כיצד להפוך מפעילי (Actuators) מפעל חכם לפרודוקטיביים יותר על ידי שימוש ב-IO-Link‏

המעבר ל-Industry 4.0‏, או האינטרנט-של-דברים התעשייתי (IIoT‏), ממשיך על מנת להשיג יעילות, בטיחות ופרודוקטיביות גבוהות יותר ועלות כוללת נמוכה יותר. ‏אלמנט קריטי של מאמץ זה הוא חיבוריות התקן. זה יכול להיות מאתגר כי הוא דורש את הבחירה של תקן‏ תקשורת מתאים ואת התכנון של ממשקים קשורים ותוכנה נלווית, וכל זה יכול להאיט פריסה במפעל-חכם.

מתכננים של מערכות עבור אוטומציה תעשייתית צריכים גישה סטנדרטית מודולרית יותר, יעילה ואמינה‏, כדי לסייע לפריסות מהירות ומשתלמות.

כדי לענות על צרכים אלו, הם יכולים לפנות אל IO-Link‏, ‏ממשק מוכח עבור שימוש במפעלים חכמים. IO-Link‏ הוא ממשק Single-drop Digital Communication Interface‏ (SDCI‏), מנקודה-לנקודה, דו-כיווני‏, המפוקח על ידי מספר תקנים, כולל IEC 61131-2,‏ IEC 61131-9‏ (SDCI) ו-IO-Link 1.1.3.

מאמר זה דן בקצרה במעבר למפעלים חכמים והאתגרים שזה מציב למתכננים. אחר כך מספק‏ סקירה של פעולת IO-Link‏ וכיצד הוא מפשט פריסות מפעל-חכם. המאמר מציג דוגמאות של התקני IO-Link‏ מבית Analog Devices‏, כולל התקן ‏Slave‏ היכול לשמש להחלפת מפעילים (Actuators‏) פנאומטיים ולספק ביצועים משופרים, התקן Slave עם ממיר DC/DC‏ משולב והתקן Master. כלולים תכני ייחוס כדי לממש במהירות מפעילים (Actuators‏) תעשייתיים עם IO-Link‏.

פישוט המעבר למפעלים חכמים

המעבר למפעלים חכמים מגדיל את הצורך להוסיף אינטליגנציה בקצה בדרך פשוטה עבור הכנסה לשירות, ניטור והגדרת-תצורה-מחדש של חיישנים ומפעילים (Actuator). התקנה פשוטה ותקשורת דו-כיוונית של IO-Link תומכות בפריסה של אינטליגנציה בקצה. במקרה אחד, IO-Link‏ זקף לזכותו קיצור זמני הקמה והכנסה לשירות ב-‏90 אחוז.‏

באופן מעשי, ניתן להוריד הגדרות פרמטרים דרך IO-Link‏ כדי להקים או להגדיר-תצורה-מחדש של התקנים. זה מונע את הצורך בהתערבות טכנאי ומקצר זמן דמימה. יכולות הדיאגנוסטיקה החכמה, גילוי-השגיאות ורישום הנתונים של IO-Link‏ ניתנות לשימוש כדי לאסוף מידע תפעולי בזמן-אמת לרוחב רצפת המפעל, דבר המוסיף ומקצר זמן דמימה.

הארכיטקטורה של מערכת IO-Link‏ מורכבת מחיבורים נקודה-לנקודה בין IO-Link ה-Master‏ והתקני IO-Link‏ שונים. השימוש במחברי M8‏ או M12 סטנדרטיים‏ וכבל באורך ‏20‏ מטר (m) של 3 או 4 חוטים מפשט התקנת מערכת. התקני IO-Link Master‏ בדרך כלל הם בעלי 4 או 8 נקודות חיבור, כל אחת מחוברת להתקן IO-Link‏. כל נקודת חיבור יכולה לפעול באופן פעולה של כניסה/יציאה סטנדרטית (SIO) או באופן פעולה של תקשורת דו-כיוונית. מאחר והארכיטקטורה שלו היא מנקודה-לנקודה, IO-Link‏ אינו אפיק שדה, אלא הוא מתאים לשימוש עם אפיקי שדה ו-Ethernet תעשייתי ויכול להתחבר לבקרים לוגיים ניתנים לתכנות (PLCs) ולממשקי אדם-מכונה (HMIs) (איור 1‏).

איור 1‏: IO-Link‏ תואם עם אפיקי שדה ורשתות IEEE‏ Ethernet תעשייתי. (מקור תמונה: קהילת IO-Link‏)

בנוסף לעבודתו במצב SDCI, ‏IO-Link‏ מספק תאימות לאחור עם תקן ה-IEC 60974-5-2 עבור חיישנים בינריים. תקשורת נקודה-לנקודה בסיסית משתמשת בממשק 3-חוטים (+L,‏ C/Q ו--L). במצב IO-Link, תקשורת בין התקני Master‏ ו-Slave היא דו-כיוונית עם שלושה קצבי תמסורת אפשריים; COM1 היא 4.8 קילו-ביט לשנייה (kbps‏), COM2 היא ‎38.4 kbps ו-COM3‏ היא ‎230.4 kbps‏ (איור 2‏). על ה-IO-Link Master‏ לתמוך בכל שלושת קצבי הנתונים כך שהוא יכול לתקשר עם כל התקן Slave‏ מחובר. התקני Slave תומכים בקצב נתונים אחד בלבד. התקשורת היא באמצעות פולסים של 24-וולט‏ תוך שימוש בקידוד nonreturn-to-zero‏ (NRZ) על קו ה-C/Q. במצב IO-Link‏, פין 2 יכול להיות במצב כניסה דיגיטלית (DI), מצב יציאה דיגיטלית (DO) או לא מחובר. התקן ה-IO-Link‏ (חיישן או מפעיל (Actuator)) חייב לפעול תוך 300 מילי-שניות (ms‏) אחרי ש-+Lעולה מעל סף של 18-וולט.

איור 2‏: תקשורת IO-Link‏ היא דו-כיוונית ויכולה לתמוך ב-4.8, 38.4 ו-230.4‎ kbps‏. (מקור תמונה: )

תאור התקן IO-Link

לכל חיישני ומפעילי (Actuators‏) IO-Link‏ יש קובץ תאור התקן IO-Link ‏(IODD‏) (איור 3‏). ה-IODD‏ הוא קובץ‏ xml‏ המספק ל-IO-Link Master‏ את הנתונים שהוא צריך לזיהוי והגדרת תצורה של ההתקן ולפענח את הנתונים שלו.

• תכולת ה-IODD‏ כוללת
  • מאפיינים נחוצים כדי לתמוך בתקשורת
  • פרמטרים של ההתקן
  • מידע זיהוי
  • מידע של תהליכים ודיאגנוסטיקה
  • תמונה של ההתקן ולוגו של היצרן
• המבנה של ה-IODD‏ רשום בנפרד מ-IEC 61131-9‏
• ‏בסיס נתונים מרכזי עבור קבצי IODD‏ מוחזק על ידי ה-IO-Link Consortium

איור 3: ה-IODD‏ הוא קובץ xml הכולל את המידע הנחוץ ל-IO-Link Master כדי לזהות, להגדיר-תצורה ולתקשר עם כל התקן Slave‏.‏ (מקור תמונה: Analog Devices)

Data link וסוגי נתונים

חילופי מסרים (Messages‏) בין ה-IO-Link Master והתקנים מנוהלים על ידי שכבת ה-data link ‏(DL). מסרים הם מסגרות שהן באורך בין 1 ל-66 מילות משדר מקלט אסינכרוני אוניברסלי (UART) ונקראות ‘M sequences’. מסרים יכולים להתיחס לנתונים על פי בקשה, בקשות ופקודות ניהול מערכת ונתוני תהליכים סדירים. ה-Master‏ כולל מטפל (handler)‏ DL המטפל בשגיאות ומסרי שגיאה ומנהל בין השאר אופני פעולה כמו יקיצה, SIO וקצבי COM‏. כשה-Master‏ שולח בקשה, התקנים נדרשים להגיב.

תקשורת IO-Link‏ יכולה להיות סינכרונית או אסינכרונית. IO-Link Masters‏ והתקנים כוללים מטפלים (handlers) של נתוני תהליכים עבור תקשורת סינכרונית, ומטפל ‏על פי בקשה עבור תקשורת אסינכרונית של אירוע, בקרה, פרמטר, ונתוני יחידת נתונים שירות אינדקס (ISDU). נתונים אסינכרוניים הם על פי בקשה ויכולים להכיל:

• תצורה או מידע על תחזוקה ובקרה
• מעורר-מאורע, עם שלוש רמות דחיפות:
  • שגיאות
  • אזהרות
  • הודעות
• נתוני עמוד כדי לקרוא ישירות פרמטרים של התקן
• נתוני שירות עבור מבנים של נתונים רבים

אינטגרציה של IO-Link‏ לתוך Masters‏ והתקנים יכולה להיות מורכבת. דרוש ליישם במלואם את התקנים כדי להבטיח תפעוליות-בינית (Interoperability) של התקן ופעולת מערכת אמינה. כדי לשלב במהירות תקשורת IO-Link יעילה ואמינה‏ לתוך מפעילים (Actuators‏) של מפעל חכם, מתכננים יכולים להשתמש בפתרונות מתוכננים מראש עבור Masters‏ והתקנים. למעגלים-משולבים (ICs‏) בקר התקן IO-Link‏ יש מנהלי-התקן בעלי הספק אולטרה-נמוך עם הגנת קוטביות-הפוכה אקטיבית וזמינים עם וללא ממיר DC/DC משולב. הם גם בעלי ממשק היקפי טורי (SPI) התומך בדיאגנוסטיקה נרחבת. מעגלים-משולבים (ICs) מקמ"ש IO-Link Master שני ערוצים תומכים בעבודה בהספק-נמוך ומפשטים בחירת מיקרו-בקר (MCU) על ידי הכללת מטפלי מסגרת (Frame‏) עם UART‏ ויכולות נכנס-ראשון, יוצא-ראשון (FIFO‏).

החלפת מפעילים (Actuators‏) פנאומטיים ב-IO-Link‏

IO-Link‏ מציע‏ דרך פשוטה לשבור גישות מסורתיות לבקרת תהליכים ולשפר תפעול מפעל על ידי החלפת מפעילים (Actuators‏) פנאומטיים בדוחפי סרוו ובקרות דיגיטליות מתוחכמות. לדוגמה, מתכננים יכולים להשתמש בתכן הייחוס דוחף סרוו MAXREFDES37# IO-Link‏‏ כדי להאיץ זמן יציאה לשוק (איור 4‏). תכן ייחוס זה מספק מתח של ‏5‏-וולט‏ וכולל ארבע יציאות אפנון רוחב פולס (PWM), ועוד ארבע כניסות דיגיטליות לבקרה של עד ארבעה מנועי סרוו.

הלוח כולל מחבר M12-4 עבור חיבור ל-IO-Link Master. פס-הפינים של 3 פינים תומך בחיבור מהיר למנועי סרוו 5 וולט סטנדרטיים, כשאחד מהם כלול עם תכן הייחוס הבסיסי. חיבור לכניסות דיגיטליות של ‏5‏-וולט,‏ הארקה חשמלית ולכל ארבעת ערוצי PWM נעשה תוך שימוש בבלוקים של הדקים לחוט-נתקע. כלולה מחסנית התקן IO-Link של Technologie Management Gruppe Technologie und Engineering‏ (TMG TE). ניתן להשתמש ב-MAXREFDES37# בשילוב עם ה-IO-Link Master שני-ערוצים MAXREFDES277 בגורם צורה Pmod‏ הכולל תוכנית‏ ממשק משתמש גרפי (GUI), עבור אימות קל תוך שימוש במחשב אישי (PC) ‏Windows‏.

איור 4‏: ל-MAXREFDES37# יש מחבר M12‏ (שמאל) עבור חיבור ל-‏IO-Link Master,‏ ובא עם מנוע סרוו (ימין). (מקור תמונה: Analog Devices)

ה-MAXREFDES37# כולל את המעגל-המשולב מקמ"ש MAX14821ETG+T IO-Link ואת המעגל-המשולב מייצב buck ‏DC/DC ‏MAX17504ATP+T. מקמ"ש ה-MAX14821ETG+T ניתן לשימוש עם התקני IO-Link‏ וחיישנים או מפעילים בינריים 24-וולט.‏ כל קצבי הנתונים IO-Link ‏המצוינים נתמכים, ודוחפי ה-C/Q וה-DO יכולים להיות מקור או קולט זרם של עד 100 מיליאמפר (mA‏‏). המקמ"ש מריץ את פרוטוקול שכבת DL עבור התממשקות עם יחידת מיקרו-בקר (MCU). שני מייצבים ליניאריים פנימיים מספקים ‏5‏- ו-3.3-וולט של זרם-ישר (VDC‏) להזנת חיישנים ומפעילים (Actuators‏), כמו כן כלולות כניסות ויציאות דיגיטליות של 24-וולט. דוחפי DO ו-C/Q משולבים ניתנים להגדרת-תצורה באופן עצמאי עבור עבודת Push-Pull‏, צד-נמוך (NPN) או צד-גבוה (PNP). המקמ"ש ניתן להגדרת-תצורה ולניטור דרך SPI.

ממיר ה-DC/DC‏ מוריד-המתח המיושר סינכרונית MAX17504 שעל הלוח עובד בתחום כניסה של 4.5 עד ‎60 VDC. הוא בעל‏ תחום מתחי יציאה מ-0.9 וולט עד %‏90‏ של מתח הכניסה ומספק עד 3.5‏ אמפר (A‏). דיוק הייצוב הוא ±1.1% מ-40- עד 125+ מעלות צלזיוס (C°). יש ‏לו נצילות שיא >%‏90‏ וזרם‏ כיבוי של 2.8‏ מיקרו-אמפר (μA‏).

מקמ"ש עבור Master‏ או התקנים עם DC/DC משולב‏

עבור מתכננים של IO-Link Masters‏ והתקנים, ישנו ה-MAX22514. רמה גבוהה של אינטגרציה—כולל מייצב‏ DC/DC Buck, שני מייצבים ליניאריים והגנת נחשול משולבת—כמו גם פיזור הספק נמוך ומבחר מארזים ברמת פרוסת סיליקון (WLP‏) (2.5‏ מילימטר (mm)‏ x‏ 2.6 מ"מ) או מארז שטוח‏ מרובע (TQFN) ‏(4 מ"מ × 5 מ"מ), הופכת מקמ"ש זה למתאים היטב עבור יישומי IO-Link‏ תעשייתי מוגבלי-מקום (איור 5‏).

לדוגמה, מק"ט +MAX22514AWA הוא ב-WLP‏. ה-SPI שלו תומך ביכולת הגדרת-תצורה ודיאגנוסטיקה, וגם תומך בקצבי נתונים COM1,‏ COM2 ו- COM3‏.

איור 5‏: מקמ"ש ה-MAX22514 הוא משולב ברמה גבוהה ומתאים לשימוש ב-IO-Link Masters‏ ובהתקנים. (מקור תמונה: Analog Devices)

כדי לצמצם זמן פיתוח, מתכננים יכולים להשתמש בתכני ייחוס כגון ה-MAXREFDES278#. זהו תכן ייחוס מפעיל (Actuator) ‏סולנואיד 8-ערוצים המבוסס על מקמ"ש ה-MAX22514 IO-Link‏ המדגים את ה-MAX22200,‏ דוחף‏ סולנואיד‏ מבוקר-טורית, משולב, מתומן, 1‎ A, עם טרנזיסטורי תוצא שדה (FETs) משולבים. תכן הייחוס כולל‏ מייצב DC/DC Buck משולב. כלולה תוכנה תואמת Windows‏ המספקת ממשק משתמש גרפי (GUI) עבור חקירת המאפיינים של ה-MAX22514. משתמשים בכבל USB-A‏ ל-Micro-B כדי לחבר את לוח ההערכה למחשב אישי (PC).

Master‏ שני-ערוצים

כשיש צורך ב-IO-Link Master‏ שני-ערוצים, מתכננים יכולים לפנות אל מקמ"ש ה-+MAX14819ATM, שכולל שני ערוצי עזר כניסה דיגיטליים. ממסגר (framer)‏ IO-Link‏ משולב מונע את הצורך בהתקני UART‏ חיצוניים, וקוצב-זמן המחזור המשולב משחרר את ה-MCU מהצורך לטפל במשימות קריטיות-בזמן. ניתן להשתמש במקמ"ש זה בשילוב עם ה-+MAX14931FAWE ומבודדים דיגיטליים MAX12930EASA+T. ל-+MAX14931FAWE יש ארבעה ערוצים עבור שידור אותות דיגיטליים בכיוון אחד. ל-MAX12930EASA+T יש שני ערוצים עבור העברת נתונים. ערכת ההערכה #MAX14819EVKIT זמינה עבור ה-MAX14819A וכוללת את המבדדים הדיגיטליים MAX14931 ו-MAX12930 (איור 6‏).

איור 6: ערכת ההערכה IO-Link Master‏ שני-ערוצים #MAX14819EVKIT כוללת את מקמ"ש ה-MAX14819 ואת המבדדים הדיגיטליים MAX12930 ו-MAX14931. (מקור תמונה: Analog Devices)

מסקנה

כדי לקצור את היתרונות של ה-IIoT‏ ו-Industry 4.0‏, יש לפרוס במהירות וביעילות חיישנים ומתמרים (Transducers). למטרה זו, IO-Link מספק למתכנני מערכת אוטומציה תעשייתית גישה סטנדרטית, מודולרית, יעילה ואמינה. כמתואר, על ידי שימוש ברכיבים מוכנים מן המדף, מתכננים יכולים להשתמש ב-IO-Link כדי להוסיף אינטליגנציה בקצה עבור הכנסה לשירות, ניטור והגדרת-תצורה-מחדש של חיישנים ומפעילים (Actuator).

קריאה מומלצת

1. כיצד לתכנן רשת שכבת-על (Overlay‏) מודולרית עבור אופטימיזציה של עיבוד נתונים Industry 4.0‏ ב-IIoT