Che cos'è IO-Link 1.1 e come viene utilizzato?

Questo articolo parlerà di IO-Link e della differenza tra IO-Link 1.1 e le sue iterazioni precedenti. Dopodiché si passerà a delineare le situazioni in cui IO-Link è adatto all'uso nelle installazioni automatizzate.

Figura 1: L'uso di IO-Link è impennato negli ultimi anni, specialmente negli effettori finali dei bracci robotici e in altre applicazioni pneumatiche. (Immagine per gentile concessione di SICK Inc.)

Lo standard IEC 61131-9

Lo standard IEC 61131-9 - noto con il nome commerciale IO-Link - è uno standard aperto che definisce un sistema destinato a impartire connettività ad attuatori e sensori impiegati comunemente nell'automazione delle macchine. Stando ad alcune stime, la vendita annuale di dispositivi con funzionalità IO-Link potrebbe raddoppiare per i prossimi anni (superando i 12 miliardi di dollari entro il 2023). Questo fatto, insieme al numero crescente di OEM e impiantisti che hanno scoperto e sfruttato le funzioni IO-Link su hardware appena acquistato ed esistente, ha comportato un aumento piuttosto sostanziale dell'utilizzo di IO-Link, soprattutto negli ultimi anni.

Un breve riassunto storico

Nel 1982, la International Electrotechnical Commission (IEC) ha stabilito le convenzioni originali per i controller programmabili e il relativo software. Questo standard è stato aggiornato e rinominato IEC 1131 nel 1993; dopo un successivo aggiornamento e un altro cambio di nome nel 1997 è diventato lo standard internazionale IEC 61131.

La Parte 9 di IEC 61131 (lo standard di IO-Link) riguarda le "interfacce di comunicazione digitale single-drop per sensori e attuatori di piccole dimensioni" ai sensi di quanto stabilito dalla collaborazione di due sottocomitati IEC - uno incentrato sui dispositivi di misurazione e controllo e l'altro sulle reti industriali. L'interfaccia di comunicazione single-drop (abbreviata SDCI) indica che IO-Link impiega un singolo cavo (fino a 20 m) per collegare ciascun sensore o attuatore nel sistema - e tale cavo è un generico cavo non schermato a tre fili (in alcuni casi a cinque fili) ampiamente utilizzato per applicazioni di I/O industriali da decenni.

Figura 2: Un sensore con connettività IO-Link. (Immagine per gentile concessione di SICK Inc.)

Un errore molto comune è quello di pensare che IO-Link sia in qualche modo concorrente di DeviceNet, PROFINET, CC-Link, EtherNet/IP ed EtherCAT. Per dipanare ogni dubbio: IO-Link è solo una tecnologia I/O standardizzata e il suo scopo è in realtà quello di integrare le attuali reti di comunicazione, i bus backplane e i protocolli fieldbus. In molti casi, IO-Link impartisce funzioni di retroazione e automazione impossibili solo usando la rete scelta.

Figura 3: IO-Link semplifica l'integrazione dei dispositivi di campo in altri fieldbus e reti industriali comuni per una vasta gamma di funzionalità IIoT (Internet delle cose industriale). (Immagine per gentile concessione di SICK Inc.)

Con la comunicazione punto-punto SDCI di IO-Link, le connessioni sono effettuate da un punto a un dispositivo di campo (come un sensore o un altro slave) a un altro punto in un hub IO-Link o controller master. Alcuni produttori fanno riferimento ai master come scatole o moduli IO-Link. Le comunicazioni tra gli endpoint differiscono dalle comunicazioni tra dispositivi su reti e bus, che di solito implicano pacchetti o "telegrammi" trasmessi e letti a livello globale da dispositivi terminali destinatari o da altri slave.

Oggi, il consorzio IO-Link - il gruppo che si dedica costantemente al miglioramento e alla promozione di IO-Link - pubblica le sue regole, standard e aggiornamenti su io-link.com.

Software IO-Link per la configurazione

Tutti i dispositivi IO-Link devono essere configurati prima dell'uso. La messa in servizio di solito avviene tramite software fornito gratuitamente dai produttori di dispositivi pronti per IO-Link o dal produttore del PLC o di un altro controller industriale di alto livello per comandare l'installazione automatizzata. I progettisti hanno spesso familiarità con questo tipo di software per sistema di controllo, che semplifica la configurazione dei parametri del dispositivo IO-Link per quell'ambiente. Tale connettività viene anche impartita ai sensori installati e ad altri dispositivi, per consentire la regolazione al volo dei loro parametri.

Figura 4: Le barriere fotoelettriche di SICK Inc. consentono di configurare da desktop le funzioni IO-Link. (Immagine per gentile concessione di SICK Inc.)

Durante il tipico processo di configurazione, lo sviluppatore utilizza il software per integrare virtualmente il master IO-Link e i suoi dispositivi nel resto del progetto automatizzato. Tramite un menu di configurazione, imposta i parametri del dispositivo e del master per soddisfare i principali requisiti architettonici del sistema.

Il software necessario per configurare i dispositivi IO-Link utilizza file IODD (descrizione del dispositivo IO) standardizzati. In alcuni casi i file IODD complementari sono di tipo proprietario dipendenti dal dispositivo o DTM, nonché istruzioni aggiuntive oltre ai blocchi funzionali offerti dai produttori di dispositivi per semplificare ulteriormente la programmazione dei dispositivi tramite GUI (interfacce grafiche utente).

I file IODD contengono il nome del dispositivo, il modello, le immagini per popolare le GUI, i tipici intervalli operativi e i segnali previsti per l'interfaccia di sistema IO-Link. Il consorzio IO-Link ospita una libreria di file IODD scaricabili organizzata in base al produttore del dispositivo, reperibile all'indirizzo ioddfinder.io-link.com. Questi file vengono infine caricati sul master IO-Link (così come sugli eventuali hub in uso sul sistema) per consentire operazioni di base e funzioni diagnostiche.

Dati di processo, evento e dispositivo in IO-Link

Ogni installazione IO-Link gestisce automaticamente i dati tramite il proprio master. I dati vengono trasmessi dai dispositivi di campo a cadenza regolare (elaborati dal controller come dati ciclici) o trasmessi su richiesta o quando necessario (elaborati dal controller come dati aciclici). Inoltre, il controller classifica e gestisce tutti i dati come:

Dati di evento – una forma di dati aciclici. Questo include errori e allarmi di manutenzione, nonché informazioni sulla risoluzione dei problemi determinate da movimenti degli assi o da sensori e segnali di commutazione problematici o comunque compromessi.

Dati di processo – una forma di dati ciclici. Si tratta di informazioni operative di base come posizione, livello, distanza e altro che i dispositivi di campo raccolgono e inviano continuamente a monte al master IO-Link. In alcuni casi, i segnali dei dati di processo sono accompagnati da dati sullo stato del valore. Sfruttando la natura bidirezionale della comunicazione IO-Link, i dati di processo possono anche seguire un percorso inverso (dal dispositivo master al dispositivo di campo) per far sì che i dispositivi modifichino il loro comportamento o che visualizzino un codice preimpostato agli operatori.

Dati del dispositivo – una forma di dati aciclici. Queste sono informazioni sul dispositivo di campo e sul suo modello, le impostazioni dei parametri, lo stato, la posizione e altri valori letti. Sfruttando la natura bidirezionale della comunicazione IO-Link, i dati del dispositivo possono anche essere trasferiti dal master al dispositivo per impostare nuovi parametri, ecc.

IO-Link da 1.0 a 1.1: che cosa è cambiato?

Nel 2013, il consorzio IO-Link ha aggiornato IO-Link dalla versione 1.0 a 1.1. Una novità di IO-Link 1.1 è il supporto di una terza velocità di trasmissione dati (la più veloce per lo standard) attraverso un canale denominato COM3 che migliora le capacità precedentemente possibili con le connessioni COM1 e COM2.

COM1 – Modalità di comunicazione SDCI con trasmissione fino a 4,8 kbit/sec • Tempi di ciclo di soli 18,0 msec

COM2 – Modalità di comunicazione SDCI con trasmissione fino a 38,4 kbit/sec • Tempi di ciclo di soli 2,3 msec

COM3 – Modalità di comunicazione SDCI con trasmissione fino a 230,4 kbit/sec • Tempi di ciclo di soli 0,4 msec

Tutti i master IO-Link 1.1 devono supportare questa nuova velocità dati e i dispositivi di campo che la utilizzano. Inoltre, i master 1.1 supportano sia i dispositivi 1.0 sia 1.1.

Un'altra nuova funzionalità di 1.1 sfrutta il requisito che impone ai dispositivi IO-Link con specifiche simili (anche di produttori diversi) di essere intercambiabili. Questo, unito al fatto che i master 1.1 possono memorizzare i parametri, consente di configurare automaticamente i dispositivi IO-Link sostituiti a caldo, semplificando la sostituzione di sensori danneggiati o guasti.

Alternative tradizionali a IO-Link

IO-Link migliora i processi di installazione automatizzata in diverse situazioni.

Molte strutture automatizzate dipendono ancora fortemente dal monitoraggio da parte dell'operatore, ossia il controllo manuale dello stato della macchina e dei potenziali problemi. In queste situazioni, grazie alla sua semplicità IO-Link offre un'alternativa per il monitoraggio più efficiente e affidabile delle macchine. Questo perché a differenza degli I/O tradizionali, IO-Link include la comunicazione bidirezionale per consentire una rapida configurazione e la diagnosi veloce delle condizioni dell'attuatore e del sensore.

IO-Link elimina inoltre agli impianti l'incombenza delle impostazioni manuali dei parametri dei dispositivi di campo, un approccio ancora relativamente comune. Con questo approccio, gli impiantisti sono costretti ad accedere fisicamente ai dispositivi di campo nelle apparecchiature remote (o annidati nelle macchine) per leggerli, risolvere i problemi o riconfigurarli. Per contro, IO-Link consente agli operatori di scaricare i parametri da librerie online o locali, il che è particolarmente utile per ridurre al minimo i tempi di fermo macchina durante le riparazioni o i cambi di formato. Spesso la configurazione avviene tramite un normale software di controllo.

I controlli centralizzati negli armadi sono comuni anche nelle configurazioni tradizionali. L'hardware associato a IO-Link (per integrare i dispositivi di campo compatibili con IO-Link) è miniaturizzato, quindi può adattarsi anche a macchine dall'ingombro molto ristretto e può supportare controlli distribuiti.

IO-Link semplifica l'uso di dati analogici, eliminando la necessità di convertitori specializzati (tipici delle apparecchiature tradizionali) per interpretare i segnali analogici da 4 a 20 mA. Inoltre, IO-Link espande il volume di informazioni trasmissibili con segnali analogici, discreti e binari (off-on).

Altre osservazioni sui segnali analogici tradizionali 4 ~ 20 mA con IO-Link

Nelle installazioni tradizionali i sensori analogici richiedono cavi schermati, connettori specializzati e:

• Convertitori analogico/digitale o uscite A/D

• Convertitori digitale/analogico o ingressi D/A (per la comunicazione bidirezionale)

Questi componenti possono far lievitare i costi e la complessità di progettazione (specialmente se è richiesta la calibrazione) e in alcuni casi possono deteriorare i dati trasmessi.

Come già accennato, IO-Link utilizza cavi a tre fili non schermati o cavi a cinque fili equivalenti con alimentazione e questo vale anche per i dispositivi analogici, rendendo più affidabile la trasmissione del segnale tra il sensore e il controller ed eliminando le perdite di dati. IO-Link funge da singola interfaccia per la comunicazione, indipendentemente dal fatto che il dispositivo sia un sensore, un attuatore, una pinza o una valvola, molto più semplice rispetto alle installazioni che richiedono interfacce diverse per la commutazione binaria, I/O analogico o RS232.

Avvertenze e limitazioni di IO-Link

Finora sono stati discussi alcuni dei modi in cui IO-Link è vantaggioso per i progetti automatizzati. Tuttavia, lo sforzo maggiore e la complessità dell'implementazione di IO-Link laddove approcci più semplici sono sufficienti (o se il progetto è una macchina autonoma) non sono sempre giustificabili.

Negli ambienti in cui IO-Link ha senso, un fattore potenzialmente limitante è che i cavi non devono superare i 20 m. Ciò non vale per i sistemi alternativi, in particolare quelli che utilizzano segnali analogici per la retroazione, che possono adattarsi a tratte molto più lunghe, comuni nelle operazioni automatizzate su larga scala.

Fino a poco tempo fa un'altra limitazione di IO-Link riguardava il tempo di ciclo. Con l'introduzione della modalità di comunicazione COM3 (con tempi di ciclo fino a 0,4 msec) IO-Link 1.1 soddisfa anche le operazioni di automazione piuttosto impegnative, anche alcune associate al controllo del movimento. Naturalmente i dispositivi IO-Link 1.0 sono ancora soggetti ai limiti di COM1 e COM2; ma è normale avere dispositivi con tempi di ciclo variabili che lavorano da un unico master, quindi sono possibili aggiornamenti incrementali del sistema.

Il file IODD di ogni dispositivo include informazioni utili al master sull'intervallo di tempo (tempo di ciclo) in cui il master può indirizzare quel particolare dispositivo. Tutto questo, insieme al tempo richiesto dal master per l'elaborazione, influisce sul tempo di risposta complessivo. Il limite di IO-Link sui dati di processo di ingresso e uscita è di 32 byte, il che può impedire o complicare l'adozione di IO-Link per determinate applicazioni con lettori e monitor. Anche in questo caso, però, i dispositivi con capacità di elaborazione integrata stanno tentando di superare questa limitazione.

Un'ultima potenziale limitazione è che non tutti i tipi di sensori speciali sono disponibili nei modelli dotati di funzionalità IO-Link.

Sottocomponenti fisici e installazione

Figura 5: Hub IO-Link (a sinistra), moduli master IO-Link per singolo dispositivo (al centro) e master IO-Link. (Immagine per gentile concessione di SICK Inc.)

Master IO-Link

I master IO-Link (come detto, anche chiamati moduli o scatole da alcuni produttori) sono componenti hardware che assolvono tre funzioni:

1. Fungono da punto di comunicazione per i dispositivi di campo IO-Link collegati. Tutti i dispositivi utilizzano una delle tre velocità di comunicazione standard; è compito del master determinare la velocità da utilizzare.

2. Memorizzano tutti i file IODD e i parametri per i dispositivi di campo IO-Link collegati. Ciò significa che all'avvio, il master potrebbe accettare i parametri del dispositivo e quindi passare alla normale modalità operativa accettando scambi ciclici di dati e valori di processo.

3. Si collegano a macchine di livello superiore e a controlli di automazione come PLC e PAC per comunicare i dati ai rispettivi fieldbus, reti o backplane. Questa condivisione a sua volta rende i dati più accessibili per le funzioni immediate della macchina e per l'analisi a livello aziendale in strutture con programmi IIoT. Visti i risultati della connettività dei master IO-Link a PLC, HMI e PAC, negli ultimi anni i produttori di questi componenti hanno iniziato a rilasciare sul mercato master IO-Link di loro produzione, in molti casi sotto forma di terminali e moduli. IOLA2US-01101 di SICK Inc. è un esempio di master a porta singola.

Tutte le porte su un master IO-Link in funzione sono disattivate, impostate per accettare un ingresso e/o un'uscita digitale oppure funzionano in modalità IO-Link tramite un UART (ricetrasmettitore asincrono universale) in modalità half-duplex. Un tipico master IO-Link potrebbe includere otto porte per:

• Accoppiarsi direttamente a vari dispositivi di campo
• Accoppiarsi a hub IO-Link che fungono da estensioni master (a loro volta collegati ad array di dispositivi di campo)

Hub IO-Link

Oggi i più avanzati hub IO-Link (a volte chiamati blocchi di distribuzione) possono aiutare un singolo master IO-Link a collegare più di 100 (e in alcuni casi più di 200) dispositivi di campo. Un protocollo hub-link standard supera in prestazioni i sistemi proprietari per una configurazione di sistema semplificata. La memorizzazione delle informazioni sui dispositivi sia sul master IO-Link sia sui suoi hub assicura l'integrità del sistema, verificando che i dispositivi di campo aggiuntivi o sostitutivi siano compatibili con il progetto.

Funzioni di cavi e connettori dello standard IO-Link

Costruzione a tre fili del cavo: come accennato in precedenza, il cablaggio impiegato da IO-Link ha una struttura non proprietaria a tre fili non schermata per trasportare 24 V e 200 mA. Laddove un dispositivo di campo (come un attuatore) necessiti di alimentazione, viene utilizzata una versione del cavo a cinque fili.

Connettori M5, M8 e M12: quando il master IO-Link assume la forma di un blocco su guida DIN o un progetto simile destinato a risiedere all'interno degli armadi delle apparecchiature di comando, i collegamenti dei cavi avvengono tramite i normali terminali a innesto. Ma se i collegamenti IO-Link impiegano connettori per cavi (come sui master IO-Link destinati al montaggio su macchina), lo standard IO-Link richiede geometrie M5, M8 e M12. I connettori a cinque fili sono generalmente classificati IP65/67.

Quantificazione della robustezza dei componenti IO-Link

Il settore automotive è il leader indiscusso nell'uso di IO-Link. Tuttavia, i settori farmaceutico e di trasformazione alimentare hanno iniziato a utilizzare un numero maggiore di componenti IO-Link, in particolare quelli classificati per la resistenza al lavaggio. Tali componenti rinforzati supportano disposizioni I/O montate a macchina per un controllo completamente distribuito. Le classificazioni per i componenti IO-Link in questo genere di installazioni includono:

• IP20 – indica un livello di protezione zero dall'acqua ma la capacità di resistere alla penetrazione di polvere e alla normale manipolazione
• IP67 – indica la protezione completa dalla penetrazione di polvere e resistenza temporanea dalle infiltrazioni durante l'immersione in acqua (che può essere utile all'aperto)
• IP69K – indica la protezione dalle infiltrazioni durante il lavaggio a caldo e ad alta pressione associato alle procedure di disinfezione

Inoltre, alcuni componenti IO-Link includono la certificazione ECOLAB - una designazione che aiuta i costruttori di macchine nel settore alimentare e delle bevande a conformarsi alle normative, comprese quelle associate alla Legge sulla modernizzazione della sicurezza alimentare, e prevenire la manipolazione o l'imballaggio di alimenti in condizioni non sicure.

Come viene utilizzato IO-Link 1.1

Componenti comuni con le funzionalità IO-Link

I dispositivi di campo supportati da IO-Link possono essere classificati come attuatori e sensori.

Attuatori nei sistemi IO-Link: gli attuatori sono i componenti elettromeccanici che accettano ingresso elettrico e producono un'uscita meccanica. Le opzioni di attuatori compatibili con IO-Link abbondano e includono attuatori lineari pneumatici, collettori e valvole pneumatici, solenoidi ed elettrovalvole e persino motori passo-passo. I collegamenti a questi dispositivi avvengono generalmente tramite cavi a cinque fili e utilizzano le comunicazioni in tempo reale su doppio canale senza i ritardi introdotti dai tempi di ciclo del controller. Ciò consente alle comunicazioni IO-Link simultanee di richiedere la valutazione dei dati o altre risposte secondarie.

Sensori nei sistemi IO-Link: i sensori comuni con connettività IO-Link includono quelli per tracciare e indicare posizione, spostamento, temperatura, pressione e colore. Altre opzioni ampiamente disponibili includono sensori fotoelettrici IO-Link e sistemi di rilevamento RFID (questi ultimi (supportati in modo più completo con le maggiori capacità di IO-Link 1.1). 

Il caso speciale delle barriere fotoelettriche

Anche se il tema della sicurezza esula dall'obiettivo di questo articolo, vale la pena notare che alcune barriere fotoelettriche hanno connettività IO-Link per consentire l'accesso alle statistiche e ai dati in tempo reale associati alla barriera.

Ecco alcuni esempi:

• Barriere fotoelettriche di sicurezza F3SG-SR di Omron
• Barriere fotoelettriche di SICK Inc.

Specifiche sull'impiego delle comunicazioni IO-Link

Funzionalità IIoT e connettività cloud: IO-Link ha la capacità di memorizzare i dati sui suoi master e di inviarli per il backup. Questo aspetto, così come il modo in cui IO-Link si integra nelle reti industriali esistenti, supporta la funzionalità IIoT; sfruttando tutti i vantaggi della parametrizzazione automatizzata e della raccolta dei dati.

Trasmissione di dati ad altri bus e reti: poiché IO-Link si integra in tutte le reti industriali e fieldbus comuni e consente comunicazioni bidirezionali tra master e dispositivi, i dati di processo, servizio ed eventi possono essere condivisi a monte con i controlli di livello superiore e persino con i sistemi aziendali.

Utilizzo di IO-Link per aggiornare le apparecchiature legacy

Retrocompatibilità: come accennato in precedenza, IO-Link 1.1 accetta sensori che utilizzano velocità di comunicazione COM1, COM2 e COM3, il che consente agli impiantisti di continuare a utilizzare la tecnologia legacy caratterizzata da un'elettronica un po' meno sofisticata e con velocità dei dati minori. La retrocompatibilità è assicurata con i nuovi master 1.1: a tutti lo standard IEC 61131-9 richiede il supporto dei dispositivi 1.0 e 1.1.

Settori e utenti che sfruttano al massimo la tecnologia IO-Link

Produttori, OEM, assemblatori di macchine, tecnici di impianti e utenti finali beneficiano tutti di IO-Link. Per ulteriori informazioni su IO-Link, scaricare qui il manuale IO-Link in formato PDF di Maxim Integrated.