ใช้ IO-Link เพื่อเพิ่มความยืดหยุ่น ความพร้อมใช้งาน และประสิทธิภาพในโรงงานอุตสาหกรรม 4.0

การสนับสนุนการรวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูลซึ่งเป็นจุดเด่นของ Industry 4.0 มักต้องการการเปลี่ยนแปลงสายงานและกระบวนการ ซึ่งรวมถึงการเพิ่ม การลบ หรือการตั้งโปรแกรมใหม่สำหรับเซ็นเซอร์ดิจิทัล แอคทูเอเตอร์ ตัวบ่งชี้ และอุปกรณ์อื่น ๆ สิ่งนี้อาจเป็นเรื่องยากที่จะนำไปใช้อย่างมีประสิทธิภาพกับโปรโตคอลเครือข่ายระบบอัตโนมัติรุ่นเก่าที่มีคุณสมบัติหลากหลาย การติดตั้งอุตสาหกรรม 4.0 ต้องการการเชื่อมต่อและความยืดหยุ่นอีกชั้นหนึ่งระหว่างเครือข่ายที่ติดตั้งและเซ็นเซอร์ แอคทูเอเตอร์ และตัวบ่งชี้ที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่นจำนวนมากขึ้นเรื่อย ๆ

เพื่อรับมือกับความท้าทายเหล่านี้ IO-Link ได้รับการพัฒนาให้เป็นมาตรฐานเปิดที่สามารถเชื่อมต่อสัญญาณจากอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น เซ็นเซอร์ แอคทูเอเตอร์ และตัวบ่งชี้ไปยังเครือข่ายระดับสูงเช่น Ethernet IP, Modbus TCP/IP และ PROFINET และจากจุดนั้นไปยังโปรแกรมได้ ตัวควบคุมลอจิก (PLC), อุปกรณ์เชื่อมต่อระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักร (HMI), ระบบการควบคุมดูแลและการรับข้อมูล (SCADA) และไปยังระบบคลาวด์ การเชื่อมต่อแบบอนุกรมของ IO-Link ได้รับมาตรฐานตาม IEC 61131-9 ด้วยสายเคเบิลมาตรฐานสามหรือห้าสายแบบธรรมดาที่ไม่มีฉนวนหุ้ม ซึ่งกำหนดไว้ใน IEC 60974-5-2 ผู้ออกแบบระบบอัตโนมัติจะพบว่า IO-Link เหมาะสมอย่างยิ่งในการสนับสนุนการปรับใช้อย่างรวดเร็วและการกำหนดค่าระยะไกล การตรวจสอบ และการวินิจฉัยอุปกรณ์เชื่อมต่อที่จำเป็นสำหรับโรงงาน Industry 4.0

บทความนี้ทบทวนความสามารถและประโยชน์ของ IO-Link และดูที่โครงสร้างและการทำงานของเครือข่าย IO-Link รวมถึงการใช้อุปกรณ์ IO-Link ประเภทต่างๆ เพื่อสร้างเครือข่ายภายในของเซ็นเซอร์ แอคทูเอเตอร์ และตัวบ่งชี้เพื่อรองรับอุตสาหกรรม 4.0 . มันนำเสนอตัวอย่างในโลกแห่งความเป็นจริงของ IO-Link master ฮับ และอุปกรณ์แปลงข้อมูลจาก Banner Engineering ที่นักออกแบบสามารถใช้เพื่อปรับใช้อุปกรณ์ขอบอุตสาหกรรม 4.0 จำนวนมากได้อย่างมีประสิทธิภาพ

IO-Link เหมาะกับที่ไหน?

IO-Link ให้เครือข่ายระดับล่างที่รวบรวมข้อมูลจากเซ็นเซอร์แบบกระจาย ตัวกระตุ้น และตัวบ่งชี้ เชื่อมต่อกับตัวแปลงที่แปลงข้อมูลเป็นรูปแบบ IO-Link แล้วกระจายไปยังฮับ IO-Link หรืออุปกรณ์หลักตามความจำเป็น การเชื่อมต่อกับเครือข่ายโรงงานระดับสูงเช่น Ethernet, Modbus และ PROFINET (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: IO-Link ให้โซลูชันที่สมบูรณ์สำหรับการเชื่อมต่อรุ่นเก่าและเซ็นเซอร์ แอคทูเอเตอร์ และอุปกรณ์อื่น ๆ (ซ้าย) กับ SCADA, HMI และระบบคลาวด์ที่มีอยู่ (ขวา) ในเครือข่าย Industry 4.0 (แหล่งที่มารูปภาพ: Banner Engineering)

คุณสมบัติที่สำคัญของ IO-Link มีดังต่อไปนี้:

• มาตรฐานเปิด
• รองรับการผสานรวม การกำหนดค่า และการเริ่มการใช้งานอุปกรณ์ในพื้นที่อย่างรวดเร็ว เพื่อเพิ่มความเร็วในการเปลี่ยนแปลงและเปิดใช้งานความยืดหยุ่นที่เพิ่มขึ้นโดยต้องการความช่วยเหลือจากช่างเทคนิคน้อยที่สุด
• ความเข้ากันได้กับเครือข่ายอัตโนมัติที่มีอยู่
• การสื่อสารสองทางที่แข็งแกร่งซึ่งสามารถเป็นได้ทั้งแบบซิงโครนัสหรือแบบอะซิงโครนัสเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการสื่อสารสูงสุด
• การสนับสนุนการวินิจฉัยระยะไกลลงลึกถึงระดับอุปกรณ์
• ความสามารถในการเปลี่ยนพารามิเตอร์เซ็นเซอร์หรือแอคทูเอเตอร์แบบไดนามิกเพื่อเพิ่มความเร็วให้กับกระบวนการเพิ่มประสิทธิภาพ
• การระบุอุปกรณ์ในตัวและการกำหนดพารามิเตอร์ใหม่โดยอัตโนมัติเพื่อเพิ่มความพร้อมใช้งานสูงสุด

วิธีเชื่อมต่ออุปกรณ์ IO-Link

อุปกรณ์ในเครือข่าย IO-Link เชื่อมต่อโดยใช้สายเคเบิลที่ไม่มีตัวนำสามหรือห้าเส้นยาวไม่เกิน 20 เมตร (m) IEC 60947-5-2 กำหนดหลักและการกำหนดพินของอุปกรณ์ คอนเนคเตอร์ตัวผู้ถูกกำหนดให้กับอุปกรณ์ และคอนเนคเตอร์ตัวเมียถูกใช้สำหรับมาสเตอร์ ตัวเชื่อมต่อสามารถเป็น M5, M8 หรือ M12 ได้สูงสุดห้าพิน ที่ตัวหลัก กระแสไฟตรง (VDC) 24 โวลต์ที่สูงถึง 200 มิลลิแอมป์ (mA) จะอยู่ระหว่างพิน 1 และ 3 เพื่อทำหน้าที่เป็นแหล่งจ่ายไฟเสริมสำหรับอุปกรณ์ต่าง ๆ พิน 4 ถูกกำหนดให้เป็นอินพุตดิจิทัล (DI) หรือเอาต์พุตดิจิทัล (DO) ตาม IEC 61131-2 และรองรับความเข้ากันได้ย้อนหลังกับอุปกรณ์รุ่นเก่าตามมาตรฐาน IEC60947-5-2

มีพอร์ตหลักสองคลาสคือ A และ B ในพอร์ตคลาส A พิน 2 และ 5 จะไม่เชื่อมต่อ (NC) และในพอร์ตคลาส B พินเหล่านั้นสามารถกำหนดค่าเป็น DI, DO, ไม่ได้เชื่อมต่อ (NC) หรือ สามารถจัดหาแหล่งจ่ายไฟเพิ่มเติมได้ ในการติดตั้งทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ จะใช้ตัวเชื่อมต่อแบบถอดเร็ว M12 ข้อมูลสรุปของการกำหนดพินตามที่กำหนดใน IEC 60974-5 แสดงไว้ในรูปที่ 2:

• พิน 1: +24 VDC, สูงสุด 200 mA (L+)
• พิน 2: Digital I/O (PNP เท่านั้น)
• พิน 3: 0 โวลต์ (L-)
• ขา 4: Digital I/O (NPN, PNP หรือ push-pull) และการสื่อสาร IO-Link
• พิน 5: พินกลาง NC (อุปกรณ์เสริม)

รูปที่ 2: IO-Link เป็นโซลูชันง่าย ๆ สำหรับการเชื่อมต่อพลังงานและข้อมูลกับอุปกรณ์ที่ Edge เช่น เซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์ (แหล่งที่มารูปภาพ: Banner Engineering)

ทำไมต้อง IO-Link?

IO-Link มีส่วนช่วยในการปรับปรุงประสิทธิภาพอย่างมากในเครือข่าย Industry 4.0 โดยใช้การติดตั้งหรือเปลี่ยนอุปกรณ์ง่ายๆ ด้วยการเดินสายที่ได้มาตรฐาน เชื่อถือได้ และต้นทุนต่ำ นอกจากนี้ ยังได้รับการออกแบบมาเพื่อลดความซับซ้อนในการรวมเซ็นเซอร์แยกเข้ากับเครือข่ายที่มีอยู่ ประโยชน์ของ IO-Link รวมถึง:

ความพร้อมใช้งานของข้อมูล เปิดใช้งานโดยใช้ IO-Link เพื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์แยกและเกาะของระบบอัตโนมัติเข้ากับเครือข่ายแบบครบวงจร ข้อมูลระดับเซ็นเซอร์ไม่ได้มีอยู่หรือได้มาโดยง่ายเสมอไป ด้วย IO-Link ข้อมูลจะกลายเป็นเรื่องง่ายและพร้อมใช้งานแบบเรียลไทม์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการและสนับสนุนเครื่องจักรเชิงรุกและการบำรุงรักษาเซ็นเซอร์ IO-Link รองรับประเภทข้อมูลหลักสามประเภทที่สามารถแบ่งประเภทเพิ่มเติมได้ว่าเป็นข้อมูลแบบวนรอบที่ส่งโดยอัตโนมัติตามกำหนดเวลาปกติ หรือข้อมูลแบบวนรอบที่ส่งตามคำขอหรือตามความจำเป็น:

• ข้อมูลการประมวลผล: หมายถึงข้อมูล เช่น การอ่านค่าเซ็นเซอร์ที่อุปกรณ์ส่งไปยังมาสเตอร์ รวมถึงข้อมูลจากมาสเตอร์เพื่อควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ เช่น การให้แสงสว่างเฉพาะส่วนบนโคมไฟทาวเวอร์ ข้อมูลการประมวลผลสามารถเป็นวงจรหรือวงจร
• ข้อมูลบริการ: รวมถึงข้อมูลเกี่ยวกับอุปกรณ์และบางครั้งเรียกว่าข้อมูลอุปกรณ์ ข้อมูลบริการรวมถึงค่าพารามิเตอร์อุปกรณ์ คำอธิบายอุปกรณ์ และรุ่นและหมายเลขซีเรียล เป็นวัฏจักรและสามารถอ่านหรือเขียนไปยังอุปกรณ์ได้ตามต้องการ
• ข้อมูลเหตุการณ์: รวมถึงการจัดการข้อผิดพลาดและรวมถึงข้อความแสดงข้อผิดพลาด เช่น การตั้งค่าพารามิเตอร์เกินหรือคำเตือนการบำรุงรักษา เช่น เลนส์สกปรกบนเซ็นเซอร์ภาพ พวกเขาจะถูกส่งเป็นวัฏจักรเมื่อใดก็ตามที่เกิดเหตุการณ์ขึ้น

การกำหนดค่าระยะไกล ช่วยให้ผู้ให้บริการเครือข่ายและช่างเทคนิคสามารถอ่านและเปลี่ยนพารามิเตอร์อุปกรณ์ผ่านการควบคุมซอฟต์แวร์โดยไม่ต้องไปที่อุปกรณ์แต่ละตัว พารามิเตอร์เซ็นเซอร์สามารถเปลี่ยนแปลงได้แบบไดนามิกตามต้องการเพื่อปรับแต่งกระบวนการที่มีอยู่ เพิ่มความเร็วในการเปลี่ยนแปลงผลิตภัณฑ์และกระบวนการ รองรับการปรับแต่งจำนวนมาก และลดเวลาหยุดทำงานของเครื่องจักรและสายการผลิต

การเปลี่ยนอุปกรณ์ที่ง่ายขึ้น เปิดใช้งานโดยความสามารถในการกำหนดค่าอุปกรณ์จากระยะไกล ฟังก์ชัน Auto Device Replacement (ADR) ใน IO-Link สามารถให้การปรับพารามิเตอร์อัตโนมัติและการกำหนดใหม่สำหรับอุปกรณ์ที่เปลี่ยน เมื่อใช้ ADR ผู้ให้บริการเครือข่ายสามารถนำเข้าค่าพารามิเตอร์ที่มีอยู่ไปยังอุปกรณ์ทดแทนหรืออัปเดตพารามิเตอร์ได้ตามต้องการเพื่อให้แน่ใจว่ามีการปรับเปลี่ยนและบำรุงรักษาเครือข่ายอย่างรวดเร็วและแม่นยำ

การวินิจฉัยเพิ่มเติม ใช้ประโยชน์จากความสามารถในการสื่อสารแบบวนซ้ำและวนซ้ำของ IO-Link เพื่อให้ผู้ให้บริการเครือข่ายได้รับข้อมูลที่ครอบคลุมเกี่ยวกับสถานะการทำงานของอุปกรณ์แต่ละชิ้นในโรงงาน ความสามารถในการวินิจฉัยการทำงานของอุปกรณ์จากระยะไกลสามารถเพิ่มความเร็วในการระบุอุปกรณ์ที่เสื่อมสภาพหรือทำงานไม่ตรงตามข้อกำหนด ซึ่งช่วยให้จัดตารางเวลาการบำรุงรักษาหรือเปลี่ยนอุปกรณ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

สายไฟที่ได้มาตรฐานและเรียบง่าย เป็นคุณสมบัติหลักของ IO-Link ข้อที่ต่างจากโปรโตคอลเครือข่ายอื่น ๆ อุปกรณ์ IO-Link, ตัวแปลง, ฮับ และมาสเตอร์ทั้งหมดเชื่อมต่อกันโดยใช้สายเคเบิลแบบไม่มีฉนวนที่เรียบง่ายและต้นทุนต่ำและตัวเชื่อมต่อที่ตัดการเชื่อมต่ออย่างรวดเร็ว สถาปัตยกรรมมาสเตอร์-สเลฟของ IO-Link ช่วยให้ข้อกำหนดการเดินสายง่ายขึ้นและขจัดข้อกังวลเกี่ยวกับการกำหนดค่าเครือข่าย

เริ่มต้นใช้งาน: IO-Link มาสเตอร์/คอนโทรลเลอร์

ผู้ออกแบบระบบอัตโนมัติที่เพิ่มหรือขยายการใช้ IO-Link สามารถเริ่มต้นด้วยการเลือกต้นแบบ IO-Link (หรือตัวควบคุม) เช่น DXMR90-4K จาก Banner Engineering ที่รวบรวมข้อมูลจากหลายแหล่ง จัดเตรียมการประมวลผลข้อมูลภายในเครื่อง และเปิดใช้งานการเชื่อมต่อกับเครือข่ายระดับสูงกว่า (ภาพที่ 3)

รูปที่ 3: อุปกรณ์หลัก IO-Link DXMR90-4K สามารถรวมข้อมูลจากแหล่งภายในสี่แหล่งและเชื่อมต่อกับเครือข่ายระดับสูงกว่า (แหล่งที่มารูปภาพ: Banner Engineering)

สี่พอร์ตของ DXMR90-4K รองรับการสื่อสารพร้อมกันกับอุปกรณ์ IO-Link สูงสุดสี่เครื่อง รองรับการรวบรวมข้อมูล การประมวลผลขอบ และการแปลงโปรโตคอลสำหรับการเชื่อมต่อกับอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมหรือ Modbus/TCP และสามารถถ่ายโอนข้อมูลไปยังเว็บเซิร์ฟเวอร์ได้ คุณสมบัติอื่นๆ ของ DXMR90-4K ได้แก่:

• ตัวเครื่องขนาดกะทัดรัดและน้ำหนักเบาที่ช่วยประหยัดพื้นที่และทำให้การปรับใช้ง่ายขึ้น
• ระดับ IP67 ทำให้ไม่จำเป็นต้องมีตู้ควบคุมแยกต่างหาก ทำให้ต้นทุนการติดตั้งลดลง
• อำนวยความสะดวกในการเดินสายเคเบิลแบบรวมที่ลดความซับซ้อนและน้ำหนักของสายเคเบิล ซึ่งอาจมีความสำคัญอย่างยิ่งในการใช้งานเช่นหุ่นยนต์
• ตัวควบคุมลอจิกภายในที่ขยายได้โดยใช้กฎการดำเนินการและการเขียนโปรแกรม ScriptBasic ที่รองรับความยืดหยุ่นในระดับสูง

สำหรับการติดตั้งที่ง่ายขึ้น นักออกแบบสามารถหันไปใช้อุปกรณ์เช่น R45C-2K-MQ IO-Link Master สองพอร์ตสำหรับการเชื่อมต่อ Modbus

ฮับ IO-Link

เมื่อจำเป็นต้องเชื่อมต่อเซ็นเซอร์หรือแอคชูเอเตอร์จำนวนมากกับ IO Master ตัวเดียว นักออกแบบสามารถใช้ฮับ IO-Link เพื่อรวมเซ็นเซอร์และสัญญาณแอคทูเอเตอร์และส่งสัญญาณไปยัง IO-Link มาสเตอร์ผ่านสายเคเบิลเส้นเดียว ตัวอย่างเช่น R90C-4B21-KQ มีพอร์ตอินพุตสี่พอร์ตและเชื่อมต่อกับมาสเตอร์โดยใช้ตัวเชื่อมต่อ M12 มาตรฐาน (รูปที่ 4) เป็นตัวแปลงอุปกรณ์ bimodal ขนาดกะทัดรัด (PNP หรือ NPN) เป็น IO-Link ที่เชื่อมต่ออินพุตแยกและส่งค่าไปยัง IO-Link Master คุณสมบัติที่มีได้แก่:

• โหมดการหน่วงเวลาซึ่งรวมถึงการหน่วงเวลาเปิด/ปิด, เปิด/ปิด/ยิงครั้งเดียวแบบรีทริกเกอร์ได้, เปิด/ปิด, เครื่องยืดพัลส์ และ Totalizer
• เมตริกการวัด ได้แก่ จำนวน เหตุการณ์ต่อนาที และระยะเวลา
• การมิเรอร์แบบไม่ต่อเนื่องทำให้สามารถสะท้อนสัญญาณ (เข้าและออก) ไปยังพอร์ตใดก็ได้จากสี่พอร์ต
• I/O แบบแยกสามารถกำหนดค่าได้อย่างอิสระเป็น NPN หรือ PNP
• การออกแบบที่ทนทานตามมาตรฐาน IP68

รูปที่ 4: ฮับ R90C-4B21-KQ สามารถรวมการสื่อสารจากสี่อุปกรณ์และเชื่อมต่อกับอุปกรณ์หลัก IO-Link (แหล่งที่มารูปภาพ: Banner Engineering)

ตัวแปลงสัญญาณ IO-Link

มีตัวแปลงประเภทต่าง ๆ สำหรับเครือข่าย IO-Link เพื่อเชื่อมต่อเซ็นเซอร์และอุปกรณ์อื่น ๆ ที่อาจใช้สัญญาณประเภทต่าง ๆ เช่น สัญญาณ PNP หรือ NPN แบบแยก สัญญาณอนาล็อก 0 ถึง 10 VDC และทรานสดิวเซอร์กระแส ตัวอย่างของตัวแปลงสัญญาณ IO-Link ได้แก่:

• R45C-K-IIQ IO-Link ไปยังตัวแปลงกระแสเข้าหรือออกแบบอนาล็อก (รูปที่ 5)
• R45C-K-UUQ ตัวแปลงสำหรับแรงดันเข้าหรือออกแบบอนาล็อก
• R45C-K-IQ ตัวแปลงสำหรับกระแสออกแบบอนาล็อก
• R45C-K-UQ ตัวแปลงสำหรับแรงดันออกแบบอนาล็อก

รูปที่ 5: ตัวแปลง R45C-K-IIQ IO-Link สามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์หลักกับอุปกรณ์ในระบบโดยใช้อินพุตและเอาต์พุตแบบอนาล็อก (แหล่งที่มารูปภาพ: Banner Engineering)

นอกจากนี้ยังมีตัวแปลงอินไลน์ IO-Link ที่มีขนาดเท่ากับแบตเตอรี่ AA ก้อนเดียว ตัวแปลงเหล่านี้สามารถจัดการสัญญาณประเภทต่าง ๆ และแปลงเป็น IO-Link, Modbus หรือโปรโตคอลอื่น ๆ ตัวอย่างเช่น S15C-I-KQ เป็นตัวแปลงกระแสอนาล็อกเป็น IO-Link ที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายกระแส 4 ถึง 20 mA และส่งออกค่าไปยังต้นแบบ IO-Link ตัวแปลงขนาดเล็กเหล่านี้ช่วยลดความยุ่งยากในการเพิ่มเซ็นเซอร์รุ่นเก่าในเครือข่ายด้วยโปรโตคอลมาตรฐานสำหรับกระบวนการหรือการตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อม การจัดอันดับ IP68 ช่วยให้สามารถใช้งานได้อย่างกว้างขวางในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม

สรุป

IO-Link ให้การเชื่อมต่อที่จำเป็นในการรวบรวมข้อมูลที่จำเป็นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของโรงงาน Industry 4.0 โดยการเชื่อมต่อรุ่นเก่าและอุปกรณ์ Edge อื่นๆ ด้วย Ethernet IP หลัก, Modbus TCP/IP หรือเครือข่าย PROFINET รองรับความพร้อมใช้งานของข้อมูลในระดับสูง การวินิจฉัยเพิ่มเติม การกำหนดค่าระยะไกล และการเปลี่ยนอุปกรณ์ที่ง่ายขึ้น กระบวนการเร่งความเร็วและการเปลี่ยนสายโดยใช้การเชื่อมต่อที่เป็นมาตรฐานใน IEC 61131-9 ด้วยสายเคเบิลมาตรฐาน 3 หรือ 5 สายแบบไม่หุ้มฉนวนอย่างง่ายที่กำหนดไว้ใน IEC 60974-5- 2.

บทความแนะนำ

1. วิธีการออกแบบเครือข่ายโมดูลาร์โอเวอร์เลย์สำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพการประมวลผลข้อมูล Industry 4.0 ใน IIoT
2. วิธีตรวจสอบความสมบูรณ์ของสัญญาณ Gigabit Ethernet ในการปรับใช้ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมทางไกล