מ- IO-Link 1.0‏ ל- IO-Link 1.1‏

משמש באופן נרחב מזה כמה עשורים ב- I/O‏ תעשייתי, השנים האחרונות הביאו לעלייה דרמטית באימוץ ה- IO-Link‏. כפי שהוסבר במאמר של DigiKey "השוואה בין IO-Link 1.0 ו- 1.1", התקן הפתוח IEC 61131-9‏ (ממותג כ- IO-Link‏) של ה- International Electrotechnical Commission‏ (IEC‏) מקנה חיבוריות קלה-לשימוש לרכיבי אוטומציה. זהו ממשק Single-drop Digital Communication Interface‏ (SDCI‏) עבור חיישנים ומפעילים (Actuator‏) ברשת הנקראים התקני שטח או שניוניים (Secondaries‏) לרכזות בקרי IO-Link‏ או ראשוניים (Primaries‏) ליתר התקנת האוטומציה. אחד היתרונות של ה- IO-Link הוא בכך שהוא מאפשר שימוש בכבלים לא-מסוככים גנריים (באורך של 20 מטר עם שלוש עד חמש קווצות מוליכים) עבור חיבורים אלה.

מאמר זה יסביר ביתר פירוט את שלושת מאפייני ה- IO-Link החדשים של גרסה 1.1 שלו:

• IO-Link 1.1 מאפשר גיבוי של נתונים כך שצוות המפעל יכול לשמור ולהשתמש שנית בפרמטרי ההתקן
• IO-Link 1.1 יכול לעבד רוחבי נתונים של Bytes‏ 32 לכל נקודת-חיבור
• IO-Link 1.1 מאפשר קצב נתונים של kbaud‏ 230.4‏ מהראשוניים (Primaries‏) של IO-Link 1.1

איור 1‏: תקשורת IO-Link‏ מאפשרת לחברת R.A. JONES לנטר באופן הדוק יותר חיישני ביצועים, תחזוקה ושינויי פרמטרים באמצעות מתכונים. כך לדברי מנהל מהנדס חדשנות Nate Smith. למעשה, ה- IO-Link הופך במהירות לסטנדרט התעשייתי המוביל עבור תקשורת עם התקני שטח (שניוניים (Secondaries‏)) באוטומציה. (מקור התמונה:R.A. JONES)

IO-Link 1.1 כשרת הקצאת פרמטרים

שילוב הבקרה של רכיבי IO-Link מתבצע באמצעות תוכנת תצורה הממנפת את קובצי IO Device-Description‏ (IODD‏) הסטנדרטיים של IO הנלווים לכל רכיב IO-Link. קובצי IODD אלו (המאחסנים את דגם הרכיב, תחומי הפעולה, הנתונים לתמיכה בפונקציות דיאגנוסטיקה וסימבולים עבור תצוגות על HMI ו- GUI) הם קובצי xml. המסופקים על ידי יצרן הרכיבים לתמיכה ב- IO-Link V1.0 ו- V1. 1 דרך אתרי האינטרנט שלהם עצמם ובאתר ioddfinder.io-link.com‏.

החידוש ב- IO-Link 1.1 היא היכולת של כמה ראשוניים (Primaries‏) של IO-Link 1.1 לאחסן מקומית קובצי IODD ונתונים משלימים - כדי לספק פונקציות שרת הקצאת פרמטרים עבור התקנים אחרים ברשת. לפני הכנסת מאפיין חדש זה (ובהתקנות IO-Link מדור קודם) נאלצו משתמשים סופיים שהיו צריכים להחליף התקן שטח חדש או חלופי להגדיר תחילה את אותו ההתקן - בדרך כלל על ידי חיבורו לנקודת-חיבור ה- USB‏ של המחשב וביצוע ידני של הכינון באמצעות תוכנה.

יתרון נוסף להיבט זה של 1.1 הוא האופן שבו משתמשים סופיים יכולים כעת (במקרים רבים) לבצע החלפה חמה של התקני קצה IO-Link של יצרנים שונים - מה שהופך מבחר רחב יותר של התקנים ניתנים-להחלפה-בינית לנגישים יותר. זה שימושי במיוחד עבור החלפת חירום של חיישנים פגומים או שניזוקו בתוך קווי ייצור בנפח גבוה.

הפרטים הספציפיים של מהירות התקשורת הגבוהה יותר של IO-Link 1.1

המאפיין החדש האחר של ה- IO-Link ב- 1.1 הוא COM3‏ - אופן תקשורת עם קצב התומך בפונקציונליות מתקדמת יותר של התקני השטח. קצב הנתונים המוגדר של תקשורת SDCI‏ COM3‏ הוא עד kbit/sec‏ 230.4‏ (כאן גם kbaud‏ 230.4‏). המשמעות היא שהאיטרציה החדשה ביותר של IO-Link‏ (1.1.3) מגיעה עם שיפורים כדי להתמודד עם הטיעון המתמשך האחרון נגד IO-Link - שהמהירות של הסטנדרט אינה מספיקה עבור אוטומציה מודרנית.

באופן ספציפי יותר, 1.1.3 יכול להקנות זמני מחזור התומכים בתקשורת זמן-אמת עבור נתוני התהליך המשודרים במחזוריות שתוארו במאמר הקודם של DigiKey בנושא זה; אפילו למחזורי תת-msec‏ במקרים מסוימים. נתוני התהליך המשודרים עבור רוחב-פס זמן-אמת (בקילו-בייט לשנייה (kB/sec)) תלויים בזמן שלוקח עבור הראשוני לדרוש הודעה מההתקן, זמן שיהוי מתג כיוון-התקשורת, הזמן שנדרש להתקן השטח להגיב, וזמן השיהוי הנוסף של מתג כיוון-התקשורת.

רקע מסוים על מעגלי המיקרו-בקרים הפיזיים (בחלק מהמקרים מעגלים-משולבים (IC) עצמאיים) עוזר להבין כיצד רכיבי IO-Link מבצעים תקשורות אלו. בתוך הראשוני ובהתקני השטח השניוניים שלו נמצאים מעגלים הנקראים מקלטים-משדרים אסינכרוניים אוניברסליים (UART) מאגדים או ממסגרים נתונים לתוך מסגרת (Frame‏) לצורך שידור. אורכן של מסגרות אלו הוא 11 ביט - כאשר ביט אחד משמש להתחלת התקשורת , שמונה ביטים (הנקראים גם אוקטט במפרטי IO-Link ובספרות הרשמית) משמשים לנשיאת נתוני תהליכים בפועל, ושניים נוספים משמשים לתקשורת ביט הזוגיות ולעצירה.

איור 2‏: ה- +MAX14827AATG‏ מבית Maxim Integrated‏ הוא מקמ"ש IO-Link‏ בהספק-נמוך עם שני דוחפים עבור שילוב בתוך התקני IO-Link‏. ממשק UART תלת-חוטי מאפשר חיבוריות IO-Link עם ה- UART של המיקרו-בקר, ו- UART/SPI מרובב מאפשר שימוש בממשק מיקרו-בקר טורי אחד עבור פונקציות UART ו- SPI משותפות. (מקור התמונה: Maxim Integrated)

על פי טבלה 9 במפרטי IO-Link 1.1.3 מיוני 2019, נדרש סידור IO-Link COM3 4.34 µsec כדי לשדר כל ביט. זמן זה פלוס זמני השיהוי בין המנות (Packets‏) הן בראשוני והן בשניוני (עד µsec‏ 4.34‏ ופי שלוש בהתאמה), כמו גם µsec‏ 4.34‏ עד µsec‏ 43.0‏ עבור שיהוי מתג כיוון-התקשורת, נותנים את קצב שידור-הנתונים תת-msec של המקרה הגרוע ביותר שהוא עדיין מספיק למדי עבור יישומים תעשייתיים תובעניים.

התו-החופשי (Wildcard) (שלו השפעה דרמטית על רוחב-פס זמן-אמת) הוא סוג רצף-ההודעות שנבחר עבור רשת IO-Link. סוגי רצפים שונים מכילים כמויות שונות של שידורי נתונים לא-מחזוריים או לפי דרישה. לכן כדי להעריך את רוחב-פס זמן-אמת של סידור IO-Link, החישובים חייבים להביא בחשבון הן את נתוני התהליך והן את הנתונים הלא-מחזוריים המותרים בהעברת מסרי המערכת. סוגים מסוימים מגדירים ערכי אוקטט לפי-דרישה לא-מחזוריים ותהליכיים קבועים, בעוד שאחרים מאפשרים לספקים או למשתמשים להגדיר אוקטטים של נתוני-תהליכים בין 1 ל- 32, ואוקטטים של נתונים לא-מחזוריים של 1, 2, 8 או 32. בקצרה, למערכות שצריכות להעביר פחות נתונים יש זמני מחזור מהירים יותר.

ניתוח כל הגורמים לעיל מניב רוחב-פס זמן-אמת - המוגדר על ידי נתוני התהליך (בלבד) המשודרים (ב- kbits‏) מחולקים בזמן המחזור הכולל המחושב ב-kbit/sec‏. לדוגמה, עם אוקטט נתונים לא-מחזורי אחד בלבד (עבור 8‏ 1) ו- 32 אוקטטי נתוני-תהליך (עבור 8‏ 32), זמן המחזור הוא קצת יותר מכמה אלפיות השנייה ורוחב-הפס עולה על kbit/sec‏ 100‏.

כל הראשוניים החדשים של IO-Link 1.1 תומכים ב- COM3 ורכיבי האוטומציה ממנפים קצב נתונים זה - ומתאימים עצמם אוטומטית לקצבים שבהם משתמשים השניוניים המחוברים. למעשה, זה נפוץ שהתקני שטח עם זמני מחזור שונים מופעלים מראשוני אחד כדי לאפשר שימוש בחיישנים ומפעילים ברמות תחכום שונות כמו גם לביצוע שדרוגי תכנים אינקרמנטליים. מפעילים (Actuators) המשתמשים בקצב הנתונים kbaud‏ 230.4‏ של COM3 (בדרך כלל עם סידור נקודות-חיבור Class B המכוסה בפרק הבא של מאמר זה) כוללים רכיבי Fluid-Power כמו גם רכיבים אלקטרומכניים - כולל שסתומים פנאומטיים, צילינדרים לינאריים, וסעפות כמו גם התקני שטח קטנים המבוססים על מנועי צעד. חיישנים המשתמשים לרוב ב- COM3 כוללים חיישני מיקום ותזוזה כמו גם חיישני צבע, טמפרטורה ולחץ, שכולם נפוצים ביותר בבקרת תהליכים. מתגים מכניים נבחרים גם הם ממנפים אופן תקשורת COM3 זה.

איור 3: חיישנים חכמים סדרת HG-C1000L מבית Panasonic משתמשים בחיבורי COM3 של IO-link כדי לתמוך בניטור מרחוק וברוטינות תחזוקה מונעת. לוגיקת חיישנים על-הלוח יכולה לגלות מצבים נורמליים, שגיאות, זהירות והתרעות. חיישנים אלו מספקים גם אמצעים לבצע מרחוק ובמהירות הגדרות ופעולות חיישן כאשר הם נדרשים. (מקור התמונה: Panasonic Industrial Automation Sales)

החיבורים הפיזיים של IO-Link 1.1‏ (כולל נקודות-חיבור נתונים)

נבחן כעת את רוחב הנתונים של IO-Link - עבור Bytes‏ 32 לכל נקודת-חיבור עבור נתוני תהליך. כל נקודות-החיבור המופעלות על הראשוניים (Primaries‏) של IO-Link‏ מוגדרות לטפל בכניסות ויציאות דיגיטליות או לפעול כנקודות IO-Link‏ באמצעות UART באופן חצי-דופלקס (כך שהביטים של הנתונים נשלחים ומתקבלים ברצפים של ביט-יחיד). ראשוני IO-Link טיפוסי עם ארבע נקודות-חיבור או שמונה נקודות-חיבור עשוי להתחבר ישירות למספר התקני שטח או לשמש כרכזת מתווכת - ורוחב השידור תלוי בראשוני זה. החיבורים להתקני שטח IO-Link טיפוסיים כוללים מוליכי הספקת-כוח +L ו- M כמו גם מוליכי _1‏C/Q, כאשר האחרונים נושאים נתוני תהליך כמו גם נתונים עבור פרמטריזציה, תצורה ודיאגנוסטיקה.

איור 4: חיישנים חכמים כגון חיישן לחץ SICK זה עם IO-Link (המאפשר חיבורים באמצעות M12 עם ארבעה או חמישה פינים) יכולים למנוע את זמן ההשבתה ואת השגיאות הקשורות עם תכנות-מחדש ידני. הסיבה לכך היא שהם מאפשרים עריכות פרמטריות והגדרות-תצורה באמצעות בקר PLC של המכונה. שימו לב לחיבורי +L ו- M כמו גם לחיבורי _1‏C/Q של מחבר IO-Link‏. (מקור התמונה: SICK)

מה שמסבך מעט את הדברים הוא שמפרטי IO-Link מאפשרים נקודות-חיבור גם Class A וגם Class B בראשוניים ובשניוניים. אין להתבלבל בין נקודות-חיבור Class A כמוגדר ב- IEC 60947-5-2‏ לבין מחברי M12 מקודדי-A‏ כמוגדר ב- IEC 61076-2-101‏. קראו עוד על מחברי M12 הנפוצים בהקשר של IO-Link במאמר DigiKey "יסודות ה- IO-Link". בקצרה, לעתים משתמשים בפיני מחבר IO-Link‏ 2 ו- 5 (ושימוש זה משתנה) בעוד שבפינים 1‏, 3 ו- 4 משתמשים תמיד (כאשר השימוש משתנה רק עבור האחרון). סידורי Class A (המבוססים על מחברי M5‏, M8 או M12 עם ארבעה פינים) מאפשרים יותר וריאציות I/O‏ ואפילו יציאות זרם גבוה עבור דוחפי המפעילים (Actuators‏). לעומת זאת, סידורי Class B הם תמיד חיבורי M12 עם חמישה פינים.

לא משנה איזה Class, שקעי מחבר נקבה ממוקמים על הראשוני ופיני מחבר זכר ממוקמים על התקן השטח השניוני.

המקסימום של ‎32 Bytes לכל נקודת-חיבור עבור נתוני תהליך משמש עבור מרבית החיישנים והמפעילים מחוברי-IO-Link‏ המתקדמים ביותר; ולמעשה, רוחב הנתונים של שניוני IO-Link‏ פשוט ביותר כגון מתג יכול להיות של ביט אחד בלבד. כאשר רוחב הנתונים שהוגדר אינו מספיק עבור היישום, כמה מהראשוניים של ה- IO-Link מאפשרים שידור נתוני תהליך במקטעים (Fragments). תוכניות הרחבת קיבולת נתונים אחרות של IO-Link כוללות מספר שימושים של מוליכים עם 4 פינים עבור תקשורת דו-כיוונית IO-Link ומיתוג כמו גם שידור נתונים בשני ערוצים הפועל במקביל לנתוני IO-Link‏ עם 4 פינים. עבור האחרון, המוליך עם 2 פינים עשוי לשאת אותות I/O‏ ספציפיים-להתקן או אותות מיתוג (לרוב אם כי לא תמיד קשור לניטור הסטטוס) ולשחרר את ערוץ ה- IO-Link לנשיאת אותות משלימים. שידור נתוני IO-Link‏ בשני ערוצים זה מאפשר תקשורת בזמן-אמת ללא השיהויים הקשורים עם בקרי PLC מרוחקים (כולל זמני המחזור) שבתורם תומכים ביישומים המחייבים ניתוח ותגובה מידיים לתנאי המכונה או ההתקן.

סיכום

שלושת מאפייני IO-Link‏ החדשים בגרסה 1.1 כוללים גיבוי נתונים (עבור שמירה ושימוש-מחדש של פרמטרי ההתקנים); היכולת לעבד רוחבי נתונים של ‎32 Bytes לכל נקודת-חיבור; וקצבי שידור נתונים של kbaud‏ 230.4‏ מתוך הראשוניים (Primaries‏). מאפיינים אלו רק האיצו את אימוץ ה- IO-Link 1.1 עבור אוטומציה תעשייתית.