IO-Link predstavuje štandardizovanú technológiu komunikácie, ktorá sa zameriava na priame prepojenie inteligentných snímačov s akčnými členmi priemyselnej automatizácie (napr. s PLC) prostredníctvom priemyselnej komunikačnej siete. Inteligentné senzory, ktoré nevyžadujú vysoké náklady na prevádzku, však nemôžu používať štandardné komunikačné protokoly. Dôvodom je cyklická komunikácia v reálnom čase za súčasného prenosu malého množstva dát. Preto využívajú charakter komunikácie IO-Link, ktorá je typu point-to-point, čiže je realizovaná medzi dvoma bodmi. Ako taká vznikla s cieľom digitálnej náhrady analógových alebo spínaných výstupov. Charakterovo nejde o systémovú zbernicu, ale používa sa pod úrovňou týchto zberníc s cieľom jednoduchého pripojenia sa na priemyselné zbernice. Konečným cieľom je pritom zlepšenie výkonnosti automatizovaného systému, pretože procesné dáta a ich diagnostika môžu byť súčasne dostupné mnohým distribuovaným systémom a tiež môžu byť zdieľané na webe. V zásade topológia technológie IO-Link vyžaduje zariadenie IO-Link Master, ktoré má niekoľko portov IO-Link Master [1]. Zariadenie IO-Link sa potom na Master port pripája trojžilovým netieneným káblom s maximálnou dĺžkou 20 m pomocou štandardných eurokonektorov M5, M8 alebo M12. Nevyžaduje sa už žiadna ďalšia kabeláž, nakoľko týmto jedným prepojením sa prenáša dátová komunikácia aj napájacia energia pre pripojené zariadenie IO-Link (obr. 1).
Štruktúra komunikácie predstavuje hviezdu, kde centrálnym prvkom je zariadenie IO-Link Master, ktoré riadi a nadväzuje komunikáciu s ostatnými komponentmi IO-Link. Zariadenie IO-Link Master funguje vlastne ako komunikačná brána k nadradenej priemyselnej zbernici. Výhody používania IO-Link sa delia do troch oblastí:
- Zjednodušená a rýchla inštalácia – prepojenia sa realizujú trojžilovým alebo štvoržilovým káblom so štandardnými konektormi M5, M8 alebo M12, čo urýchľuje zapojenie a znižuje vznik chýb pri inštalácii. Jednoduchšia kabeláž znižuje náklady a zlepšuje prehľadnosť.
- Diagnostická funkcia – komponent IO-Link má autodiagnostické funkcie a pomocou rozhrania IO-Link poskytuje informácie o svojom stave nadradeným systémom. Vďaka takýmto informáciám sa môže predísť nečakanej poruche.
- Parametrizácia – IO-Link umožňuje vykonávať nastavovanie parametrov počas chodu. Pre každý komponent IO-Link možno zálohovať parametre priamo v zariadení IO-Link Master, ktoré sa automaticky nahrajú v prípade, že starý komponent bude nahradený novým.
Integrácia zariadenia IO-Link Master
Diagnostiku dát (získaných pomocou RFID, resp. inou technológiou) možno v súčasnosti riešiť aj komplexným softvérom výrobcu, ktorý umožňuje zber týchto dát a ich samotnú distribúciu naprieč podnikovými informačnými systémami. Obyčajne tento softvér zabezpečuje riadenie a zber údajov medzi jednotlivo pripojenými zariadeniami IO-Link [2]. Súčasťou takéhoto softvéru (na úrovni SCADA) je tiež filtrácia, agregácia a priradenie významu údajom získaným pomocou technológie RFID (či inej). Ďalšou a treba povedať, že jednoduchšou metódou diagnostiky a získavania dát je integrácia a následná konfigurácia zariadenia IO-Link Master v zodpovedajúcom prostredí (napr. prostredníctvom webového servera, obr. 2).
Podružné činnosti získavania dát zahŕňajú oživenie čítacieho zariadenia (napr. na princípe RFID) či tvorbu vizualizácie prostredníctvom panela HMI. Metodický postup čítania, zápisu a následného spracovania získaných dát až po ich následné zdieľanie pomocou webového servera predpokladá nasledujúce kroky:
- Pridanie zariadenia IO-Link Master pre nový projekt. Krok obsahuje výber zodpovedajúceho zariadenia z hardvérového katalógu, inštaláciu súboru GSD a kontrolu dostupnosti predmetného zariadenia IO-Link Master v novom projekte.
- Vytvorenie spojenia (napr. s PLC). Tento krok možno charakterizovať ako realizáciu spojenia PROFINET a konfigurácie IP adresy zariadenia IO-Link Master.
- Nastavenie portov IO-Link Master. Činnosť predpokladá zobrazenie dostupných portov IO-Link a kontrolu ich aktuálneho nastavenia (štandardné nastavenie alebo nastavenie IO-Link).
- Pridanie zariadenia na zber dát (napr. čítačka RFID). V tomto kroku je potrebné nastavenie konkrétneho typu snímacieho zariadenia. Zároveň je vhodné zjednotiť nastavenie pre vstupné a výstupné byty pridanej čítačky RFID (aby vždy začínali z rovnakej adresy).
- Kompilácia a nahranie hardvérovej konfigurácie (napr. do PLC). Úspešnosť kroku je dokumentovaná rozsvietením zelenej LED na zariadení IO-Link Master, resp. zeleným blikaním zodpovedajúceho portu IO-Link, na ktorom je pripojené snímacie zariadenie (napr. čítačka RFID).
- Softvérová konfigurácia snímacieho zariadenia. Táto konfigurácia je založená na knižniciach pre dané zariadenie a ich kopírovaní do nového projektu. Konfigurácia obsahuje tagy PLC, tabuľku WATCH (so zaujímavými údajmi, ako sú dáta na zápis, prečítané dáta, informácie o tom, či zápis alebo čítanie dát prebehlo bez chyby alebo s chybou a pod.), dátové či programové bloky.
- Organizácia hlavného bloku „MAIN“. Krok obsahuje priradenie a opis významu pre jednotlivé vstupy a výstupy hlavného bloku a tabuľky WATCH.
- Monitorovanie v online režime. Pomocou nakonfigurovanej tabuľky WATCH skontrolujeme potrebné parametre (nastavenie hodnôt na čítanie, resp. zápis údajov, napr. pre zariadenie RFID).
- Kontrola spustenia, čítania, resp. zápisu dát (napr. prostredníctvom funkcie DATALOGGER) z automatizovaného pracoviska na báze technológie RFID (či inej). Krok zahŕňa aj možnosť nulovania či resetovania procesu.
Konfiguračný proces zariadenia IO-Link Master
Konfiguračný proces bol realizovaný priamo na automatizovanom výrobnom systéme FESTO FMS 500. Cieľom tohto konfiguračného procesu bolo experimentálne overenie a následné testovanie spoľahlivosti parametrizácie s dôrazom na využiteľnosť jednotlivých funkcionalít spolu s možnosťou optimalizácie samotného procesu v závislosti od výrobcu zariadenia IO-Link Master. Na tieto činnosti nadväzuje získanie, spracovanie a agregácia dát o stave automatizovaného pracoviska v reálnom čase. Jedným z dôvodov je potreba monitorovania procesov s cieľom prediktívnej údržby, ako aj stratégie digitálnej transformácie Slovenska [3]. Súčasný manažment prediktívnej údržby totiž vyžaduje zdieľanie dát o stave automatizovaného pracoviska v spoločnej i vzdialenej ethernetovej sieti, čo možno realizovať vďaka webovému serveru.
Prístup k monitorovacím a diagnostickým funkciám zariadenia IO-Link Master bol realizovaný prostredníctvom protokolu SNMPv1, ktorý je založený na IP adresácii cez ethernetovú sieť. Prístup je zabezpečený prostredníctvom prehliadača SNMP alebo bežných aplikácií na správu siete (obr. 3). Predpokladom je korektná sieťová konfigurácia (maska podsiete, Gateway adresa, meno zariadenia, podporované webové prehliadače).
Priamo v zariadení IO-Link Master je integrovaný webový server, nie je potrebná ďalšia inštalácia softvérového produktu tretích strán. Prostredníctvom zadania IP adresy pristupujeme k dátam. Vieme ich čítať, ale aj zapisovať konfiguračné parametre zariadenia IO-Link [4]. Indexy parametrov a subindexy potrebné na selekciu dát vybraného zariadenia IO-Link Master sú opísané v návode k zariadeniu (indexácia sa realizuje s ohľadom na konvencie IO-Link). Dialóg s prístupom k parametrickým dátam prostredníctvom karty „Port“ ilustruje obr. 4.
Na druhej strane procesné dáta sa zbierajú prostredníctvom zariadenia IO-Link Master a prenášajú z pripojeného zariadenia IO-Link (napr. zo senzora) cyklickým spôsobom v dátových rámcoch (obr. 5). Veľkosť týchto dát je špecifikovaná daným typom pripojeného zariadenia IO-Link. V závislosti od toho môžu mať tieto procesné dáta veľkosť od 0 do 32 bajtov (pre každý vstup a každý výstup). Zloženie prenášaných dát nie je fixné a závisí od zariadenia Master. Dátami rozumieme merané parametre, identifikačné dáta či diagnostické informácie. Dáta môžu byť zapísané do zariadenia (Write – zápis) alebo získané zo zariadenia (Read – čítanie).
Na karte „Log“ sú všetky udalosti zariadenia IO-Link Master zaznamenané a datované časovou značkou, čo umožňuje rýchlo diagnostikovať všetky udalosti alebo chyby systému, ktoré sa môžu na zariadení vyskytnúť.
Príklad histórie udalostí v zariadení IO-Link Master je na obr. 6. Všetky zmeny či varovania sú tiež zaznamenávané (napr. ak bolo zariadenie odpojené a znovu pripojené, resp. nastala nejaká zmena v nastavení parametrov IP adresy a pod.). Webový server umožňuje aj nastavenie systémového času zariadenia IO-Link Master pomocou Set module time. Parametre a procesné údaje sú k dispozícii na karte IODD (obr. 7). Prístup k nim je možný iba pomocou prihlasovacieho mena a hesla na zariadení Master. Každý súbor IODD pre zariadenie IO-Link sa nachádza na webovej stránke výrobcu. Stiahnutie príslušného adresára obsahuje nielen súbor xml s potrebnými údajmi, ale aj obrázky produktu. Stiahnuté súbory by mali byť premenované podľa presného typu zariadenia IO-Link (napr. BA0D0101.xml, BA0D0101.png).
Porovnanie konfiguračného procesu zariadenia IO-Link Master s ostatnými výrobcami
Porovnávanie a hodnotenie zariadení IO-Link Master bolo realizované jednak s ohľadom na konfiguračný proces a jeho jednotlivé kroky, jednak z pohľadu možností monitorovania, nastavovania i zbierania dát pomocou pripojených zariadení IO-Link (ako je napr. senzor, akuátor či hlava RFID).
Komunikačné protokoly
Čo sa týka komunikačných protokolov, podpora výrobcov je rôzna. Spoločnými a najčastejšie podporovanými komunikačnými protokolmi sú PROFINET a PROFIBUS, keďže, ako je známe, komunikácia IO-Link bola primárne určená práve pre tento typ komunikačných protokolov (Balluff GmbH, Pepperl + Fuchs SE, IFM electronic GmbH, Baumer Group, Turck GMBH a iní výrobcovia). Tu sa však podpora výrobcov nekončí, v súčasnosti je už poskytované a podporované široké spektrum komunikačných protokolov, počnúc ethernetom a končiac CC-Link (ETHERNET, PROFINET, PROFIBUS, ETHERCAT, CC-Link). Výhodou týchto multiprotokolových zariadení IO-Link je ľahká integrácia do rôznych priemyselných sietí bez potreby nákupu ďalších špecializovaných podporných modulov. Možno ho teda využívať v rôznych komunikačných prostrediach.
Konfigurácia
Niektorí výrobcovia (napr. Pepperl + Fuchs SE) používajú pri konfigurácii a samotnom nastavovaní komunikácie otočné prepínače, ktoré sa nachádzajú priamo na zariadení IO-Link Master, takže možno pohodlne a ľahko nastaviť potrebný protokol či adresu zariadenia. Ďalšou užitočnou funkciou zariadenia IO-Link Master je automatické a intuitívne zapamätanie si posledného nastavenia použitej komunikačnej zbernice. Tu sa však možnosti konfigurácie nekončia. Takmer všetci výrobcovia (aspoň v určitej forme) umožňujú flexibilnú konfiguráciu (adresáciu) zariadenia IO-Link Master prostredníctvom webového servera. Táto možnosť je veľmi obľúbená a používaná pre jej široké možnosti parametrizácie, monitorovania i poskytovania diagnostických údajov pripojených zariadení IO-Link. Prístup na Master je umožnený cez štandardný webový prehliadač, resp. cez obslužný softvér výrobcu (napr. spoločnosť IFM: LR Device software – LINERECORDER). Samotný proces konfigurácie vyžaduje dostupnosť súborov IODD, ktoré poskytujú výrobcovia ku každému zariadeniu IO-Link. Tieto súbory sú potrebné na nastavovanie zariadenia aj na zobrazovanie a aktualizáciu parametrov v čitateľnom jazyku cez prehliadač. Ako potvrdzujú výrobcovia, ďalšia konfigurácia zariadenia či „portu“ už nie je potrebná.
Monitoring parametrických dát
Prihlásenie (prostredníctvom webového servera) na zariadenie IO-Link Master umožňuje monitoring parametrických dát a zobrazovanie stavov jednotlivých portov. Komunikáciou point-to-point, ktorá umožňuje výmenu dát v reálnom čase, je zabezpečená dostupnosť a presnosť získaných údajov z pripojených zariadení IO-Link. Ďalšou výhodou je vzdialené monitorovanie, ľahké a rýchle nastavenie (parametrizácia) zariadenia Master, identifikácia správneho komunikačného portu a pripojených zariadení IO-Link. Bez komunikácie IO-Link by informácia musela (niekoľkonásobne) prechádzať A/D konverziou a kým by sa dostala na spracovanie (napr. do PLC), stratila by na význame. Tu však treba spomenúť jednu zaujímavosť, niektorí výrobcovia neumožňujú plný prístup k pripojeným zariadeniam IO-Link či všetkým funkciám zariadenia Master. To je používateľovi dovolené až po riadnom zakúpení (platnej a plnej verzie) licencovaného softvéru od poskytovateľa. Monitoring parametrických dát má podporu aj pri otvorených (vlastných softvérových) programoch, ale niektorí výrobcovia uprednostňujú samozrejme svoje fabrické (uzavreté) produkty. Open source programy však mnohokrát umožňujú efektívnejšiu spoluprácu (a možnosti) v kombinácii s ľubovoľným hardvérom.
Nastavenie procesných dát
Rozsah nastavenia procesných dát vo veľkej miere závisí od pripojeného zariadenia IO-Link a možností, resp. schopností samotného zariadenia Master. Všetci výrobcovia však podporujú cyklickú výmenu dát medzi zariadením Master a pripojeným zariadením IO-Link (Slave). Rozdiely pri takejto výmene dát sú najmä v reakčnom čase a rýchlosti ich aktualizácie (súvisí to najmä s množstvom dát, ale aj pripojeným zariadením). V nadväznosti na ich spracovanie treba počítať s optimalizáciou, grafickou vizualizáciou i exportom, napr. vo forme MS Excel tabuľky. Konečným cieľom spracovania procesných dát je jednoduché a jasné zobrazenie procesných hodnôt. Z pohľadu obsahu procesných dát treba špecifikovať výrobcu a typ pripojeného zariadenia IO-Link a na základe toho definovať, či budú procesné dáta obsahovať informácie o vstupoch/výstupoch, o pozícii lineárneho vedenia, o hodnotách tlaku snímača či z hlavy RFID.
Zaznamenané a datované udalosti (stavy, eventy, poruchy)
Všetky zmeny vplývajúce na činnosť a výkon pripojených zariadení IO-Link aj na samotné zariadenie Master sú zaznamenávané a logované pre potreby nadradených systémov (napr. pre PLC), resp. diagnostiky a prediktívnej údržby automatizovaného pracoviska. Procesná postupnosť zberu týchto zmien sa začína od pripojených zariadení a postupuje na zariadenie Master. Príkladom zmien môže byť napr. pripojenie/odpojenie zariadenia, prehriatie či skrat. Rozsah monitorovacích zmien závisí od výrobcu zariadenia IO-Link. Rozhodujúcimi údajmi sú často chybové kódy, problémy konfigurácie, problémy s prístupom na zariadenie Master a pod.
Záver
Monitorovanie procesných aj diagnostických dát technológiou IO-Link poskytuje široký rozsah nepretržitej spätnej väzby o zdraví, funkčnosti a stave pripojených zariadení IO-Link (senzor, hlava RFID apod.) i samotného zariadenia Master. Treba však zohľadniť špecifiká jednotlivých výrobcov, najmä čo sa týka úrovne zhromažďovania zbieraných dát, ktoré sa v ďalších procesoch musia nevyhnutne upravovať do zrozumiteľnej formy (číselná, grafická, vizuálna reprezentácia). Možnosti spracovania dát sa neobmedzujú iba na tzv. fabrické riešenia, keďže protokol IO-Link je otvorený a nezávislý od priemyselnej zbernice. Navyše podporuje kombinované využitie fabrického hardvéru a nezávislého softvérového spracovania dát.
Poďakovanie
Tento príspevok vznikol vďaka podpore v rámci projektu VEGA 1/0330/19 Výskum a návrh algoritmov a systémov pre fúziu rôznorodých dát v multisenzorových architektúrach.
Literatúra
[1] Vagaš, M. – Galajdová, A. – Šimšík, D.: IO-Link field parameterization for data collection based on RFID technology. In: Cybernetics & Informatics (K&I): 30th International Conference. Velké Karlovice, Czech Republic. p. 1 – 6. ISBN 978-1-7281-4381-1.
[2] e-F@ctory. Mitsubishi Electric systémy pre monitorovanie a riadenie procesov. [online].
[3] Stratégia digitálnej transformácie Slovenska 2030. [online].
[4] Balluff. S IO-Link k vylepšeniu kvality procesov. Dostupné tu.
doc. Ing. Marek Vagaš, PhD.
prof. Alena Galajdová, PhD.
Technická Univerzita v Košiciach
Strojnícka fakulta
Katedra automatizácie a komunikačných rozhraní
Park Komenského 8
042 00 Košice
Tel.: +421 55 602 3163
marek.vagas@tuke.sk