השימוש ב-IO-Link ביישומים תעשייתיים

עם הופעת המהפכה התעשייתית הרביעית ו-Industry 4.0, אוטומציה מקיפה וחכמה הוגדרה על ידי פקדים, ניטור ואבחון מתקדמים. יכולות כאלה אפשריות רק באמצעות חיבוריות תעשייתית - באמצעותה מאוחדים פקדים והתקני מכונות בפלטפורמה כלשהי (כגון IO-Link) לצורך חילופי נתונים מתמידים.

איור 1: ה- IO-Link משלים את פרוטוקולי הרשת הקיימים הודות לשילוב קל ברשתות fieldbus או Ethernet באמצעות IO-Link Primary‏. החיבור בין ה- IO-Link הראשי לבין התקני ה-IO-Link שלו הוא באמצעות כבלים של שלושה או חמישה חוטים לא-מסוככים ולא-מרושתים המסוגלים גם לספק כוח להתקני IO-Link. כאן, ההספק מה- IO-Link Primary‏ הוא VDC‏ 24‏. (מקור התמונה: Pepperl+Fuchs)

הטכנולוגיות המאפשרות העיקריות העומדות בבסיס החיבוריות התעשייתית הן רשתות והתקנים סטנדרטיים עם מאפייני תקשורת מובנים. קיימים פרוטוקולים רבים עבור פונקציות אלה. עם זאת, לא כל הפרוטוקולים התעשייתיים עומדים בדרישות חילופי הנתונים והחוכמה הנדרשות על ידי האוטומציה של היום. ה- IO-Link נוצר כדי לענות על מגוון רחב של יישומים מודרניים אלה.

כפי שנידון במאמר digikey.com קודם, IO-Link‏ הוא פרוטוקול תקשורת קווי מנקודה-לנקודה המאפשר תקשורת נתונים דו-כיוונית חכמה בין התקנים. בדרך כלל, להתקנים הראשיים (Primaries) של IO-Link (בקרים מקומיים) יש מספר יציאות IO-Link (ערוצים) שאליהן מתחברים התקני IO-Link שונים באופן עצמאי. חיבורי נקודת קצה מצומת-לצומת אלו הם שהופכים את ה- IO-Link לפרוטוקול תקשורת מנקודה-לנקודה.

IO-Link, שהושק בשנת 2009 על ידי קונסורציום של 41 חברים המונה כיום מאות חברים חזקים, הפך לפרוטוקול תקשורת מקובל על מנת לרתום נתונים חיוניים עבור:

• מיטוב פעולות
• קיצור זמן ההשבתה וייעול התחזוקה
• חיסכון בעלויות חומרי הגלם וקבלת החלטות תפעוליות אסטרטגיות.

ממשק ה-IO-Link המאוחד מוגדר על ידי תקן IEC 61131-9 ונתמך על ידי Siemens‏, Omron‏, ifm Efector‏, Balluff‏, Cinch Connectivity‏, Banner Engineering‏, Rockwell Automation‏, SICK‏, Pepperl+Fuchs‏ ועשרות יצרני רכיבים ומערכות אחרים. אין פלא שחיבוריות IO-Link נמצאת בשימוש נרחב בפעולות הכוללות אוטומציית הרכבה, כלי מכונות ואינטר-לוגיסטיקה. שלושת השימושים העיקריים שלו במסגרות תעשייתיות אלה ואחרות כוללים תקשורת סטטוס, בקרת מכונות והפיכת התקנים לחכמים.

אופני בקר IO-Link מתואמים לשימושים

איור 2: סוג המחבר המשמש עם כבל החיבור תלוי בסוג נקודת-החיבור. נקודות-החיבור IO-Link Primary‏ Class-A‏ מקבלות מחברי M8‏ או M12‏ (כמו ה- AL1120‏ מבית ifm Efector המוצג כאן) עם עד ארבעה פינים, בעוד שמקביליהן Class-B מקבלות חיבורים עם התקנים שלהם מחברי M12‏ עם חמישה פינים (עבור תקשורת נתונים דו-כיוונית). האופן המוקצה לנקודת-החיבור של ה- Primary בכל זמן נתון נקבע לפי ההתקן שאליו הוא מחובר והפעולה הנוכחית. (מקור התמונה: ifm Efector)

נזכיר ממאמרים קודמים של digikey.com שפרוטוקול התקשורת IO-Link מאפשר לכל נקודת-חיבור מחבר ב- IO-Link Primary‏ מתאים ברמה הגבוהה (בקר) ארבעה אופני תקשורת. אלה כוללים אופן מושבת במלואו וכן אופני הפעולה של IO-Link, כניסה דיגיטלית (DI) ויציאה דיגיטלית (DQ). המצבים מתאימים בערך לשלושת השימושים העיקריים ב-IO-Link המפורטים לעיל.

אופן הפעולה IO-Link תומך בתקשורת נתונים דו-כיוונית עם התקני שטח ומשמש בדרך כלל במהלך איסוף נתונים עבור ניטור, בדיקה ודיאגנוסטיקה. נקודת-החיבור של IO-Link Primary‏ באופן DI מקבלת כניסות דיגיטליות ופועלת כאשר נקודת-החיבור מחוברת לחיישנים - בהקשר זה פועלים כהתקני כניסה. לעומת זאת, יציאה באופן DQ פועלת כיציאה דיגיטלית, בדרך כלל כאשר נקודת-החיבור מחוברת למפעיל (Actuator) (בהקשר זה, למעשה התקן יציאה), או כאשר ה- PLC של המערכת מוגדר לשלוח הוראות ישירות להתקן IO-Link אחר.

אמנם זה מחוץ לנושאי מאמר זה, אך ראוי לציין שנקודות-החיבור של ה- IO-Link Primary‏ יכולות למתג מיידית בין האופנים. לדוגמה, נקודת-חיבור המחוברת לחיישן יכולה לפעול באופן DI - ולאחר מכן לעבור לאופן תקשורת IO-Link כאשר נתוני הדיאגנוסטיקה והניטור מהחיישן נדרשים על ידי ה- Primary‏.

יישום IO-Link‏ 1 מתוך 3: תקשורת סטטוס מאפשרת-פעולה

איור 3: IO-Link מאפשר יצירת מערכות בקרה ואוטומציה מתקדמות ביותר. תעשיית עיבוד-שבבי משתמשת באופן נרחב בחיישני IO-Link כדי לבדוק את הלחצים והמיקומים של כלי הקצה של ההידוק והכרסום הפועלים על החומר המעובד. (מקור התמונה: Getty Images‏)

ניטור מכונות אפשרי עם התקני IO-Link המוגדרים לדווח על סטטוס, ויכולים, בתורם, ליידע את המערכת על ההתאמות והתיקונים הנחוצים. נבחן שימוש אחד בתעשיית העיבוד-השבבי - זה של חיישני לחץ IO-Link המוודאים שהחומר המעובד מהודק בלחץ המתאים עבור אחיזה ללא-נזק אך בטוחה במהלך פעולות הסרת החומר. כאן, חיישני IO-Link תומכים בעצם באופטימיזציה של משימות המכונה עבור פחות חלקים פגומים.

התקני IO-Link יכולים גם ליצור תקשורת סטטוס מאפשרת-פעולה כדי לתמוך ברוטינות תחזוקה משופרות לטובת זמן השבתה מינימלי. לדוגמה, חיישני מיקום IO-Link‏ על מכונת הרכבה יכולים לדווח ברציפות על מיקומם של אפקטורי קצה כדי להבטיח שאף אחד מהם אינו מחוץ לתחום או לא מיושר.

על ידי ניתוח נתוני הדיאגנוסטיקה המסופקים על ידי התקני IO-Link, טכנאי המכונות של המפעל יכולים לחזות ולתקן שגיאות ותקלות פוטנציאליות לפני שהן קורות. הטכנאים יכולים גם לזהות חוליות חלשות במכונה או במפעל - כדי להודיע על שינויים תפעוליים, החלטות רכישה ותכני מכונות עתידיים ברמת הארגון.

יישום IO-Link‏ 2 מתוך 3: בקרה ואוטומציה מתקדמים

איור 4: מערכת IO-Link עם פקדים מתקדמים כוללת IO-Link Primary‏ (בקר), כמו ה- NX-ILM400‏ מבית Omron המוצג כאן, וחיישנים, ספקי כוח והתקני מכטרוניקה שונים התומכים ב-IO-Link ומחוברים לאותו ה- Primary‏. מערכות IO-Link עבור יישומים כאלה מעבירות בדרך כלל את ה- IO-Link Primary‏ וההתקנים ל-PLC או למערכת אוטומציה אחרת. (מקור התמונה: Omron)

בקרה ואוטומציה הן פונקציות יישום אחרות הנתמכות על ידי IO-Link. כאשר התקנת IO-Link תומכת בפונקציות הפועלות ללא התערבות אנושית, ה-IO-Link Primary‏ מתחבר לרוב למערכת מארחת או ל-PLC ברמה גבוהה יותר המעבדת נתונים שהתקבלו ולאחר מכן פוקדת ישירות או בעקיפין על מפעילים (Actuators‏) בתכן לתגובות המתואמות המתאימות. בקרה אוטומטית כזו מחייבת שמערכת IO-Link תתחבר לבקר ברמה גבוהה יותר באמצעות פרוטוקולים וכבלים סטנדרטיים של Fieldbus או Ethernet. למעשה, לרוב ה-IO-Link Primary‏ ש יציאות fieldbus או Ethernet עבור חיבורים כאלה.

התקנים ביישומי בקרה מתקדמים הכוללים מערכות IO-Link משתלבים באחת משלוש דרכים:

• הם מתחברים ישירות למחשב המארח או ל-PLC
• הם מתחברים ל-IO-Link Primary‏ ומתקשרים באמצעות פרוטוקול IO-Link
• הם משתמשים בתקשורת תואמת IO-Link ומתחברים ל-IO-Link Primary‏ דרך רכזת IO-Link

הרכזת פועלת למעשה כמתווך לחיבור התקנים שאינם IO-Link‏ ל- Primary‏.

יתרון נוסף של מערכות IO-Link שלהן חיבוריות תקשורת Fieldbus ו-Ethernet הוא שמתאפשרים חיבורים למרחקים ארוכים - שבתורם מאפשרים למתקינים לאתר את ה-IO-Link Primary‏ בארון הבקרה או בהתקן החיצוני ביותר, אם זה הדבר ההגיוני ביותר עבור יישום נתון.

נבחן כיצד ה-IO-Link Primary‏ מועילים ליישומי הרכבה מתקדמים בכך שהם משמשים כבקרים ברמה נמוכה המסוגלים לעבד אותות דיגיטליים ואנלוגיים גם יחד. כאן ה-IO-Link Primary‏ יכולים:

• לקבל את הנתונים שנוצרו על ידי אנקודרים ליניאריים IO-Link על הצירים של דרגת XY
• לעבד את הנתונים האלה כשער (Gateway)
• לשלוח את נתוני התקן השטח המעובדים של ה-IO-Link ל-PLC או לבקר מערכת אחר

יישום IO-Link‏ 3 מתוך 3‏: חוכמת ההתקן

איור 5: ממשק החיבור של IO-Link הוא קטן ביותר ויכול להתאים לרוב התקני השטח הקומפקטיים. מוצג כאן חיישן קירבה Balluff BUS004Z עם חיבוריות IO-Link. (מקור התמונה: Balluff)

היישום השלישי של IO-Link הוא להפוך התקנים לחכמים. נפוץ במיוחד בתכני חיישנים הדומים לאפשרויות חיישנים מהדורות הקודמים ללא (או עם מעט) תכנות, התקנים אלה התומכים ב-IO-Link יכולים לקבל פקודות, לנטר ולבצע רוטינת בדיקה-עצמית - ולייצר נתונים. מכיוון ש-IO-Link גם מאפשר להתקנים לספק יותר מאשר נתונים בסיסיים של שני ערכים (כן-לא או עבר-נכשל), אפשרי גם הדיווח של ערכים מדויקים. לדוגמה, משימות אוטומציה של תהליכים נהנות מחיישני טמפרטורה IO-Link אשר, מעבר לדיווח על סטטוס טמפרטורה גבוהה או נמוכה, יכולים גם לדווח ברציפות על ערך הטמפרטורה המדויק של אזור או נפח מנוטר.

יתרון נוסף של IO-Link עבור התקני שטח חכמים הוא האופן שבו החיבורים הפיזיים שלו הם קומפקטיים. זה בניגוד לחיבורים הפיזיים של ממשקי fieldbus ו-Ethernet, שלפעמים יכולים להיות גדולים מכדי להתאים למיקרו-התקני שטח.

גם רכיבים חכמים של IO-Link ניתנים לבקרה מדויקת. לדוגמה, במקום פקדי כיבוי והדלקה בסיסיים, ניתן להורות למפעיל (Actuator) להיכבות ברגע שתרחיש עונה על סט של תנאים.

התקני כניסה כגון מתגי לחצן מבית RAFI יכולים למנף את פונקציות ה-IO-Link כדי לתמוך במאפייני התקן חכם - כולל נורות חיווי מקודדות צבע.

עם זאת, ישנן כמה אזהרות לשימוש ב-IO-Link עבור יישומי התקנים חכמים. למרות שקיימת צורה אלחוטית של IO-Link בפיתוח, זה עדיין פרוטוקול תקשורת חוטי - כך שהוא עדיין כפוף לכל המגבלות של חיווט קשיח. כדי לשמור על שלמות הנתונים, הכבלים של ה-IO-Link Primary‏-להתקן אסור שיעלו על 20 מטר. בנוסף, מכיוון שפרוטוקול IO-Link יכול לשדר רק עד Bytes‏ 32 של נתונים בכל מחזור, הוא אינו מספיק לשימוש עם התקני שטח כגון מצלמות, שיכולות לייצר MB רבים של נתונים בדקה.

סיכום

ישנם למעשה אינסוף שימושים במערכות IO-Link המשלימים פרוטוקולים קיימים במערכות בקרה ואיסוף נתונים. האימוץ המדרבן היה הפשטות של מערכות IO-Link - הכוללות רק IO-Link Primary‏ וההתקנים שלו וכבלי שלושה או חמישה חוטים המחוברים שלהם. התקנת Plug-and-Play ויחס העלות-תועלת הם יתרונות נוספים של IO-Link.

המאמצים של קונסורציום IO-Link של הגופים החברים בו הבטיחו תאימות רחבה בין בקרים, התקנים ומפעילים (Actuators‏) מיצרנים שונים, שהעניקה למהנדסי התכנון את המבחר הרחב ביותר של ציוד למקרי השימוש הספציפיים שלהם.