Augmenter la productivité des actionneurs dans les usines intelligentes avec IO-Link

La transition vers l'Industrie 4.0, ou l'Internet industriel des objets (IIoT), se poursuit afin d'atteindre un rendement, une sécurité et une productivité accrus, à des coûts globaux inférieurs. Un élément crucial de cet effort est la connectivité des dispositifs. Cela peut représenter un défi car il faut choisir une norme de communication appropriée et concevoir des interfaces et des logiciels associés, ce qui peut ralentir le déploiement des usines intelligentes.

Les concepteurs de systèmes d'automatisation industrielle ont besoin d'une approche standard, fiable, efficace et plus modulaire pour faciliter des déploiements rapides et rentables.

Pour résoudre ce problème, ils peuvent se tourner vers IO-Link, une interface éprouvée utilisée dans les usines intelligentes. IO-Link est une interface SDCI (Single-drop Digital Communication Interface) point-à-point bidirectionnelle qui est régie par plusieurs normes, notamment CEI 61131-2, CEI 61131-9 (SDCI) et IO-Link 1.1.3.

Cet article aborde brièvement la transition vers des usines intelligentes et les défis que cela implique pour les concepteurs. Il donne ensuite un aperçu du fonctionnement IO-Link et de la manière dont il simplifie les déploiements d'usines intelligentes. Il présente des exemples de dispositifs IO-Link d'Analog Devices, y compris un dispositif esclave qui peut être utilisé pour remplacer les actionneurs pneumatiques et fournir des performances améliorées, un dispositif esclave avec un convertisseur CC/CC intégré, et un dispositif maître. Des conceptions de référence sont disponibles pour réaliser rapidement des actionneurs industriels avec IO-Link.

Simplifier la transition vers des usines intelligentes

La transition vers des usines intelligentes accroît la nécessité de disposer d'un moyen simple d'ajouter l'intelligence à la périphérie pour la mise en service, la surveillance et la reconfiguration des capteurs et des actionneurs. La simplicité d'installation d'IO-Link et sa capacité de communication bidirectionnelle favorisent le déploiement de l'intelligence en périphérie. Dans un cas, IO-Link a été crédité d'une réduction de 90 % des temps d'installation et de mise en service.

En pratique, les paramètres peuvent être téléchargés via IO-Link pour configurer ou reconfigurer les dispositifs. Cela élimine le besoin d'intervention d'un technicien et réduit les temps d'arrêt. Les capacités de diagnostic intelligent, de détection des erreurs et d'enregistrement des données d'IO-Link peuvent être utilisées pour recueillir des informations opérationnelles en temps réel dans l'ensemble de l'usine, ce qui réduit davantage les temps d'arrêt.

L'architecture d'un système IO-Link consiste en des connexions point-à-point entre le maître IO-Link et divers périphériques IO-Link. L'utilisation de connecteurs M8 ou M12 standard et d'un câble à 3 ou 4 fils de 20 mètres (m) de long simplifie l'installation du système. Les dispositifs maîtres IO-Link sont généralement dotés de 4 ou 8 ports, chacun étant connecté à un dispositif IO-Link. Chaque port peut fonctionner en mode entrée/sortie standard (SIO) ou en mode de communication bidirectionnelle. Comme il s'agit d'une architecture point-à-point, IO-Link n'est pas un bus de terrain, mais il est compatible avec les bus de terrain et Industrial Ethernet et peut se connecter aux contrôleurs logiques programmables (PLC) et aux interfaces homme-machine (IHM) (Figure 1).

Figure 1 : IO-Link est compatible avec les bus de terrain et les réseaux Industrial Ethernet IEEE. (Source de l'image : communauté IO-Link)

En plus de fonctionner en mode SDCI, IO-Link est rétrocompatible avec la norme CEI 60974-5-2 pour les capteurs binaires. La communication point-à-point basique utilise une interface à 3 fils (L+, C/Q et L-). En mode IO-Link, la communication entre les dispositifs maître et esclave est bidirectionnelle avec trois vitesses de transmission possibles : COM1 de 4,8 kilobits par seconde (kbps), COM2 de 38,4 kbps et COM3 de 230,4 kbps (Figure 2). Un maître IO-Link doit prendre en charge les trois débits de données afin de pouvoir communiquer avec tout dispositif esclave connecté. Les dispositifs esclaves ne prennent en charge qu'un seul débit de données. La communication est assurée par des impulsions de 24 volts (V) avec un codeur sans retour à zéro (NRZ) sur la ligne C/Q. En mode IO-Link, la broche 2 peut être en mode d'entrée numérique (DI), en mode de sortie numérique (DO), ou non connectée. Le dispositif IO-Link (capteur ou actionneur) doit fonctionner dans les 300 millisecondes (ms) après que L+ a dépassé un seuil de 18 V.

Figure 2 : La communication IO-Link est bidirectionnelle et peut supporter 4,8 kbps, 38,4 kbps et 230,4 kbps. (Source de l'image : )

Fichier de description IODD

Tous les capteurs et actionneurs IO-Link disposent d'un fichier IODD (IO-Link Device Description) (Figure 3). Le fichier IODD est un fichier xml qui fournit au maître IO-Link les données dont il a besoin pour identifier et configurer le dispositif et interpréter ses données.

• Contenu du fichier IODD :
  • Propriétés nécessaires pour prendre en charge la communication
  • Paramètres du dispositif
  • Informations d'identification
  • Informations de processus et de diagnostic
  • Une image du dispositif et le logo du fabricant
• La structure IODD est décrite séparément de la norme CEI 61131-9
• Une base de données centralisée pour les fichiers IODD est maintenue par le Consortium IO-Link

Figure 3 : Le fichier IODD est un fichier xml qui inclut les informations requises par le maître IO-Link pour identifier, configurer et communiquer avec chaque dispositif esclave. (Source de l'image : Analog Devices)

Liaison de données et types de données

Les échanges de messages entre le maître IO-Link et les dispositifs sont gérés par la couche liaison de données (DL). Les messages sont des trames d'une longueur comprise entre 1 et 66 mots UART (émetteur-récepteur universel asynchrone) et sont appelés « séquences M ». Les messages peuvent concerner des données sur demande, des requêtes et des commandes de gestion système, ainsi que des données de processus ordinaires. Le maître inclut un gestionnaire DL qui prend en charge les erreurs et les messages d'erreur et gère les modes de fonctionnement tels que : activation, vitesses COM, SIO, entre autres. Lorsque le maître envoie une requête, les dispositifs sont tenus de répondre.

La communication IO-Link peut être synchrone ou asynchrone. Les maîtres et les dispositifs IO-Link incluent des gestionnaires de données de processus pour la communication synchrone, et un gestionnaire sur demande pour la communication asynchrone de données d'événement, de commande, de paramètre et ISDU (Index Service Data Unit). Les données asynchrones sont sur demande et peuvent contenir les éléments suivants :

• Contrôle et informations de configuration ou de maintenance
• Déclenchement par événement, avec trois niveaux d'urgence :
  • Erreurs
  • Avertissements
  • Notifications
• Données de page pour lire directement les paramètres du dispositif
• Données de service pour les grandes structures de données

L'intégration d'IO-Link dans les maîtres et les dispositifs peut être complexe. Pour garantir l'interopérabilité des dispositifs et un fonctionnement fiable du système, les normes doivent être entièrement mises en œuvre. Pour intégrer rapidement des communications IO-Link efficaces et fiables dans les actionneurs des usines intelligentes, les concepteurs peuvent utiliser des solutions pré-conçues pour les maîtres et les dispositifs. Les circuits intégrés de contrôle des dispositifs IO-Link sont dotés de circuits d'attaque ultrabasse consommation avec protection active contre la polarité inverse et ils sont disponibles avec ou sans convertisseur CC/CC intégré. Ils sont également dotés d'une interface périphérique série (SPI) qui prend en charge des diagnostics étendus. Les circuits intégrés émetteurs-récepteurs maîtres IO-Link à deux canaux prennent en charge un fonctionnement basse consommation et simplifient la sélection du microcontrôleur (MCU) en incluant des gestionnaires de trames avec UART et des capacités FIFO (premier entré, premier sorti).

Remplacer les actionneurs pneumatiques avec IO-Link

IO-Link offre un moyen simple de bouleverser les approches traditionnelles de contrôle des processus et d'améliorer le fonctionnement des usines en remplaçant les actionneurs pneumatiques par des servocommandes et des commandes numériques sophistiquées. Par exemple, les concepteurs peuvent utiliser la conception de référence de servocommande IO-Link MAXREFDES37# pour accélérer la mise sur le marché (Figure 4). Cette conception de référence fournit une alimentation de 5 V et inclut quatre sorties à modulation de largeur d'impulsion (PWM), ainsi que quatre entrées numériques pour contrôler jusqu'à quatre servomoteurs.

La carte comprend un connecteur M12-4 pour la connexion à un maître IO-Link. Les embases à 3 broches permettent la connexion rapide aux servomoteurs de 5 V standard, dont l'un est inclus dans la conception de référence de base. La connexion aux entrées numériques de 5 V, à la masse de l'alimentation et aux quatre canaux PWM s'effectue à l'aide de blocs de jonction à fils. La pile de dispositifs IO-Link de Technologie Management Gruppe Technologie und Engineering (TMG TE) IO-Link est incluse. Le MAXREFDES37# peut être utilisé en combinaison avec le maître IO-Link à deux canaux MAXREFDES277 dans un facteur de forme Pmod qui inclut un programme d'interface utilisateur graphique (GUI) pour la vérification aisée avec un PC Windows.

Figure 4 : Le MAXREFDES37# est doté d'un connecteur M12 (à gauche) pour la connexion à un maître IO-Link, et il est fourni avec un servomoteur (à droite). (Source de l'image : Analog Devices)

Le MAXREFDES37# intègre le circuit intégré d'émetteur-récepteur IO-Link MAX14821ETG+T et le circuit intégré de régulateur abaisseur CC/CC MAX17504ATP+T. L'émetteur-récepteur MAX14821ETG+T peut être utilisé avec des dispositifs IO-Link et des actionneurs ou des capteurs binaires de 24 V. Tous les débits de données IO-Link spécifiés sont pris en charge, et les circuits d'attaque C/Q et DO peuvent générer ou absorber jusqu'à 100 milliampères (mA). L'émetteur-récepteur exécute le protocole de couche DL pour l'interface avec un microcontrôleur. Deux régulateurs linéaires internes fournissent un courant continu (VCC) de 5 V et 3,3 V pour alimenter les capteurs et les actionneurs, et des entrées et sorties numériques de 24 V sont également incluses. Les circuits d'attaque DO et C/Q intégrés peuvent être configurés indépendamment pour un fonctionnement push-pull, bas potentiel (NPN) ou haut potentiel (PNP). L'émetteur-récepteur peut être configuré et surveillé via une interface SPI.

Le convertisseur abaisseur CC/CC à redressement synchrone MAX17504 intégré fonctionne sur une plage d'entrée de 4,5 VCC à 60 VCC. Il a une tension de sortie de 0,9 V à 90 % de la tension d'entrée et délivre jusqu'à 3,5 ampères (A). La précision de régulation est de ±1,1 % de -40 degrés Celsius (°C) à +125°C. Il présente un rendement de crête > 90 % et un courant d'arrêt de 2,8 microampères (μA).

Émetteur-récepteur pour maître ou dispositifs avec CC/CC intégré

Le MAX22514 est disponible pour les concepteurs de maîtres et de dispositifs IO-Link. Grâce à un haut niveau d'intégration — avec un régulateur abaisseur CC/CC, deux régulateurs linéaires et une protection intégrée contre les surtensions — et à une faible dissipation de puissance et un choix de boîtier WLP (2,5 millimètres (mm) x 2,6 mm) ou TQFN (4 mm x 5 mm), cet émetteur-récepteur convient bien aux applications IO-Link industrielles à espace restreint (Figure 5).

Par exemple, le MAX22514AWA+ est disponible en boîtier WLP. Son interface SPI prend en charge la configurabilité et les diagnostics, et il supporte également les débits de données COM1, COM2 et COM3.

Figure 5 : L'émetteur-récepteur MAX22514 est hautement intégré et adapté à une utilisation dans les maîtres et les dispositifs IO-Link. (Source de l'image : Analog Devices)

Pour réduire le temps de développement, les concepteurs peuvent utiliser des conceptions de référence telles que le MAXREFDES278#. Il s'agit d'une conception de référence d'actionneur à solénoïde à 8 canaux basée sur l'émetteur-récepteur IO-Link MAX22514, qui présente le MAX22200, un circuit d'attaque de solénoïde octal intégré de 1 A commandé en série avec des transistors à effet de champ (FET) intégrés. La conception de référence intègre un régulateur abaisseur CC/CC. Un logiciel compatible avec Windows est inclus et fournit une interface utilisateur graphique pour explorer les fonctionnalités du MAX22514. Un câble USB-A vers micro-B est utilisé pour connecter la carte d'évaluation à un PC.

Maître à deux canaux

Lorsqu'un maître IO-Link à deux canaux est nécessaire, les concepteurs peuvent se tourner vers l'émetteur-récepteur MAX14819ATM+, qui inclut deux canaux d'entrée numériques auxiliaires. Un gestionnaire de trames IO-Link intégré élimine le recours à des UART externes, et le temporisateur de cycle intégré décharge le microcontrôleur des tâches critiques en termes de temps. Cet émetteur-récepteur peut être utilisé en combinaison avec les isolateurs numériques MAX14931FAWE+ et MAX12930EASA+T. Le MAX14931FAWE+ est doté de quatre canaux pour transmettre les signaux numériques dans une direction. Le MAX12930EASA+T dispose de deux canaux pour le transfert de données. Le kit d'évaluation MAX14819EVKIT# est disponible pour le MAX14819A et inclut les isolateurs numériques MAX14931 et MAX12930 (Figure 6).

Figure 6 : Le kit d'évaluation de maître IO-Link à deux canaux MAX14819EVKIT# inclut l'émetteur-récepteur MAX14819 et les isolateurs numériques MAX12930 et MAX14931. (Source de l'image : Analog Devices)

Conclusion

Pour pouvoir tirer parti des avantages de l'IIoT et de l'Industrie 4.0, les capteurs et les transducteurs doivent être déployés rapidement et de manière rentable. À cette fin, IO-Link offre aux concepteurs de systèmes d'automatisation industrielle une approche standard, fiable, efficace et modulaire. Comme illustré, avec des composants disponibles dans le commerce, les concepteurs peuvent utiliser IO-Link pour ajouter de l'intelligence en périphérie pour la mise en service, la surveillance et la reconfiguration des capteurs et des actionneurs.

Lecture recommandée

1. Comment concevoir un réseau superposé modulaire pour l'optimisation du traitement des données de l'industrie 4.0 dans l'IIoT