Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
Premik na Industrijo 4.0 ali industrijski internet stvari (IIoT) se nadaljuje z namenom, da bi zagotovili večjo učinkovitost, varnost, produktivnost in nižje splošne stroške. Ključen element teh prizadevanj je povezljivost naprav.
To lahko predstavlja velik izziv, saj je potrebno izbrati primeren komunikacijski standard in zasnovo sorodnih vmesnikov in povezane programske opreme, vse to pa lahko upočasni uvajanje pametnih tovarn.
Načrtovalci sistemov za industrijsko avtomatizacijo potrebujejo standarden, zanesljiv, učinkovit in bolj modularen pristop, ki bo omogočal hitrejše in stroškovno učinkovito uvajanje.
S tem namenom se lahko obrnejo na IO-Link, ki je preverjen vmesnik za uporabo v pametnih tovarnah. IO-Link je dvosmeren, enožični digitalen komunikacijski vmesnik od točke do točke (SDCI), ki ga ureja več standardov, med drugim IEC 61131-2, IEC 61131-9 (SDCI), in IO-Link 1.1.3.
Ta članek na kratko opiše premik na pametne tovarne in izzive, ki jih predstavlja za načrtovalce. Nato predstavi pregled delovanja IO-Link in kako ta poenostavi uvajanje pametnih tovarn. Predstavi primere naprav IO-Link družbe Analog Devices, vključno s podrejeno napravo, ki jo je mogoče uporabiti za zamenjavo pnevmatičnih aktuatorjev in zagotoviti večjo zmogljivost, podrejene naprave z vgrajenim pretvornikom DC-DC in nadrejeno napravo. Vključeni so referenčni načrti za hitro realizacijo industrijskih aktuatorjev z IO-Link.
Poenostavljanje premika na pametne tovarne
S premikom na pametne tovarne se je povečala potreba po enostavnem načinu za dodajanje inteligence na robu za usposabljanje za zagon, spremljanje in ponovno konfiguriranje senzorjev in aktuatorjev. Ta potreba je še večja zaradi vedno prisotnega pomanjkanja proizvodnih inženirjev in tehnikov. Preprosta namestitev vmesnika IO-Link in njegova zmožnosti dvosmerne komunikacije podpirata uvajanje robne inteligence. V enem primeru so vmesniku IO-Link pripisali 90-odstotno skrajšanje časa za nastavitev in usposabljanje za zagon (1).
V praksi je parametrske nastavitve mogoče prenesti prek IO-Link vmesnika za nastavitev ali ponovno konfiguracijo naprav. S tem odpravite potrebo po posredovanju tehnika in skrajšate čas nedelovanja. Zmožnost pametne diagnostike, zaznavanja napak in beleženja podatkov vmesnika IO-Link je mogoče uporabiti za zbiranje operativnih podatkov v realnem času v obratu, kar še nadalje skrajša čas nedelovanja.
Arhitektura IO-Link omrežja obsega povezave od točke do točke med nadrejeno IO-Link napravo in drugimi različnimi IO-Link napravami. Uporaba standardnih M8 ali M12 konektorjev in 20-metrskega (m) 3- ali 4-žičnega kabla poenostavi vgradnjo omrežja. Nadrejene IO-Link naprave imajo običajno 4 ali 8 vrat, od katerih so vsaka povezana z IO-Link napravo. Vsaka vrata lahko delujejo v standardnem vhodno/izhodnem (SIO) načinu ali dvosmernem komunikacijskem načinu. Ker ima arhitekturo od točke do točke IO-Link ni področno vodilo, ampak je združljiv za uporabo s področnimi vodili in industrijskim Ethernetom in ga je mogoče povezati s programabilnimi logičnimi krmilniki (PLC-ji) in vmesniki človek-stroj (HMI-ji) (slika 1).
Poleg delovanja v načinu SDCI mode IO-Link omogoča vzvratno združljivost s standardom IEC 60974-5-2 za binarne senzorje. Osnovna komunikacija od točke do točke uporablja 3-žični vmesnik (L+, C/Q in L-). V IO-Link načinu je komunikacija med nadrejeno in podrejenimi napravami dvosmerna s tremi možnimi hitrostmi prenosa; COM1 je 4,8 kilobitov na sekundo (kb/s), COM2 je 38,4 kb/s, COM3 pa 230,4 kb/s. (Slika 2). Nadrejena IO-Link naprava mora podpirati vse tri hitrosti podatkov, da lahko komunicira z vsemi povezanimi podrejenimi napravami. Podrejene naprave podpirajo samo eno hitrost podatkov. Komunikacija se odvija s 24-voltnimi pulzi s šifriranjem NRZ (nonreturn-to-zero) v liniji C/Q. V načinu IO-Link je pin 2 lahko v načini digitalnega vhoda (DI), digitalnega izhoda (DO) ali ni priključen. Naprava IO-Link (senzor ali aktuator) mora delovati v roku 300 milisekund (ms) po tem, ko L+ prekorači 18-voltni prag.
Opis IO-Link naprave
Vsi senzorji in IO-Link aktuatorji imajo datoteko z opisom IO-Link naprave (IODD) (slika 3). IODD je datoteka xml in nadrejeni napravi IO-Link zagotavlja podatke, ki jih potrebuje za identificiranje in konfiguriranje naprave in interpretiranje podatkov iz naprave.
Vsebina IODD vsebuje:
- lastnosti, potrebne za podporo komunikacije,
- parametre naprav,
- informacije za identifikacijo,
- informacije o procesu in za diagnostiko,
- sliko naprave in proizvajalčev logotip.
- Struktura IODD je orisana ločeno od IEC 61131-9
- Centralizirano baza podatkov za datoteke IODD vzdržuje konzorcij IO-Link Consortium
Podatkovna povezava in vrste podatkov
Izmenjevanje sporočil med nadrejeno IO-Link napravo in drugimi napravami upravlja sloj podatkovne povezave (DL). Sporočila so okviri, ki so dolgi od 1 in 66 besed univerzalnega asinhronega sprejemnika oddajnika (UART) in se imenujejo »zaporedja M«. Sporočila se lahko navezujejo na podatke na zahtevo, zahteve upravljanja sistema in ukaze ter redne procesne podatke. Nadrejena naprava vključuje opravilnik DL, ki obravnava napake, upravlja načine delovanja (med drugim zbujanje, SIO, stopnje COM) in obravnava sporočila o napakah. Ko nadrejena naprava pošlje zahtevo, se morajo naprave odzvati.
Komunikacija IO-Link je lahko sinhrona ali asinhrona. Nadrejene IO-Link naprave in druge naprave vsebujejo opravilnike procesnih podatkov za sinhrono komunikacijo in program za obravnavo na zahtevo za asinhrono sporočanje podatkov o dogodkih, nadzoru, parametrih in podatkovni enoti indeksne storitve (ISDU). Asinhroni podatki so na zahtevo in lahko vsebujejo naslednje:
- Informacije in nadzor konfiguracij ali vzdrževanja. Nadrejena naprava lahko drugim napravam ukaže, da posodobijo svojo konfiguracijo tik pred izklopom ali v naslednjem ciklu vklopa.
- Sprožen dogodek, s tremi stopnjami nujnosti:
- Napake
- Opozorila
- Obvestila
- Podatke o straneh za neposredno branje parametrov naprave
- Servisni podatki za velike strukture podatkov
Integracija IO-Link vmesnika v nadrejene naprave in druge naprave je lahko zapletena. Treba je v celoti uvesti standarde, da se zagotovi medsebojno delovanje med napravami in zanesljivo delovanje omrežja. Za hitro integracijo učinkovite in zanesljive IO-Link komunikacije v aktuatorje pametnih tovarn lahko načrtovalci uporabijo vnaprej pripravljene inženirske rešitve za nadrejene in druge naprave. Integrirana vezja krmilnika IO-Link naprave imajo gonilnika z izjemno nizko porabo energije z aktivno zaščito pred zamenjavo polarnosti in so na voljo z in brez integriranega pretvornika DC-DC. Imajo tudi serijski periferni vmesnik (SPI), ki podpira obsežno diagnostiko. Dvokanalna, integriran vezja oddajnika-sprejemnika nadrejene IO-Link naprave podpirajo delovanje z nizko porabo in poenostavijo izbiro mikrokontrolerjev (MCU) z vključitvijo opravilnika okvirjev z UART in zmožnostjo prvi noter, prvi ven (FIFO).
Zamenjava pnevmatskih aktuatorjev z IO-Link
IO-Link omogoča preprost način za spremembo tradicionalnih pristopov do nadzora procesov in izboljšanja tovarniških operacij tako, da zamenja pnevmatske aktuatorje s servopogoni in zapletenimi digitalnimi kontrolniki. Načrtovalci lahko na primer uporabijo referenčno zasnovo servopogona IO-Link MAXREFDES37# za pospešitev časa, potrebnega do prodaje na trgu. Ta referenčna zasnova zagotavlja 5-voltno napajanje in vključuje štiri izhode za modulacijo širine impulzov (PWM) ter štiri digitalne vhode za nadziranje največ štirih 5-voltnih servomotorjev.
Plošča vključuje konektor M12-4 za priključitev z nadrejeno IO-Link napravo. 3-pinske glave podpirajo hitro priključitev na standardne 5-voltne servomotorje. Osnovna referenčna zasnova vključuje servomotor, dodatne motorje pa je mogoče kupiti in integrirati v proces načrtovanja (slika 4). Priključitev na 5-voltne digitalne vhode, ozemljitev in štiri kanale PWM se izvede s potisnimi priključnimi polji. Vključen je sklad naprav IO-Link skupine Technologie Management Gruppe Technologie und Engineering (TMG TE). MAXREFDES37# je mogoče uporabiti v kombinaciji z dvokanalno nadrejeno IO-Link napravo MAXREFDES277 v dimenziji Pmod, ki vključuje program z grafičnim uporabniškim vmesnikom (GUI) za enostavno preverjanje z osebnim računalnikom s sistemom Windows.
MAXREFDES37# vključuje integrirano vezje oddajnika-sprejemnika IO-Link MAX14821ETG+T in integrirano vezje enosmerni tok-enosmerni tok (DC-DC) MAX17504ATP+T z regulatorjem za zmanjševanje napetosti. Sprejemnik-oddajnik MAX14821ETG+T je mogoče uporabiti z IO-Link napravami in 24-voltnimi binarnimi senzorji in aktuatorji. Podprte so vse določene hitrosti IO-Link podatkov, pogoni C/Q in DO pa lahko priskrbijo ali spustijo do 100 milliamperov (mA). Sprejemnik-oddajnik izvaja protokol plasti DL za komuniciranje z mikrokontrolersko enoto (MCU). Dva interna linearna regulatorja zagotavljata 5 in 3,3 voltov enosmernega toka (Vdc) za napajanje senzorjev in aktuatorjev, vključeni pa so tudi 24-voltni digitalni vhodi in izhodi. Integrirane gonilnike DO in C/Q je mogoče samostojno konfigurirati za delovanje potisni-povleci, na nizki strani (NPN) ali visoki strani (PNP). Sprejemnik-oddajnik je mogoče konfigurirati in spremljati prek SPI.
Sinhrono usmerjen DC-DC pretvornik navzdol na plošči MAX17504, deluje v vhodnem območju 4,5 do 60 Vdc. Ima območje izhodne napetosti od 0,9 voltov do 90 % vhodne napetosti in zagotavlja do 3,5 amperov (A). Natančnost reguliranja je ±1,1 % na območju od –40 do +125 stopinj Celzija (°C). Ima konično učinkovitost > 90 % in izklopni tok 2,8 mikroampera (μA).
Sprejemnik-oddajnik za nadrejeno in druge naprave z vgrajenim DC-DC pretvornikom
Za načrtovalce nadrejenih in drugih IO-Link naprav obstaja MAX22514. Zaradi visoke stopnje integracije, vključno z DC-DC regulatorjem za zmanjševanje napetosti (buck), dva linearna regulatorja in integrirana prenapetostna zaščita ter nizka izguba moči in izbira WLP ohišja (wafer level package) (2,5 milimetra (mm) x 2,6 mm) ali TQFN ohišja (thin quad flat pack) (4 mm x 5 mm) je ta sprejemnik-oddajnik primeren za industrijsko uporabo IO-Link z omejenim prostorom (slika 5).
Številka dela MAX22514AWA+ je naprimer WLP. SPI podpira možnost konfiguriranja in diagnostiko, MAX22514 pa podpira hitrosti podatkov COM1, COM2 in COM3.
Če želijo skrajšati čas razvoja, lahko načrtovalci uporabijo referenčne zasnove, kot je MAXREFDES278#. To je referenčna zasnova 8-kanalnega elektromagnetnega aktuatorja na osnovi IO-Link sprejemnika-oddajnika MAX22514, ki prikazuje 1-amperski oktalni integriran serijsko nadzorovan elektromagnetni gonilnik MAX22200 z integriranimi FET-i. Referenčna zasnova vključuje integriran DC-DC regulator za zmanjševanje napetosti (buck). Vključena je s sistemom Windows združljiva programska oprema z grafičnim uporabniškim vmesnikom (GUI) za raziskovanje funkcij MAX22514. Kabel z vtičema USB-A in micro-B se uporablja za povezovanje razvojne plošče z osebnim računalnikom.
Dvokanalna nadrejena naprava
Kadar je potrebna dvokanalna nadrejena IO-Link naprava, lahko načrtovalci uporabijo sprejemnik-oddajnik MAX14819ATM+, ki vključuje dva pomožna digitalna vhodna kanala. Integrirano orodje »framer« IO-Link odpravi potrebo po zunanjih UART-ih, integrirani časovnik ciklov pa razbremeni MCU, saj enoti ni treba obravnavati časovno omejenih opravil. Ta sprejemnik-oddajnik je mogoče uporabiti v kombinaciji z digitalnima izolatorjema MAX14931FAWE+ in MAX12930EASA+T. MAX14931FAWE+ ima štiri kanale za prenašanje digitalnih signalov v eno smer. MAX12930EASA+T ima dva kanala za prenos podatkov. Razvojni kompletMAX14819EVKIT# je na voljo za MAX14819A in vključuje digitalna izolatorja MAX14931 in MAX12930 (slika 6).
Zaključek
Da bo mogoče izkoristiti prednosti industrijskega interneta stvari (IIoT) in Industrije 4.0, je treba senzorje in pretvornike uvesti hitro in stroškovno učinkovito. S tem namenom IO-Link načrtovalcem sistemov industrijske avtomatizacije ponuja standarden, zanesljiv, učinkovit in modularen pristop. Kot je bilo razloženo, lahko načrtovalci s standardno dostopnimi komponentami uporabijo IO-Link in tako dodajo inteligenco na robu za usposabljanje za zagon, spremljanje in ponovno konfiguriranje senzorjev in aktuatorjev ter izboljšajo učinkovitost in varnost v tovarni z oddaljeno diagnostiko, ki omogoča preventivno vzdrževanje.
Priporočeno branje
Kako zasnovati modularno prekrivno omrežje za optimizacijo obdelave podatkov v okviru Industrije 4.0 v industrijskem internetu stvari
Vir:
1: Družba Maxim Integrated je družbi OMRON omogočila razširitev njene linije izdelkov IO-Link serije NXR z rešitvami vhodnih/izhodnih zvezdišč za Industrijo 4.0
