IO-Link: collegamento tra sensore ed edge computing

Ogni linea di produzione di una fabbrica genera grandi quantità di dati provenienti dai sensori, ma molte di queste informazioni sono rimaste storicamente inutilizzate. Il motivo è che le connessioni convenzionali dei sensori si basano su segnali di commutazione di base o uscite analogiche che forniscono un singolo valore di processo senza alcun contesto aggiuntivo sull'integrità o sulle condizioni operative dei dispositivi. IO-Link affronta questa limitazione, fornendo un livello di comunicazione digitale standardizzato (IEC 61131-9) che consente a sensori e attuatori di dialogare in modo diretto e bidirezionale con l'architettura di controllo più ampia.

Figura 1: Ogni linea di produzione di una fabbrica genera grandi quantità di dati provenienti dai sensori. (Immagine per gentile concessione di Adobe Stock)

Anziché sostituire l'infrastruttura fieldbus o Industrial Ethernet esistente, IO-Link opera come interfaccia complementare al livello più basso della gerarchia di automazione, utilizzando il cablaggio a tre o a cinque fili non schermato e i connettori M5, M8 o M12 standard già in dotazione ai costruttori, con una lunghezza dei cavi supportata fino a 20 metri. Ogni dispositivo IO-Link si collega a una porta dedicata su un master IO-Link, che aggrega i dati a livello di campo e li trasmette a livelli superiori a controller logici programmabili (PLC), gateway periferici o piattaforme cloud, preservando gli investimenti esistenti e aprendo un canale di dati ad alta risoluzione fino al singolo sensore.

Trasformare la manutenzione reattiva in strategia predittiva

La maggior parte delle strutture oscilla ancora tra due modelli di manutenzione, nessuno dei quali è ideale. La manutenzione reattiva attende essenzialmente il guasto, spesso risultando in tempi di fermo non pianificati e riparazioni affrettate, mentre i programmi preventivi basati sul calendario possono attivare la sostituzione dei componenti molto prima che sia effettivamente necessaria. IO-Link offre una terza opzione, dotando i team di manutenzione di una diagnostica continua a livello di sensore in grado di rivelare le prestazioni effettive delle apparecchiature in tempo reale.

Un buon caso d'uso per i dispositivi IO-Link è un sensore di pressione su una stazione di assemblaggio pneumatico. Con una connessione analogica standard, viene riportato solo il valore della pressione corrente. Una versione con IO-Link dello stesso sensore può invece comunicare simultaneamente la temperatura interna, le ore di funzionamento cumulative, l'intensità del segnale e gli eventuali codici di guasto, tutto attraverso lo stesso cavo a tre fili. Allo stesso modo, un sensore fotoelettrico che monitora i pezzi su un nastro trasportatore può segnalare la contaminazione progressiva delle lenti molto prima che la sua accuratezza di rilevamento si deteriori al punto di perdere le letture. Questa diagnostica granulare consente ai team di determinare gli intervalli di manutenzione in base alle condizioni effettive dei dispositivi piuttosto che alle ipotesi, evitando tanto le sostituzioni premature quanto i guasti imprevisti.

Quando si rende necessaria la sostituzione di un sensore, la funzione di memorizzazione dei dati integrata in IO-Link accelera notevolmente il processo, poiché il master IO-Link conserva l'intero set di parametri del dispositivo precedente e lo scrive automaticamente sull'unità sostitutiva in pochi secondi. Di conseguenza, i tecnici possono completare una sostituzione senza reinserire manualmente le impostazioni, riducendo il tempo medio di riparazione e mantenendo le linee di produzione in funzione con un'interruzione minima.

Migliorare la garanzia di qualità attraverso la trasparenza digitale

Una garanzia di qualità affidabile si basa sulla coerenza delle misure, ed è proprio qui che le connessioni analogiche dei sensori introducono un rischio. I segnali analogici si deteriorano su lunghe tratte di cavo e sono vulnerabili alle interferenze elettromagnetiche, il che significa che il valore ricevuto da un PLC può essere leggermente diverso da quello effettivamente misurato dal sensore. Anche se questo sembra un rischio minore, sulle centinaia di punti di misurazione in ambienti di produzione complessi, queste piccole imprecisioni si accumulano e possono spingere i processi al di fuori delle tolleranze accettabili. Anche in questo caso, IO-Link elimina questa variabile convertendo i dati di misura in un segnale digitale presso il sensore stesso, garantendo che la lettura che arriva al controllore corrisponda esattamente al valore acquisito alla sorgente.

IO-Link può anche migliorare il modo in cui le strutture gestiscono le sostituzioni di prodotti. Nelle linee di riempimento, nei sistemi di confezionamento e nelle celle di assemblaggio multivariante, il passaggio da una ricetta di prodotto all'altra richiede tipicamente la regolazione manuale dei parametri dei sensori da parte dei tecnici, un processo che richiede molto tempo ed è soggetto a errori di configurazione che possono causare deviazioni della qualità nei primi lotti dopo una sostituzione. Con IO-Link, il PLC può inviare simultaneamente nuovi profili di parametri ai sensori collegati, completando un'intera modifica della ricetta in pochi secondi anziché in vari minuti; inoltre, poiché questi profili sono memorizzati digitalmente e richiamati su richiesta, ogni sostituzione è sempre identica alla precedente.

Incrementare la produttività dal sensore all'Edge

Il flusso bidirezionale di dati dei sistemi IO-Link non si limita a migliorare le prestazioni dei sensori, ma crea anche una pipeline di informazioni end-to-end che collega la fabbrica alle analisi di livello enterprise. I master IO-Link possono consolidare i dati a livello di campo ed esporli tramite protocolli Industrial Ethernet come PROFINET, EtherNet/IP ed EtherCAT, rendendoli accessibili ai gateway periferici che eseguono una preelaborazione locale e una logica decisionale a bassa latenza. Gli stessi dati possono essere inoltrati al MES, all'ERP o ad altre piattaforme basate su cloud per una più ampia intelligence operativa.

Questa architettura dal sensore all'edge consente scenari di monitoraggio che non sarebbero praticabili con il cablaggio convenzionale. Ad esempio, un sistema di aria compressa può essere equipaggiato con sensori di flusso IO-Link che riportano i dati di consumo in formato digitale, consentendo alle strutture di individuare le perdite, monitorare i costi energetici per le singole macchina e ottimizzare le prestazioni pneumatiche senza dover installare hardware di monitoraggio separato. La stessa dorsale digitale supporta la sorveglianza dei circuiti di raffreddamento, il monitoraggio dell'integrità dei nastri trasportatori e il rilevamento delle condizioni ambientali nell'intero impianto.

I vantaggi si estendono anche all'installazione e alla messa in servizio, poiché i dispositivi IO-Link vengono identificati e configurati automaticamente attraverso i relativi file IODD (IO Device Description), rendendo la configurazione iniziale più rapida e meno dipendente da utenti con conoscenze specifiche. Eliminando le schede di ingresso analogiche dei PLC, i produttori possono semplificare la progettazione del sistema con una riduzione dei costi di cablaggio per punto rispetto alle installazioni analogiche. L'interoperabilità tra oltre 500 produttori di dispositivi in tutto il mondo garantisce inoltre che gli impianti possano essere ridimensionati senza essere vincolati all'ecosistema di uno specifico fornitore.

Soluzioni IO-Link di DigiKey: dai sensori ai sistemi

L'implementazione di un sistema IO-Link implica la scelta della giusta combinazione di sensori, master e componenti di connettività di fornitori con un'autentica esperienza nell'automazione industriale. Il catalogo di prodotti IO-Link di DigiKey riunisce l'intero ecosistema di cinque fornitori leader, ognuno dei quali apporta punti di forza distinti.

Figura 2: Dispositivi IO-Link di Festo. (Immagine per gentile concessione di Festo)

Festo si avvale di decenni di esperienza nell'automazione pneumatica ed elettrica per offrire una vasta gamma di sensori di pressione, sensori di flusso, trasmettitori di posizione e terminali per valvole IO-Link. La sua piattaforma di I/O decentralizzato CPX-AP-I include un modulo master IO-Link a 4 porte con protezione IP65/67 per installazioni su macchine, mentre i suoi sensori abilitati per IO-Link sono dotati di uscite PNP/NPN commutabili tramite software e memorizzazione dei dati integrata per la rapida messa in servizio e la fluida sostituzione dei dispositivi.

Figura 3: Soluzione IO-Link di ifm. (Immagine per gentile concessione di ifm)

In qualità di membro fondatore della comunità IO-Link, ifm ha creato uno dei più ampi cataloghi di dispositivi IO-Link disponibili. Il suo portafoglio di sensori funziona con una trasmissione del segnale completamente digitale, evitando le perdite di precisione che di solito affliggono la conversione analogico/digitale nelle installazioni legacy. Oltre ai sensori, l'ecosistema di ifm si estende ai dispositivi gateway periferici che instradano in modo sicuro i dati rilevati sul campo verso le piattaforme cloud, quali Microsoft Azure IoT Hub e AWS IoT Core, fornendo un percorso semplificato dai sensori in officina alle analisi di livello enterprise.

Figura 4: Dispositivi IO-Link di SICK. (Immagine per gentile concessione di SICK)

SICK supporta ulteriormente la tecnologia IO-Link attraverso le famiglie Smart Sensor Solutions e Sensor Integration Gateway (SIG), che aggiungono intelligenza embedded ai dispositivi sul campo. I suoi sensori IO-Link possono eseguire operazioni intelligenti decentralizzate come il conteggio e la misurazione della lunghezza direttamente sul dispositivo, riducendo il carico di elaborazione del PLC. Il software FieldEcho di SICK completa questi sensori fornendo accesso via browser a tutti i dati dei dispositivi IO-Link, gestendo automaticamente i download di IODD ed esponendo un'API REST per l'integrazione con MES, ERP e servizi cloud.

Figura 5: Tecnologia IO-Link di Pepperl+Fuchs. (Immagine per gentile concessione di Pepperl+Fuchs)

Pepperl+Fuchs offre una profonda esperienza nell'automazione di fabbrica e di processo, abbinando un'ampia gamma di sensori di dispositivi induttivi, capacitivi, fotoelettrici e a ultrasuoni a una solida infrastruttura master. Il master IO-Link ICE11 si distingue per la sua flessibilità multiprotocollo, in quanto supporta PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, CC-Link e MODBUS TCP da un unico dispositivo, mentre lo starter kit IIoT comprende un master, i sensori e tutti i cavi necessari per la prototipazione rapida immediata.

Figura 6: Trasmettitore di temperatura iTEMP TMT36 con IO-Link. (Immagine per gentile concessione di Endress+Hauser)

Endress+Hauser apporta il proprio patrimonio di strumentazione di processo all'offerta IO-Link di DigiKey, con particolare forza nelle applicazioni di trasformazione alimentare e delle bevande, di trattamento delle acque e farmaceutiche. I trasmettitori di pressione e i sensori di temperatura IO-Link offrono una capacità dual-mode, funzionando in modalità analogica tradizionale (4-20 mA) o digitale IO-Link attraverso una semplice modifica della configurazione, consentendo alle strutture di adottare la comunicazione digitale in modo incrementale, preservando i flussi di lavoro esistenti.

Conclusione

La tecnologia IO-Link si è rapidamente trasformata da un'opzione di connettività di nicchia in un fattore critico per la produzione guidata dai dati, con una base installata globale in rapida espansione e un ampio supporto da parte dei fornitori in diversi settori. Fornendo una comunicazione digitale bidirezionale su cavi industriali standard, questa tecnologia offre ai produttori la visibilità a livello di sensore necessaria per prevedere i problemi di manutenzione, mantenere la precisione delle misure e convogliare i dati rilevati in tempo reale sul campo alle piattaforme edge e cloud, dove possono favorire un miglioramento continuo.