Zwiększanie wydajności aktuatorów w fabryce inteligentnej dzięki technologii IO-Link

Opis urządzeń IO-Link

Wszystkie czujniki i aktuatory stosowane w ramach technologii IO-Link posiadają plik opisu urządzenia IO-Link (IODD) (ilustracja 3). IODD jest plikiem xml dostarczającym urządzeniu głównemu IO-Link dane potrzebne do identyfikacji i konfiguracji urządzenia oraz interpretacji jego danych.

• Zawartość IODD obejmuje:
• właściwości potrzebne do obsługi komunikacji,
• parametry urządzenia,
• informacje identyfikacyjne,
• informacje o procesach i diagnostyce,
• obraz urządzenia i logo producenta.
• Struktura IODD jest zdefiniowana niezależnie od normy IEC 61131-9
• Scentralizowana baza danych plików IODD jest utrzymywana przez konsorcjum IO-Link

Ilustracja 3: IODD jest plikiem xml zawierającym informacje potrzebne urządzeniu głównemu IO-Link do identyfikacji, konfiguracji i komunikacji z poszczególnymi urządzeniami podrzędnymi. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Łącze danych i typ danych

Wymiana komunikatów między urządzeniem głównym IO-Link a innymi urządzeniami jest zarządzana przez warstwę łącza danych (DL). Komunikaty są ramkami o długości od 1 do 66 słów uniwersalnego asynchronicznego nadajniko-odbiornika (UART) i są nazywane „sekwencjami M”. Komunikaty mogą dotyczyć danych na żądanie, żądań i poleceń zarządzania systemem oraz zwykłych danych procesowych. Urządzenie główne zawiera program obsługi warstwy łącza danych (DL) zarządzający błędami, komunikatami o błędach oraz trybami pracy, takimi jak wybudzanie, standardowe wejście-wyjście (SIO) czy szybkości COM. Kiedy urządzenie główne wysyła żądanie, inne urządzenia są zobowiązane do odpowiedzi.

Komunikacja IO-Link może przebiegać synchronicznie lub asynchronicznie. Urządzenia główne i inne urządzenia IO-Link zawierają programy obsługi danych procesowych do komunikacji synchronicznej oraz program obsługi na żądanie do asynchronicznej komunikacji danych dotyczących zdarzeń, sterowania, parametrów i ISDU (Index Service Data Unit). Dane asynchroniczne są przekazywane na żądanie i mogą zawierać:

• informacje o konfiguracji lub konserwacji i sterowaniu;
• wyzwalanie zdarzeniami z trzema poziomami pilności:
• błędy,
• ostrzeżenia,
• powiadomienia
• dane strony do bezpośredniego odczytu parametrów urządzenia;
• dane serwisowe dotyczące dużych struktur danych.

Integracja technologii IO-Link z urządzeniami głównymi i innymi urządzeniami może być skomplikowana. Wymaga ona pełnego wdrożenia norm zapewniającego interoperacyjność urządzeń i niezawodne działanie systemu. Aby szybko zintegrować wydajną i niezawodną komunikację IO-Link z aktuatorami w fabryce inteligentnej, projektanci mają do dyspozycji gotowe rozwiązania przeznaczone dla urządzeń głównych i innych. Układy scalone sterowników urządzeń IO-Link zawierają sterowniki bardzo niskiej mocy z aktywnym zabezpieczeniem przed odwróconą biegunowością i są dostępne ze zintegrowaną przetwornicą prądu stałego lub bez niej. Posiadają również szeregowy interfejs urządzeń peryferyjnych (SPI) obsługujący rozbudowaną diagnostykę. Dwukanałowe układy scalone głównego nadajniko-odbiornika IO-Link zawierają układy obsługi ramek z protokołem UART i możliwością obsługi funkcji pierwszy na wejściu - pierwszy na wyjściu (FIFO), dlatego mogą pracować z niską mocą i upraszczają dobór mikrokontrolera (MCU).

Zastąpienie aktuatorów pneumatycznych urządzeniami IO-Link

Technologia IO-Link to prosty sposób na zerwanie z tradycyjnym podejściem do sterowania procesami i usprawnienie działania fabryki przez zastąpienie aktuatorów pneumatycznych serwonapędami i zaawansowanymi sterownikami cyfrowymi. Projektanci mogą na przykład wykorzystać projekt referencyjny serwonapędu IO-Link MAXREFDES37# w celu skrócenia czasu wprowadzenia produktu na rynek (ilustracja 4). Omawiany projekt referencyjny zapewnia zasilanie 5V i zawiera cztery wyjścia z modulacją szerokości impulsu (PWM) oraz cztery wejścia cyfrowe umożliwiające sterowanie maksymalnie czterema serwosilnikami.

Na płytce znajduje się złącze M12-4 do podłączania urządzenia głównego IO-Link. Listwy 3-wtykowe umożliwiają szybkie podłączenie do standardowych serwosilników 5V, z których jeden jest dołączony do podstawowego projektu referencyjnego. Podłączenie do wejść cyfrowych 5V, masy zasilania i wszystkich czterech kanałów PWM odbywa się za pomocą kostki zaciskowej do wtykanego podłączania przewodów. W zestawie znajduje się stos urządzenia IO-Link firmy Technologie Management Gruppe Technologie und Engineering (TMG TE). Projekt MAXREFDES37# może być wykorzystywany w połączeniu z dwukanałowym urządzeniem głównym MAXREFDES277 IO-Link w formie Pmod zawierającej program graficznego interfejsu użytkownika (GUI) ułatwiający weryfikację przy użyciu komputera PC z systemem Windows.

Projekt MAXREFDES37# zawiera układ scalony nadajniko-odbiornika IO-Link MAX14821ETG+T oraz układ scalony regulatora obniżającego prądu stałego MAX17504ATP+T. Nadajniko-odbiornik MAX14821ETG+T może współpracować z urządzeniami IO-Link oraz aktuatorami lub czujnikami binarnymi zasilanymi napięciem 24V. Obsługiwane są wszystkie szybkości przesyłu danych określone w specyfikacjach IO-Link, a sterowniki C/Q i DO mogą być źródłem lub odbiorem prądu do 100mA. Nadajniko-odbiornik obsługuje protokół warstwy łącza danych (DL) umożliwiający współpracę z mikrokontrolerem (MCU). Dwa wewnętrzne regulatory liniowe dostarczają prąd stały o napięciu 5 i 3,3V= do zasilania czujników i aktuatorów. Dostępne są również wejścia i wyjścia cyfrowe 24V. Zintegrowane sterowniki DO i C/Q mogą być konfigurowane niezależnie do pracy w trybie zmiennokierunkowym, strony wysokiej (NPN) lub strony niskiej (PNP). Nadajniko-odbiornik może być konfigurowany i monitorowany przez szeregowy interfejs urządzeń peryferyjnych (SPI).

Wbudowana obniżająca przetwornica prądu stałego z prostownikiem synchronicznym MAX17504 pracuje w zakresie wejściowym od 4,5 do 60V=. Zakres napięć wyjściowych wynosi od 0,9V do 90% napięcia wejściowego, a dostarczany prąd może mieć natężenie do 3,5A. Dokładność regulacji wynosi ±1,1% w zakresie od -40 do 125°C. Sprawność szczytowa jest >90%, a prąd wyłączenia wynosi 2,8μA.