IO-Link:knelpunten in de industriële automatisering overwinnen

Industrie 4.0 is afhankelijk van automatisering op hoog niveau en realtime, bidirectionele gegevensstromen tussen controllers en veldapparatuur. Slimme sensoren en actuatoren – die nu alomtegenwoordig zijn – hebben aanleiding gegeven tot het IO-Link-protocol, een gestandaardiseerde manier waarop deze apparaten kunnen communiceren binnen industriële automatiseringssystemen.

Historisch gezien werden veldapparatuur parallel aangesloten, een opstelling die inflexibel, kostbaar en moeilijk schaalbaar was. Veldbustechnologieën verbeterden de situatie, maar vereisten nog steeds afscherming en boden lage signaalniveaus. IO-Link elimineert deze pijnpunten door een eenvoudige, schildloze, point-to-point interface te bieden die naadloos integreert met bestaande veldbusnetwerken.

Volgens Future Market Insights zal de mondiale IO-Link-markt naar verwachting groeien van 48,3 miljard dollar in 2022 naar 73,1 miljard dollar in 2032, wat neerkomt op een samengesteld jaarlijks groeipercentage van 26%.

Wat is IO‑Link?

IO-Link, gelanceerd in 2006 door het IO-Link Consortium, is een internationale IEC-61131-9-standaard voor I/O-communicatie in industriële omgevingen. De belangrijkste kenmerken zijn:

• Bidirectionele, digitale point-to-point-communicatie, vaak een single-drop communication interface (SDCI) genoemd.
• Veldbusneutraliteit:een IO-Link-master kan bovenop Profibus, Profinet, Devicenet, Ethernet/IP, EtherCAT, CC-Link of CC-LinkIE worden geplaatst, waardoor architecten de vrijheid hebben om de beste backbone voor hun installatie te kiezen.
• Standaard niet-afgeschermde kabels (drie-, vier- of vijfdraads) met een lengte tot 20 meter, gevoed op 24 V, die schakel- of gecodeerde signalen transporteren.
• Elk apparaat wordt geïdentificeerd door een unieke IO-Device Beschrijving (IODD), waarin het communicatieprofiel en configureerbare parameters worden opgeslagen.
• Ondersteunde baudsnelheden van 4,8, 38,4 en 230,4 kbaud.

Figuur 1:Typische 3-pins IO-Link-pinconfiguratie (Bron:Sonu Daryanani).

• Periodieke of gebeurtenisgestuurde gegevens, inclusief proceswaarden en statusvlaggen, kunnen op elk moment door de master worden opgevraagd.

Voordelen van IO‑Link

Om de voordelen ervan te illustreren, kunnen we twee toepassingen uit de praktijk overwegen:een hydraulisch cilindersysteem en een verpakkingslijn.

1. Hydraulische cilinderbediening

Figuur 2:Hydraulische cilinderbediening via IO-Link (Bron:BalluffInc.). IO-Link maakt nauwkeurige meting en regeling van temperatuur, flow en andere analoge signalen mogelijk via de configureerbare analoge converters van Balluff. Deze apparaten vertalen RTD's, thermokoppels en andere analoge ingangen naar digitale waarden en bieden tegelijkertijd diagnostiek voor kortsluiting, temperatuurschommelingen en draadbreuken.

Analoge data zijn normaal gesproken goed voor ongeveer 10% van het totale verkeer en daarvoor waren traditioneel afgeschermde kabels en dure meerkanaalsmodules nodig. Met de ruis-immuun, point-to-point bedrading van IO-Link volstaan eenvoudige, niet-afgeschermde kabels, waardoor zowel de bedradings- als de inbedrijfstellingskosten worden verlaagd.

“IO-Link levert kostenbesparingen op door vereenvoudigde bedrading, snelle downloads van parameters en een uniforme interface die voor alle leveranciers werkt”, zegt Shishir Rege, automatiseringsspecialist bij Balluff.

Veiligheidsvoorzieningen, zoals vergrendelingen en schakelaars, kunnen ook worden geïntegreerd, zoals weergegeven in Figuur 3.

Afbeelding 3:Integratie van veiligheidssensoren via IO‑Link (Bron:BalluffInc.).

2. Verpakkingsautomatisering

Verpakkingslijnen vereisen snelle omstellingen, positionering met hoge resolutie en robuuste diagnostiek. De IO-Link-sensoren van Sensata Technologies, waaronder absolute encoders (AHx5, THx5), incrementele encoders (DHx5) en Hall-effect positiesensoren (ACW4, TCW4), bieden plug-and-play-configuratie en realtime monitoring.

Figuur 4:Schema voor verpakkingsautomatisering met IO-Link (bron:SensataTechnologiesInc.).

Figuur 5:THM5 multi-turn encoder (Bron:SensataTechnologiesInc.).

“De plug-and-play-mogelijkheden van IO-Link, gecombineerd met snelle diagnostiek en een cyclustijd van 1 ms bij 230,4 kbaud, verminderen de downtime dramatisch en verbeteren de flexibiliteit”, zegt Jean-Marc Hubsch, engineering manager voor encoders bij Sensata.

IO-Link systeemuitbreidingen

IO‑Link Draadloos

IO-Link Wireless weerspiegelt het bekabelde protocol, maar werkt in de 2,4 GHz-band, ideaal voor mobiele of niet-stationaire veldapparatuur. Een master kan maximaal vijf kanalen hosten, die elk acht apparaten ondersteunen, waardoor 40 apparaten per master en 120 apparaten per cel mogelijk zijn in een omgeving met hoge EMI.

IO-Link-veiligheid

IO-Link Safety breidt het protocol uit met functionele veiligheidscommunicatie (FS). Apparaten met veiligheidsfunctie (uitgangsschakelaarsensoren, OSSD) kunnen worden aangesloten via redundante signalen, waarbij gebruik wordt gemaakt van pin 2 in de standaard 3-pins configuratie, wat gecertificeerde veiligheidsfunctionaliteit oplevert.

Conclusie

IO-Link levert één enkele, gestandaardiseerde interface die slimme sensoren van meerdere fabrikanten verenigt, waardoor configuratie en diagnostiek op afstand in realtime mogelijk wordt. Door afschermingsvereisten te elimineren, de complexiteit van de bedrading te verminderen en toekomstige uitbreidingen zoals draadloos en veiligheid te ondersteunen, versnelt IO-Link de adoptie van Industrie 4.0 in diverse sectoren.

Trefwoorden:5G-antenneontwerp, 5G versus glasvezel, ADC-resolutie, analoog computergebruik, analoge modulatie, analoog-naar-digitaal-converters, audio versus digitale interfaces, automatisering, ontwerp voor productie, GAN op SiC, Halo Wi-Fi, industrieel, Industrie 4.0, SiC-doping, SiC versus GAN, siliciumcarbide-sponzen.