranowane, ale podobnie jak inne sygnały przez klasyczny, nieekranowany kabel 3-żyłowy. Przyczynia się to do redukcji ilości okablowania, kosztów związanych z jego zakupem oraz znacznie ogranicza liczbę możliwych błędów w czasie łączenia i instalacji. Od kiedy tylko technologia IO Link stała się standardem interfejsu łączeniowego (IEC 60947-5-2), do instalacji i łączenia nie są potrzebne żadne dodatkowe narzędzia.
Komisjonowanie, prace inżynieryjne
Dotychczas,o czym już wspomniano wcześniej, parametryzacja i konfiguracja pracy inteligentnych czujników i elementów wykonawczych dla układów automatyki realizowana była zwykle za pomocą specjalizowanych pakietów programowych producenta. Przy bezpośrednim połączeniu z komputerem klasy PC. Obecnie, przy zastosowaniu interfejsu IO Link, czynności te mogą być prowadzone z centralnej stacji komputerowej lub sterowni, z wykorzystaniem klasycznych, inżynierskich narzędzi programowych, jak np. STEM 7 firmy Siemens. Dzięki temu zapewniona jest powtarzalność i odtwarzalność nastaw elementów automatyki, ponieważ są one cały czas dostępne w głównym komputerze lubbazie danych. Jeżeli dane i nastawy dla jakiegoś czujnika nie są dostępne w komputerze, zawsze można pobrać je z plików GSD lub IODD, dostarczanych przez producenta. Po ich wgraniu możliwe jest oczywiście wprowadzenie własnych nastaw i zmian, zgodnie z potrzebami użytkownika. Za pomocą pakietu STEP 7 zmiany takie mogą być wprowadzane poprzez TCI (narzędzie interfejsowe), z pomocą narzędzia programowego od producenta czujnika. Przy takiej operacji dane mogą być dodatkowo zachowane w plikach formatu zgodnego z formatem producenta.
IO Link wprowadził również znaczne usprawnienia w procesie komisjonowania. Rola inżyniera i integratora systemu sprowadza się praktycznie tylko do sprawdzenia poprawności wykonania połączeń kablowych między elementami układu, a dostępność urządzenia dla sieci wymiany danych może być sprawdzona dzięki odpowiedniemu oprogramowaniu. Jeżeli niektóre z urządzeń w systemie wymagają identycznych nastaw, mogą one być łatwo powielane i wprowadzane. Integratorzy komisjonujący urządzenia sieciowe uzyskują spory stopień swobody i elastyczności w zakresie doboru ich nastaw oraz parametrów w czasie pracy. Wcześniej parametry takie musiały być określone i wprowadzone do modułów przed ich włączeniem do systemu.
Przejrzyste narzędzia diagnostyczne
Wspomniane możliwości bieżącego edytowania nastaw modułów sieciowych pozwalają na optymalizację ich parametrów roboczych w czasie faktycznego funkcjonowania w aplikacji. Dzięki połączeniu sieciowemu z czujnikiem lub elementem wykonawczym w trakcie pracy systemu użytkownik otrzymuje z niego wszystkie informacje o bieżących parametrach roboczych oraz sygnały diagnostyczne. Pozwalają one na analizę i dobór parametrów pracy poszczególnych modułów oraz ich zdalne zadanie z poziomu sterownia układem automatyki, bezpośrednio do pamięci modułów.
Na przykład w przypadku awarii określonej maszyny możliwe jest precyzyjne stwierdzenie, który z czujników jako pierwszy wykrył stan awaryjny, powodujący zatrzymanie sprzętu. Informacje takie są bardzo przydatne dla grup serwisowych, które dzięki nim wiedzą: od czego zacząć naprawę maszyny, jakie elementy należy wymienić, na co zwrócić szczególną uwagę w trakcie prac serwisowych itp. Jeżeli konieczna jest wymiana czujnika, nowy czujnik automatycznie otrzymuje przez sieć odpowiednie parametry pracy, zachowane z konfiguracji jego poprzednika. Funkcja automatycznej konfiguracji czujników i zaawansowane funkcje diagnostyki pracy znacznie ułatwiają ich obsługę oraz przyczyniają się do redukcji czasów przestojów produkcji w przypadku ewentualnych awarii.
Michael Babb
Artykuł pod redakcją dra inż. Andrzeja Ożadowicza
Podstawowe parametry interfejsu IO Link:
- szeregowe połączenie point-to-point;
- interfejs 3/2-przewodowy, zgodnie ze standardem IEC 60947-5-2;
- maksymalna dł. kabla: 20 m; kabel standardowy nieekranowany;
- obciążenie prądowe dla pojedynczego czujnika: 200 mA;
- komunikacja poprzez modulację impulsów 24 V DC ? jak w protokole UART;
- format danych:
- podstawowy: 2 bajty danych wejściowych, 2 bajty danych wyjściowych,
- maksymalny: 32 bajty danych wejściowych i 32 bajty danych wyjściowych,
- czas odpowiedzi:
- podstawowy: 2 ms cykl z rozdzielczością 16 bitów;poziom integracji: 2.
- brak interakcji między danymi diagnostycznymi a sygnałami załącz / wyłącz;
Alternatywnie: praca w trybie załączania / wyłączania:
- sygnały załącz / wyłącz w czasie rzeczywistym,
- przez złącze komunikacyjne ? tylko parametryzacja modułów.
Pierwszy na świecie zakład przemysłowy z technologią IO Link
Fabryka Dunni w niemieckim Bramsche to pierwszy na świecie zakład przemysłowy, który skorzystałz technologii IO Link. Została ona zastosowana na linii pakowania produktów końcowych. Instalacji i uruchomienia systemu dokonał integrator Meurer Verpackungssysteme, specjalizujący się w obsłudze linii pakujących.
Na nowej linii zainstalowano dwanaście fotoelektrycznych czujników zbliżeniowych firmy SICK, które komunikują się ze sterownikiem w sieci Profibus. Wszystkie informacje i sygnały z czujników wyświetlane są na ekranach dotykowych. Jak podkreślają operatorzy, taki rodzaj interfejsu HMI ? w połączeniu z technologią IO Link ? znacznie uprościł sterownie maszynami, zwiększył jego elastyczność, niezawodność i dostępność dla użytkownika końcowego.
Parametry pracy, takie jak np. zasięg skanowania przez czujniki, mogą być wywoływane w trakcie pracy systemu, wysyłane do czujników i w razie potrzeby pokazane na ekranach pulpitów operatorskich. Inżynierowie firmy integratorskiej wyróżniają dwa obszary, gdzie zastosowanie technologii IO Link okazało się najbardziej przydatne. Pierwszy to moment, gdy linia pakowania musi niejako w locie dostosować się do nowego zamówienia i zmiany opakowań produktów. Drugi, związany jest z kwestią utrzymania ruchu, zapobiegania awariom i szybkiego korygowania ewentualnych błędów nastaw.
Dzięki nowoczesnemu systemowi automatyki nie trzeba już za każdym razem, przy zmianie zamówienia, mechanicznie przestawiać czujników i elementów maszyn. Odpowiednie nastawy mogą być zapamiętane i odtwarzane przy powtarzających się zamówieniach. W przypadku pojawienia się jakichś problemów operator może natychmiast je zdiagnozować, przyciskając symbol czujnika na ekranie i odczytując jego parametry lub sygnały alarmowe (wyświetlane w formie graficznej, wykresów kolumnowych itp.). Możliwa jest także weryfikacja stanu wyjść przełączających, poziomu zanieczyszczenia czujnika, ewentualnych zwarć oraz stwierdzenie wszelkich nieprawidłowości ustawień lub niewłaściwej współpracy z innymi czujnikami.
