products4engineers

IO-Link: van de laatste meter tot straks een kilometer

17 November 2020 • Ad Spijkers • Products4Engineers
Sick IO-Link sensor

Sinds zo'n tien jaar geleden IO-Link werd geïntroduceerd, heeft deze communicatiestandaard een sterke groei doorgemaakt. Nagenoeg elke leverancier van sensoren en veel producenten van actuatoren biedt componenten aan die via IO-Link communiceren. En zoals met veel andere technologische ontwikkelingen kan er inmiddels veel meer mee dan de initiatiefnemers oorspronkelijk voor ogen hadden.

IO-Link is een verkorting van Input-Output-Link. Het is een industriële communicatiestandaard, oorspronkelijk ontworpen als digitaal alternatief voor analoge verbindingen zoals 0-10 V en 4-20 mA. De standaard werd ontwikkeld als 'laatste meter' om volledig digitale besturingsnetwerken op te kunnen bouwen. Uitgangspunten bij de ontwikkeling waren:

  • communicatie op sensor- en actuatorniveau;
  • onafhankelijk van een veldbus;
  • gebruik van bestaande bekabeling naar sensoren en actuatoren;
  • minder variatie en types signalen;
  • maximale lengte 20 m tussen master en slave (sensor of actuator)

De standaard wordt ondersteund en verder ontwikkeld door een consortium (https://io-link.com) met meer dan tweehonderd bedrijven, zowel componentenleveranciers als technologie-aanbieders. De standaard is vastgelegd in IEC 61131-9. Als dit getal u bekend voorkomt: andere delen binnen deze norm beschrijven de bekende programmeertalen voor PLC's.

Een belangrijk voordeel van IO-Link is, dat de gebruiker veel meer informatie direct uit sensoren en actuatoren kan halen. Behalve de meetwaarden kunnen het type sensor of actuator, serienummer, status, diagnostische en veiligheidsinformatie worden uitgelezen. Verder kan de sensor of actuator via de master worden geconfigureerd.

Voor IO-Link kan worden volstaan met een standaard sensorkabel. Voor de aansluiting is een aantal type connectoren gedefinieerd. Het meest gebruikt is poort type A, die gebruik maakt van een drie- of vierdraads verbinding. Poort type B is ontworpen voor sensoren en actuatoren die meer vermogen nodig hebben en via een galvanisch gescheiden voeding worden aangesloten.

Festo SMS Applicaties

Architecturen

Met IO-Link is een flinke besparing op de bekabeling mogelijk. Een master kan de signalen van en naar meerdere sensoren en actuatoren verzamelen en communiceert die via een veldbus naar keuze met de PLC of andere bovenliggende besturing. Vandaar kan de informatie via een PC of edge computer worden doorgestuurd naar de cloud voor archivering en analyse.

Deze master kan een aparte losse eenheid zijn (gekoppeld via een veldbus als veldbusnode met IO-Link master) maar ook in een PLC of ventieleiland zijn aan- of ingebouwd. Veel gebruikt is een oplossing waarbij een IP20 master in een besturingskast is ondergebracht. In de praktijk worden steeds meer decentrale eenheden toegepast, die gemakkelijk op of bij de machine kunnen worden geplaatst. Bij decentrale plaatsing onderscheiden we multi node en one node architecturen. Bij de eerste worden IP67 remote I/O terminals in het veld geplaatst met een IO-Link master aan boord, met voor elke component een eigen veldbusaansluiting. In one node configuratie is er één veldbusnode die naar terminals en in- en uitgangen gaat en naar IO-Link hubs, die weer zijn verbonden met IO-Link componenten. Welke architectuur de voorkeur heeft (centraal, multi node of one node) is afhankelijk van de applicatie en de besturingsfilosofie van de gebruiker.

Aandrijvingen

IO-Link wordt geassocieerd met sensoren en signaallampen, maar het is ook mogelijk om er eenvoudige aandrijvingen mee aan te sturen. Via IO-Link zijn parameters (vastgelegd in een IO-Link Device Description ofwel IODD) vanuit een configuratieprogramma op een PC te downloaden. Dit is handig als aandrijvingen seriematig op dezelfde manier moeten worden geparametreerd. Ook zijn bij een eventuele vervanging direct de juiste parameters beschikbaar.

Via IO-Link is informatie ten behoeve van preventief onderhoud op te vragen, zoals aantal cycli en totale afgelegde afstand. Maar ook foutmeldingen en status van de actuator kunnen op ieder moment worden uitgelezen. Belangrijke factoren voor machinebouwers en eindgebruikers zijn de eenvoudige aansluiting en parametrering en de lage kosten voor meer flexibiliteit  van productieprocessen.

Ontwikkelingen

De oorspronkelijke doelstellingen zijn steeds verder uitgebreid, zodat het protocol niet alleen voor de laatste meter, maar in de toekomst met de juiste hardware en bekabeling wellicht zelfs over een kilometer kan worden gebruikt. Vier topics zijn actueel:

  • de integratie van IO-Link data in de IT-wereld met behulp van JSON;
  • de OPC UA standaard interface voor IO-Link;
  • draadloze communicatie met IO-Link Wireless;
  • Single pair ethernet (SPE) en APL met IO-Link.

IO-Link en JSON

JSON (JavaScript Object Notation) is een gestandaardiseerd dataformaat. Het gebruikt voor de mens leesbare tekst in de vorm van data-objecten die bestaan uit een of meer attributen met bijbehorende waarden. JSON wordt hoofdzakelijk gebruikt voor uitwisseling van data tussen server en webapplicatie, als alternatief voor XML. Maar het kan ook worden gebruikt om IO-Link data met behulp van MQTT-brokers te integreren met de IT-wereld.

De IO-Link JSON standaard biedt een gestroomlijnde en gestandaardiseerde verbinding van het IO-Link niveau naar de IT-wereld. Hij biedt een naadloze dataverbinding naar MES-, ERP- en cloud-applicaties en smart devices, zodat parameters wereldwijd toegang tot gemeten data en parameters mogelijk is. Het kan ook een goede oplossing zijn voor eenvoudige applicaties zonder dat een PLC of veldbus nodig is.

De IO-Link community heeft een gestandaardiseerde verbinding van IO-Link via JSON naar de IT-wereld gespecificeerd en in maart 2020 gepubliceerd. De verbinding kan zowel via MQTT als HTTP tot stand worden gebracht en is heel geschikt voor IIoT-applicaties.

IO-Link en OPC UA

Voor het versturen van data naar hogere informatiesystemen, bijvoorbeeld proces- en conditiebewaking, is een andere oplossing beschikbaar, namelijk OPC UA. De communicatie is opgebouwd uit twee lagen bovenop de standaard TCP/IP-stack: een die de sessie afhandelt en een om een veilig kanaal tussen client en server tot stand te brengen.

De IO-Link masters communiceren met OPC UA servers. Als het bovenliggende systeem (bijvoorbeeld ERP of MES) is voorzien van een OPC UA client, is een directe communicatie tussen de sensoren/actuatoren en bovenliggende systemen (en de cloud) mogelijk. Behalve het uitlezen van data voor diagnose en analyse is ook het op afstand configureren van IO-Link masters en parametreren van sensoren en actuatoren mogelijk.

De specificatie is opgesteld door de IO-Link community in samenwerking met OPC Foundation en in december 2018 gepubliceerd. De eerste implementaties worden nu gerealiseerd.

Draadloos IO-Link

Er zijn applicaties waarbij machines of onderdelen (bijvoorbeeld robotgrijpers) mobiel of uitwisselbaar, zijn maar toch moeten communiceren met bovenliggende besturingen. De oplossing is draadloos IO-Link. Hiertoe worden de machines voorzien van draadloze componenten die communiceren met een vast opgestelde draadloze IO-Link master. Bij stationaire opstellingen (bijvoorbeeld robots met verwisselbare grijpers) is dan alleen voeding nodig (nul en 24 VDC), wat bespaart op bekabeling, (dus minder connecties en daardoor minder kans op breuk en slechte verbindingen). gewicht en kosten. Stationaire componenten met een draadloze IO-Link verbinding (bijvoorbeeld vaste temperatuur- of niveaumeters) kunnen met dezelfde master communiceren, wat weer bekabeling en een master uitspaart.

Net als bekabeld IO-Link kan de draadloze versie worden gebruikt voor uitlezen van data, parametrering en configuratie. Het bereik van draadloos IO-Link is 20 m, maar door roaming is een groter bereik mogelijk. De IO-Link community heeft de specificatie voor draadloos IO-Link in maart 2018 vastgelegd; aan testspecificaties wordt nog gewerkt. Draadloos IO-Link werkt in de frequentieband van 2,4 GHz (ISM-band) en kan tot 120 IO-Link componenten aansturen en uitlezen. De eerste commercieel verkrijgbare componenten en masters worden in de loop van 2021 verwacht.

IO-Link en SPE

De IO-Link community onderzoekt nog een mogelijke uitbreiding op IO-Link, namelijk de overdracht van dataframes via Single Pair Ethernet. In januari 2020 is hiertoe een concept paper gepresenteerd en onlangs is een Expert Group gestart. Behalve aan onderzoek naar de technische aspecten werkt de community ook aan marktonderzoek.

SPE werkt niet over acht- of vierdraads ethernetkabels, maar over twee draden. Hierdoor kan het bereik van IO-Link worden vergroot tot liefst 1000 m (bij 10 Mbit/s) en in de toekomst snelheden tot 100 Mbit/s. Belangrijk is dat SPE ook beschikbaar is in een intrinsiek veilige versie, Advanced Physical Layer (APL) genaamd. Dit maakt de standaard interessant voor de procesindustrie. Instrumenten in zones 0 tot 2 kunnen via een intrinsiek veilige SPE IO-Link APL kabel hun data naar een IO-master sturen. Voor SPE IO-Link APL zijn wel andere kabels en connectoren nodig dan voor standaard IO-Link. Een voordeel van SPE is, dat ook vermogen via de kabel kan worden overgebracht, wat een voeding uitspaart.

Gerelateerde blogs en casestudies