השתמשו ב-IO-Link להגברת הגמישות, הזמינות והיעילות במפעלי Industry 4.0

תמיכה באיסוף וניתוח הנתונים שהם סימני ההיכר של Industry 4.0 עשויה לדרוש לעתים קרובות שינויים בקו ובתהליך הכוללים הוספה, הסרה או תכנות מחדש של חיישנים דיגיטליים, מפעילים, מחוונים והתקנים אחרים. זו יכול להיות משימה קשה למימוש יעיל עם פרוטוקולי רשת אוטומציה מדורות קודמים עם המאפיינים השונים שלהם. התקנות Industry 4.0 זקוקות לשכבה נוספת של חיבוריות ולגמישות בין הרשתות המותקנות לבין המסה ההולכת וגדלה של חיישנים, מפעילים ומחוונים מקומיים.

כדי להתמודד עם אתגרים אלה פותח ה-IO-Link כתקן פתוח שיכול לחבר אותות מהתקנים כמו חיישנים, מפעילים ומחוונים, לרשתות ברמה גבוהה יותר כמו Ethernet IP, Modbus TCP/IP ו-PROFINET, ומשם לבקרי לוגיקה ניתנים-לתכנות (PLC), התקני ממשק אדם-מכונה (HMI), מערכות קליטת נתונים, בקרה ופיקוח (SCADA) ולענן. החיבוריות הטורית של IO-Link מתוקננת כ-IEC 61131-9 עם כבלים פשוטים לא-מסוככים סטנדרטיים של שלושה או חמישה חוטים כמוגדר ב-IEC 60974-5-2‏. מתכנני מערכות אוטומציה ימצאו כי IO-Link מתאים במיוחד לתמיכה בפריסה מהירה ובהגדרת תצורה מרחוק, ניטור ודיאגנוסטיקה של התקנים מחוברים הנדרשים עבור מפעלי Industry 4.0.

מאמר זה סוקר את היכולות והיתרונות של IO-Link ובוחן את המבנה והפעולה של רשתות IO-Link, כולל השימוש בסוגים שונים של התקני IO-Link לבניית רשתות מקומיות של חיישנים, מפעילים ומחוונים לתמיכה ב-Industry 4.0. הוא מציג דוגמאות מהעולם האמיתי של התקני IO-Link Master‏, רכזות וממירי נתונים של Banner Engineering שמתכננים יכולים להשתמש בהם כדי לפרוס ביעילות מסות של התקני קצה Industry 4.0.

היכן IO-Link מתאים?

IO-Link מספק רשת ברמה נמוכה יותר הקולטת נתונים מחיישנים, מפעילים ומחוונים מבוזרים, מתחברת לממירים הממירים את הנתונים לפורמט IO-Link, ולאחר מכן מפלגת אותם לרכזת IO-Link או להתקני מאסטר לפי הצורך עבור חיבור לרשתות מפעל ברמה גבוהה יותר כמו Ethernet, Modbus ו-PROFINET (איור 1).

איור 1: IO-Link מספק פתרון מלא לחיבור חיישנים, מפעילים והתקנים מדורות קודמים ואחרים (משמאל) עם SCADA, HMI והענן (מימין) הקיימים ברשתות Industry 4.0. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

תכונות המפתח של IO-Link כוללות:

• תקן פתוח
• תמיכה באינטגרציה, הגדרת תצורה והפעלה מהירה של התקנים מקומיים כדי להאיץ את השדרוגים ולאפשר גמישות מוגברת עם צורך מינימלי בתמיכה מעשית של טכנאים
• תאימות לרשתות אוטומציה קיימות
• תקשורת דו-כיוונית חסונה היכולה להיות סינכרונית או אסינכרונית כדי למקסם את יעילות התקשורת
• תמיכה בדיאגנוסטיקה מרחוק עד לרמת ההתקן
• היכולת לשנות באופן דינמי פרמטרים של חיישן או מפעיל כדי להאיץ את אופטימיזציית התהליך
• זיהוי מכשיר משולב והקצאת פרמטרים אוטומטית כדי למקסם את הזמינות

כיצד לחבר התקני IO-Link

התקנים ברשת IO-Link מחוברים באמצעות כבלים לא-מסוככים עם שלושה או חמישה מוליכים באורך של עד 20 מטר. IEC 60947-5-2 מגדיר את הקצאת פיני מאסטר והתקן. מחברי זכר מוקצים להתקן ומחברי נקבה משמשים עבור המאסטר. המחברים יכולים להיות M5, M8 או M12 עם עד חמישה פינים. במאסטר, זרם ישר של 24 וולט (VDC) עד 200 מיליאמפר (mA) מסופק בין פינים 1 ו-3 כדי לשמש כספק כוח אופציונלי עבור ההתקנים. פין 4 מוגדר ככניסה דיגיטלית (DI) או יציאה דיגיטלית (DO) על בסיס IEC 61131-2, והוא תומך בתאימות-לאחור עם התקנים מדורות קודמים בהתאם ל-IEC60947-5-2‏.

ישנן שתי קבוצות (Classes‏) של נקודות-חיבור מאסטר, A ו-B. בנקודות-חיבור Class A, פינים 2 ו-5 אינם מחוברים (NC), ובנקודות-חיבור Class B פינים אלה יכולים להיות מוגדרים כ-DI, DO, לא מחוברים (NC), או לספק ספק-כוח נוסף. במרבית ההתקנות התעשייתיות משתמשים במחברי ניתוק מהיר M12. סיכום של הקצאות הפינים כפי שהוגדרו ב-IEC 60974-5‏ מוצג באיור 2:

• פין 1‏: VDC‏ 24‏+, mA‏ 200‏ מקסימום (+L‏)
• פין 2‏: I/O‏ דיגיטלי (PNP‏ בלבד)
• פין 3‏: 0 וולט (-L‏)
• פין 4‏: I/O‏ דיגיטלי (NPN‏, PNP‏ או Push-Pull‏) ותקשורת IO-Link‏
• פין 5‏: פין מרכזי NC‏ (אופציונלי)

איור 2‏: IO-Link הוא פתרון פשוט עבור הספקת-כוח וחיבוריות נתונים להתקני קצה כמו חיישנים ומפעילים (Actuators‏). (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

מדוע IO-Link‏?

IO-Link תורם לשיפורי ביצועים משמעותיים ברשתות Industry 4.0 באמצעות התקנה פשוטה או החלפה של התקן עם חיווט סטנדרטי, אמין ובעלות נמוכה. בנוסף, הוא נועד לפשט את השילוב של חיישנים מבודדים בתוך רשתות קיימות. היתרונות של IO-Link כוללים:

זמינות הנתונים מאופשרת באמצעות IO-Link כדי לחבר התקנים מבודדים ואיי אוטומציה לתוך רשת מאוחדת. נתונים ברמת החיישן לא תמיד זמינים או קלים לאיסוף. עם IO-Link, הנתונים הופכים קלים לאיסוף ויכולים להיות זמינים בזמן-אמת כדי לייעל תהליכים ולתמוך בתחזוקת מכונות וחיישנים פרואקטיבית. IO-Link תומך בשלושה סוגי נתונים עיקריים שניתן לסווג אותם כנתונים מחזוריים המשודרים אוטומטית בלוח זמנים קבוע, או נתונים לא-מחזוריים המשודרים לפי בקשה או לפי הצורך:

• נתוני תהליך: הם מתייחסים למידע כמו קריאות חיישנים שההתקן משדר למאסטר, כמו גם מידע מהמאסטר לפעולות התקן הבקרה, כמו הדלקת מקטעים ספציפיים בגוף תאורה במגדל. נתוני תהליך יכולים להיות מחזוריים או לא-מחזוריים.
• נתוני שירות: אלו כוללים מידע על ההתקן ונקראים לפעמים נתוני התקן. נתוני שירות כוללים ערכי פרמטרים של ההתקן, תיאור ההתקן, ודגם ומספר סידורי. הם לא-מחזוריים וניתן לקרוא או לכתוב אותם בהתקן לפי הצורך.
• נתוני אירועים: אלו כוללים טיפול בשגיאות והודעות שגיאה כמו חריגה מהגדרות פרמטרים או אזהרות תחזוקה כמו עדשה מלוכלכת בחיישן דימות. הם משודרים באופן לא-מחזורי כאשר מתרחש אירוע טריגר.

הגדרת תצורה מרחוק מאפשרת למפעילי רשתות ולטכנאים לקרוא ולשנות את פרמטרי ההתקן באמצעות בקרת תוכנה מבלי להגיע פיזית לכל התקן בודד. ניתן לשנות את פרמטרי החיישנים באופן דינמי לפי הצורך כדי לכוונן תהליכים קיימים, להאיץ שינויים במוצר ובתהליכים, לתמוך בהתאמה-מיוחדת המונית ולקצר למינימום את זמן ההשבתה של המכונה והקו.

החלפת התקנים פשוטה מתאפשרת הודות ליכולת להגדיר מרחוק את תצורת ההתקנים. פונקציית החלפת התקן אוטומטית (ADR‏) ב-IO-Link יכולה לספק התאמות אוטומטיות של פרמטרים והקצאות מחדש עבור התקנים שהוחלפו. עם ADR, מפעילי רשת יכולים לייבא ערכי פרמטרים קיימים להתקן חלופי או לעדכן את הפרמטרים לפי הצורך כדי להבטיח שינויים ותחזוקה מהירים ומדויקים של הרשת.

דיאגנוסטיקה מורחבת מנצלת את יכולות התקשורת המחזורית והלא-מחזורית של IO-Link כדי לספק למפעילי הרשת מידע נרחב על מצב הפעולה של כל התקן במפעל. היכולת לאבחן מרחוק את פעולת ההתקן יכולה להאיץ את הזיהוי של התקנים שמצבם מתדרדר או הפועלים מחוץ למפרט. זה מאפשר תזמון יעיל יותר של תחזוקה או החלפת התקנים.

חיווט סטנדרטי ופשוט הוא מאפיין מפתח של IO-Link. שלא כמו פרוטוקולי רשת אחרים, התקני IO-Link, ממירים, רכזות ומאסטרים מחוברים כולם באמצעות כבלים פשוטים לא-מסוככים בעלות נמוכה ומחברי ניתוק מהיר. ארכיטקטורת המאסטר-סלייב של IO-Link מפשטת עוד יותר את דרישות החיווט ומפחיתה חששות של תצורת הרשת.

צעדים ראשונים: IO-Link‏ מאסטר/בקר

מתכנני מערכות אוטומציה המוסיפים או מרחיבים את השימוש ב-IO-Link יכולים להתחיל בבחירת מאסטר (או בקר) IO-Link כמו DXMR90-4K של Banner Engineering המרכז נתונים ממספר מקורות, מספק עיבוד נתונים מקומי ומאפשר חיבוריות לרשת ברמה גבוהה יותר (איור 3).

איור 3‏: התקן מאסטר IO-Link‏ DXMR90-4K‏ יכול לרכז נתונים מארבע מקורות מקומיים ולהתחבר לרשת ברמה גבוהה יותר. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

ארבע נקודות-החיבור של ה-DXMR90-4K תומכות בתקשורת בו-זמנית עם עד ארבעה התקני IO-Link. הוא תומך באיסוף נתונים, עיבוד קצה והמרת פרוטוקולים עבור חיבור ל-Ethernet תעשייתי או Modbus/TCP, ויכול להעביר נתונים לשרתי אינטרנט. מאפיינים אחרים של ה-DXMR90-4K‏ כוללים:

• בית קומפקטי וקל-משקל החוסך מקום ומפשט את הפריסה
• דירוג IP67 חוסך את הצורך בארון בקרה נפרד ותורם להפחתת עלויות ההתקנה
• מאפשר חיבורי כבלים מאוחדים הממזערים את מורכבות הכבלים ומשקלם, אשר יכול להיות חשוב במיוחד ביישומים כמו רובוטיקה
• בקר לוגיקה פנימי ניתן להרחבה באמצעות כללי פעולה ותכנות ScriptBasic התומך ברמות גבוהות של גמישות

עבור התקנות פשוטות יותר המתכננים יכולים להשתמש בהתקנים כמו מאסטר IO-Link‏ R45C-2K-MQ‏ עם שתי נקודות-חיבור עבור חיבורי Modbus.

רכזות IO-Link

כאשר יש צורך לחבר חיישנים או מפעילים רבים למאסטר IO יחיד, המתכננים יכולים להשתמש ברכזת IO-Link כדי לרכז אותות חיישנים ומפעילים ולשדר אותם למאסטר IO-Link באמצעות כבל יחיד. לדוגמה, ה-R90C-4B21-KQ‏ כולל ארבע נקודות-חיבור כניסה ומתחבר למאסטר באמצעות מחבר M12 סטנדרטי (איור 4). זהו ממיר דו-מודאלי (PNP או NPN) קומפקטי להתקן IO-Link המחבר כניסות בדידות ושולח את הערך למאסטר IO-Link. הוא כולל:

• אופני שיהוי הכוללים שיהוי הפעלה/כיבוי, One-Shot הפעלה/כיבוי/ניתן להתנעה מחדש, הפעלה/כיבוי, מתיחת פולסים ומסכם
• מדדי המדידה כוללים ספירה, מספר אירועים לדקה ומשך זמן
• שיקוף בדיד מאפשר לשקף את האותות (פנימה והחוצה) לכל אחת מארבע נקודות-החיבור
• ניתן להגדיר את תצורת כניסות/יציאות בדידות באופן בלתי-תלוי כ-NPN‏ או PNP‏
• תכן בדירוג IP68‏ יצוק חסון

איור 4: הרכזת R90C-4B21-KQ יכולה לרכז תקשורת מארבעה התקנים ולחבר אותם עם התקן מאסטר IO-Link. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

ממירי אותות IO-Link

סוגים שונים של ממירים זמינים עבור רשתות IO-Link לחיבור חיישנים והתקנים אחרים העשויים להשתמש במגוון של סוגי אותות, כגון אותות PNP או NPN בדידים, אותות אנלוגיים VDC‏ 0 עד VDC‏ 10 ומתמרי זרם. דוגמאות לממירי אותות IO-Link כוללות:

• ממיר פנימה או החוצה של זרם אנלוגי IO-Link‏ R45C-K-IIQ‏ (איור 5‏)
• ממיר R45C-K-UUQ עבור מתח אנלוגי פנימה או החוצה
• ממיר R45C-K-IQ עבור יציאת זרם אנלוגי
• ממיר R45C-K-UQ עבור יציאת מתח אנלוגי

איור 5: ממיר R45C-K-IIQ IO-Link יכול לחבר התקן מאסטר עם התקנים מקומיים באמצעות כניסות ויציאות אנלוגיות. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

קיימים גם ממירים בקו-אחד IO-Link‏ שהם בערך בגודל של סוללת AA‏ יחידה. ממירים אלו יכולים לטפל בסוגי אותות שונים ולהמיר אותם לפרוטוקולי IO-Link, Modbus או אחרים. לדוגמה, ה-S15C-I-KQ הוא ממיר זרם אנלוגי ל-IO-Link המתחבר למקור זרם של mA‏ 4‏ עד mA‏ 20‏ ומוציא את הערך למאסטר IO-Link. הגודל הקטן של ממירים אלה מפשט את ההוספה של חיישנים מדורות קודמים לרשתות עם פרוטוקולים סטנדרטיים עבור ניטור תהליכים או סביבות. דירוגי ה-IP68 שלהם מאפשרים פריסה רחבה בסביבות תעשייתיות.

סיכום

IO-Link מספק את החיבוריות הדרושה כדי לאסוף את הנתונים הדרושים למיטוב הביצועים של מפעלי Industry 4.0 על ידי חיבור התקני קצה אחרים עם רשת ה-Ethernet IP, Modbus TCP/IP או PROFINET הראשיות. הוא תומך ברמות גבוהות של זמינות נתונים, דיאגנוסטיקה מורחבת, הגדרת תצורה מרחוק והחלפת התקנים פשוטה, ומאיץ תהליכים ושינויי קווים באמצעות חיבוריות המתוקננת ב-IEC 61131-9‏ עם כבלים סטנדרטיים עם 3 או 5 חוטים לא-מסוככים כמוגדר ב-IEC 60974-5-2‏.

קריאה מומלצת

1. כיצד לתכנן רשת שכבת-על (Overlay‏) מודולרית עבור אופטימיזציה של עיבוד נתונים Industry 4.0‏ ב-IIoT
2. כיצד להבטיח תקינות אותות Gigabit Ethernet במערכי אוטומציה תעשייתית במרחקים-גדולים