Предимствата на сензорите с IO-Link

• С развитието на Industry 4.0 умните сензорни технологии набират все по-голяма скорост в предприятия и приложения от различни сектори
  
  
• Фундаментална иновация в този сегмент е IO-Link – първият стандартизиран I/O интерфейс в световен мащаб за комуникация със сензори и изпълнителни механизми
  
  
• Технологията не просто дава интелигентна функционалност на тези устройства, но позволява и значителната им миниатюризация

С развитието на Industry 4.0 умните сензорни технологии набират все по-голяма скорост в предприятия и приложения от различни сектори. Основно тяхно преимущество са комуникационните им възможности, които им позволяват да обменят диагностични данни в реално време с останалите системи в дигитализираните фабрики, като по този начин оптимизират работата им, повишават производителността и минимизират нежеланите престои. Ето защо интелигентните сензори се считат за гръбнака на високотехнологичните IoT базирани заводски мрежи.

Фундаментална иновация в този сегмент е IO-Link – първият стандартизиран I/O интерфейс в световен мащаб за комуникация със сензори и изпълнителни механизми. Технологията не просто дава интелигентна функционалност на устройствата в тези две продуктови групи. Тя позволява и значителната им миниатюризация, което от своя страна води до непрекъснатото разширяване на кръга им от приложения в модерната индустрия. Какви други предимства осигурява IO-Link на съвременните сензори за промишлена автоматизация ще разгледаме в следващите редове.

Плюсовете на интелигентните сензори

Използването на умни вместо конвенционални сензори гарантира на предприятията множество ползи във връзка с възможностите за вземане на по-информирани, основани на данни решения и повишаването на ефективността и рентабилността на редица приложения. Изборът на интелигентни сензорни устройства с IO-Link допълнително обогатява тези ползи с функции за отдалечено конфигуриране и мониторинг, бързо идентифициране и отстраняване на неизправности, видимост на статуса на машините на ниво отделен компонент (в реално време и в исторически план), както и със значително разширени диагностични опции.

Основната цел на IO-Link е да подобри комуникационните възможности на сензорите и изпълнителните механизми на ниво полево устройство чрез стандартизиран интерфейс. Това е от ключово значение не само в комплексни инсталации и мащабни производства, но и при по-опростени приложения и решения за индустриална автоматизация. Много инженери залагат на IO-Link с цел да подобрят изпълнението на ключови функции на тези системи, като обработката на данни. С помощта на стандартизираната технология се постига и по-висока плътност на I/O платформите.

Усъвършенстваната превантивна поддръжка, която се извършва на базата на събираните от сензорите с IO-Link данни, спомага за максимизиране на наличността на оборудването и на продължителността на периодите между две аварии (т. нар. MBTF време). Допълнителна полза е намаляването на разходите за подмяна на дефектирали компоненти, както и на средствата и усилията за поддръжка на голям склад с резервни части. В резултат на всичко това значително нарастват ефективността и производителността в приложенията, използващи интелигентни сензори с IO-Link.

Тази технология, разбира се, не е универсално решение за абсолютно всички приложения в сферата на промишлената автоматизация, като среща и някои ограничения в практиката. Познавайки възможностите и лимитите й обаче, проектантите и интеграторите на автоматизирани системи могат да преценят дали инвестицията в IO-Link базирана платформа е подходящ подход за конкретното приложение.

Същност и специфики на технологията

През 2022 г. Международната електротехническа комисия (IEC) публикува стандарта IEC 61131-9 “Програмируеми контролери. Част 9: Eдноточков цифров комуникационен интерфейс за малки сензори и задвижващи механизми (SDCI)”, познат като IO-Link. През ноември 2023 г. пък приключи международната стандартизация на безжичната версия на протокола – IEC 61139-3:2023 “Промишлени мрежи. Едноточков цифров комуникационен интерфейс. Част 3: Разширения за безжични комуникации”.

Новият документ, добил популярност като IO-Link Wireless, е въведен и от Българския институт за стандартизация (БИС) като prБДС EN IEC 61139-3:2023.
Ключови характеристики на IO-Link интерфейса са двупосочната стандартизирана комуникация от точка до точка, изпълнима с всякакви полеви шини.

Технологията обхваща три комуникационни слоя – на ниво фабрика, на ниво система за управление и на ниво отделно полево устройство. Компоненти на една IO-Link базирана платформа типично са: сензори, изпълнителни механизми, светлинни индикатори, хъбове (позволяващи комуникация на данни от неподдържащи IO-Link устройства), IO-Link Master модул – за интерфейсна връзка чрез различни индустриални протоколи, както и съответното окабеляване (стандартни трижилни неекранирани кабели с дължина до 20 м).

Броят на инсталираните IO-Link съвместими устройства по света непрекъснато се увеличава, като само за една година – от 2018 до 2019 г., той се е удвоил от 8 до 16 милиона. Един от най-важните моменти в историята на развитие на технологията е през 2017 г., когато IO-Link Community – специализиран консорциум на PI (Profibus & Profinet International), публикува спецификация на интерфейса за приложения в сферата на безопасността. Дотогава не съществува стандарт за изпълнение на функции за безопасност през IO-Link. Това прави възможно формирането на изцяло нов сегмент от I/O устройства и системи, които могат да изпращат сигнали за безопасност чрез технологията.

Друга важна роля на IO-Link интерфейса е да бъде основна технологична платформа за имплементирането на Industrial Internet of Things (IIoT). С масовото популяризиране на тази иновативна концепция все повече фабрики от различни браншове се възползват от предимствата й във връзка с повсеместната свързаност, събирането на големи обеми от данни в реално време, тяхната обработка и анализ с цел извличане на максимална бизнес стойност. IO-Link гарантира безупречна надеждност на необходимата за целта промишлена комуникация от ниво предприятие до ниво индивидуално полево устройство.

Основно предимство тук е фактът, че IO-Link е отворен протокол, който изисква единствено съответния Master модул, за да бъде интегрирано поддържащо технологията устройство в дадена система. Благодарение на широката оперативна съвместимост на стандарта всеки сензор може да функционира като устройство с EtherNet/IP, PROFINET или EtherCat поддръжка, в зависимост от потребностите. Събраните данни се изпращат към програмируемия контролер по същия начин, както се процедира при всеки друг Ethernet базиран комуникационен процес.

Ключови предимства и ползи за предприятията

Една от най-атрактивните ползи за съвременните фабрики във връзка с преминаването към IO-Link като основна комуникационна технология за сензорите и изпълнителните механизми са възможностите за значителна икономия на разходи. Те се постигат основно благодарение на цифровия пренос на данни, ускорената инсталация, опростеното окабеляване (с по-малка обща дължина и без необходимост от екранирани кабели) и използването на стандартизирани конектори, като M12 или M8.

В допълнение IO-Link функционира като “заместител” на аналоговите сигнали – стандартът елиминира нуждата от специални разширителни I/O карти и кабелни системи.

Важно преимущество на технологията е много по-голямата наличност на данните. Лесният достъп до детайлна информация за технологичните процеси на ниво сензор дава ценна обратна връзка за предприятията чрез непрекъснат мониторинг на статуса и задълбочена диагностика на оборудването. Така лесно се генерират обемни информационни масиви, необходими за реализирането на IIoT и Industry 4.0 приложения. Чрез IO-Link могат да бъдат събирани три основни типа данни – за процеси (циклични), за параметри (ациклични) и за събития (отново ациклични).

Ключово предимство за компании от различни сектори, прилагащи съвременни подходи към индустриалната автоматизация, са възможностите за отдалечено конфигуриране и мониторинг на промишленото оборудване. IO-Link сензорите могат да бъдат достъпвани, настройвани и управлявани посредством потребителско смарт устройство, като смартфон или таблет, от всяка точка на света с помощта на лесно за използване мобилно приложение. Това сериозно опростява и ускорява въвеждането на комплексни производствени системи с множество интегрирани IO-Link съвместими сензори, тъй като физическото присъствие на оператор и ръчното калибриране и обучаване на всеки датчик или изпълнителен механизъм вече не е необходимо. Един и същи набор от параметри (програма или профил) може да бъде копиран и зададен до всички (или до желаната група от) сензори в мрежата буквално за секунди.

Нещо повече – IO-Link технологията позволява на потребителите динамично да правят промени в настройките на полевите сензори и динамично да ги адаптират според локалните вариации от условия и задачи.

Сред най-важните преимущества на IO-Link интерфейса са възможностите за минимизиране и дори елиминиране на нежеланите престои. Всяко ново устройство в мрежата може автоматично да получи необходимите настройки без необходимост от прекъсване на работните процеси и с практически нулев риск от грешки при конфигуриране.

Усъвършенствани функции на IO-Link

При комуникацията между сензор, изпълнителен механизъм и/или I/O хъб с IO-Link Master модул за трансфера на данни се използва по-висш протокол за комуникация чрез полева шина (Industrial Ethernet или серийна връзка), а информацията се изпраща към PLC контролер или индустриален компютър. IO-Link интерфейсът е напълно независим от производителя на конкретното устройство или използвания комуникационен протокол. Така става възможно гъвкавото комбиниране на разнообразни продуктови платформи, технологии и крайни полеви устройства в персонализирани решения, стриктно адаптирани към конкретните потребности на приложението. На практика това превръща IO-Link в единен инструмент за унифициране на комуникацията със стотиците или дори хиляди разнообразни по тип и предназначение сензори от различни производители във фабриките.

При аналоговите системи критично изискване към компонентите за свързаност е да са високоиздръжливи на различни негативни влияния, както и устойчиви на смущения. В една дигитализирана IO-Link платформа са необходими единствено стандартни (и значително по-евтини) трижилни неекранирани кабели и обикновени конектори, например от тип M12. С това интеграцията на едно IO-Link съвместимо устройство в голяма промишлена мрежа е не само по-бързо и лесно, но и по-достъпно с оглед на необходимата инвестиция, а чрез един стандартен кабелен комплект могат да бъдат заместени множество по-скъпи аналогови или патентовани фирмени системи.

Колкото по-комплексна и плътна е една заводска I/O мрежа (с по-голям брой интегрирани сензори и полеви устройства), толкова по-значими са ползите за предприятието.

Друга съществена причина, поради която все повече инженери се обръщат към IO-Link технологията, са възможностите за подобряване на качеството на данните. Като универсален цифров интерфейс, IO-Link позволява надежден и опростен трансфер на информация, която традиционно би била пренасяна в аналогов или дискретен формат. При аналоговите системи събраните данни на ниво сензор е необходимо да преминат през редица стъпки за преобразуване в цифрови сигнали преди да достигнат до програмируемия логически контролер. IO-Link редуцира броя на тези стъпки до една, осъществявана локално в самия сензор. Това драстично намалява загубите на точност във връзка с преобразуването.

Технологията се отличава и с няколко допълнителни специфични преимущества в сравнение с конвенционалните комуникационни методи в индустриалната автоматизация:

• Възможност за копиране и съхранение на параметри и набори от настройки, както и за автоматичното им задаване в новото устройство при подмяна;
  
  
• Улеснено верифициране на устройства – при подмяна на сензор или хъб се извършва проверка и се инициира потвърждение дали продуктът заместител отговаря по тип, модел и функционалност на изведения от експлоатация;
  
  
• Усъвършенствана сензорна диагностика – с допълнителна информация за историята, поведението и статуса на съответния сензор в дадено приложение; при един безконтактен датчик за мониторинг на ротация например събираните данните могат далеч да надхвърлят стойностите от отчитането на позицията, идентифицирайки отслабен сигнал, който да е индикатор за необходимост от превантивна поддръжка;
  
  
• Ацикличен достъп за разчитане и въвеждане на параметри на полеви устройства от по-високо йерархично ниво, като PLC например;
  
  
• Подобрени възможности за идентифициране на отделните устройства в дадена система чрез съотнасяне на стойности от измерванията към съответния специфичен за приложението профил или таг (етикет); тази функция е особено полезна при мониторинг на инструментални магазини в ЦПУ машини или центри.