Utilisation d'IO-Link dans les applications industrielles

Avec l'avènement de la quatrième révolution industrielle et de l'Industrie 4.0, l'automatisation étendue et intelligente a été définie par des contrôles, une surveillance et des diagnostics avancés. De telles capacités ne sont possibles que grâce à la connectivité industrielle, qui permet d'unifier les contrôleurs et les dispositifs des machines sur une plateforme (telle qu'IO-Link) pour un échange continu de données.

Figure 1 : IO-Link complète les protocoles réseau existants en s'intégrant facilement aux réseaux de bus de terrain ou Ethernet via l'unité primaire IO-Link. La connexion entre une unité primaire IO-Link et ses dispositifs IO-Link se fait par l'intermédiaire d'un câble non blindé à trois ou cinq fils, capable également d'alimenter les dispositifs IO-Link. Ici, l'alimentation de l'unité primaire est de 24 VCC. (Source de l'image : Pepperl+Fuchs)

Les technologies clés qui soutiennent la connectivité industrielle sont des réseaux normalisés et des dispositifs dotés de fonctionnalités de communications embarquées. Les protocoles abondent pour ces fonctions. Cependant, tous les protocoles industriels ne répondent pas aux exigences d'échange de données et d'intelligence requises par l'automatisation d'aujourd'hui. IO-Link a été créé pour satisfaire un large éventail de ces applications modernes.

Comme décrit dans un précédent article sur digikey.fr, IO-Link est un protocole de communication filaire point-à-point qui facilite la communication bidirectionnelle intelligente de données entre les dispositifs. Typiquement, les unités primaires IO-Link (contrôleurs locaux) disposent de plusieurs ports IO-Link (canaux) auxquels différents dispositifs IO-Link peuvent être connectés indépendamment les uns des autres. Grâce à ces connexions de points d'extrémité nœud-à-nœud, IO-Link est un protocole de communication point-à-point.

Lancé en 2009 par un consortium de 41 membres qui compte aujourd'hui des centaines de membres, IO-Link est devenu un protocole de communication largement accepté pour exploiter des données cruciales pour les objectifs suivants :

• Optimisation des opérations
• Réduction des temps d'arrêt et rationalisation de la maintenance
• Réduction des coûts des matières premières et prise de décisions opérationnelles stratégiques

L'interface IO-Link harmonisée est définie par la norme CEI 61131-9 et elle est soutenue par Siemens, Omron Corp., ifm Efector, Balluff, Cinch Connectivity, Banner Engineering, Rockwell Automation, SICK, Pepperl+Fuchs et des dizaines d'autres fabricants de systèmes et de composants. Il n'est donc pas étonnant que la connectivité IO-Link soit largement utilisée dans les opérations impliquant l'automatisation d'assemblage, les machines-outils et l'intralogistique. Ses trois principales utilisations, dans ce contexte et dans d'autres contextes industriels, sont la communication d'état, le contrôle des machines et l'intelligence des dispositifs.

Les modes de contrôleur IO-Link sont en corrélation avec les utilisations

Figure 2 : Le type de connecteur utilisé avec le câble de connexion dépend du type de port. Les ports primaires IO-Link de classe A acceptent des connecteurs M8 ou M12 (comme l'AL1120 d'ifm Efector illustré ici) comportant jusqu'à 4 broches, tandis que leurs homologues de classe B acceptent des connexions avec des dispositifs dotés de connecteurs M12 à 5 broches (pour les communications de données bidirectionnelles). Le mode attribué au port d'une unité primaire à un moment donné est déterminé par le dispositif auquel il est connecté et par le fonctionnement en cours. (Source de l'image : ifm Efector)

Comme décrit dans de précédents articles sur digikey.fr, le protocole de communication IO-Link permet à chaque port de connecteur sur une unité primaire (contrôleur) de haut niveau IO-Link de prendre en charge quatre modes de communication. Ces modes incluent un mode entièrement désactivé ainsi que des modes de fonctionnement IO-Link, à entrée numérique (DI) et à sortie numérique (DQ). Les modes correspondent approximativement aux trois principales utilisations IO-Link répertoriées ci-dessus.

Le mode de fonctionnement IO-Link prend en charge les communications de données bidirectionnelles avec les dispositifs de terrain et il est typiquement utilisé pendant la collecte de données pour la surveillance, les tests et les diagnostics. Le port d'une unité primaire en mode DI accepte les entrées numériques et fonctionne lorsque le port est connecté à des capteurs — dans ce contexte, agissant comme des dispositifs d'entrée. En revanche, un port en mode DQ agit comme une sortie numérique, généralement lorsque le port est connecté à un actionneur (dans ce contexte, effectivement un dispositif de sortie) ou lorsqu'un PLC système est configuré pour envoyer directement des instructions à un autre dispositif IO-Link.

Bien que cela dépasse le cadre de cet article, il convient de noter que les ports d'une unité primaire IO-Link peuvent facilement passer d'un mode à l'autre. Par exemple, le port d'une unité primaire connectée à un capteur peut fonctionner en mode DI — puis passer en mode de communication IO-Link lorsque des données de diagnostic et de surveillance provenant du capteur sont requises par l'unité primaire.

Application IO-Link 1 de 3 : communications d'états exploitables

Figure 3 : IO-Link facilite la création de systèmes de contrôle et d'automatisation hautement avancés. L'industrie des machines-outils utilise abondamment les capteurs IO-Link pour vérifier les pressions et positions correctes des outils de fraisage et de serrage des pièces. (Source de l'image : Getty Images)

La surveillance des machines est possible grâce à des dispositifs IO-Link configurés pour générer des rapports d'état pouvant informer le système des ajustements et corrections nécessaires. Un exemple dans le domaine des machines-outils est l'utilisation de capteurs de pression IO-Link qui vérifient que les pièces sont serrées à la pression appropriée afin d'assurer un maintien sans dommage et sûr pendant les opérations d'enlèvement de matériau. Ici, les capteurs IO-Link aident essentiellement à optimiser les tâches de la machine pour réduire le nombre de pièces rejetées.

Les dispositifs IO-Link peuvent également effectuer des communications d'états exploitables afin de prendre en charge des routines de maintenance améliorées pour minimiser les temps d'arrêt. Par exemple, les capteurs de position IO-Link d'une machine d'assemblage peuvent signaler en permanence l'emplacement des effecteurs terminaux pour s'assurer qu'aucun n'est hors de portée ou d'alignement.

En analysant les données de diagnostic fournies par les dispositifs IO-Link, les techniciens des machines d'une usine peuvent anticiper et corriger les erreurs et les pannes potentielles avant qu'elles ne se produisent. Les techniciens peuvent également identifier les maillons faibles d'une machine ou d'une usine — afin d'adapter les changements opérationnels au niveau de l'entreprise, les décisions d'achat et les conceptions de machines captives dans le futur.

Application IO-Link 2 de 3 : contrôle avancé et automatisation

Figure 4 : Un système IO-Link impliqué dans les contrôles avancés inclut une unité primaire (contrôleur) IO-Link, comme le NX-ILM400 d'Omron illustré ici, et divers capteurs, alimentations et dispositifs mécatroniques compatibles IO-Link connectés à cette unité primaire. Les systèmes IO-Link pour de telles applications relient généralement les dispositifs et l'unité primaire IO-Link à un PLC ou à un autre système d'automatisation. (Source de l'image : Omron)

Le contrôle et l'automatisation sont d'autres fonctions d'application prises en charge par IO-Link. Lorsqu'une installation IO-Link prend en charge des fonctions s'exécutant sans intervention du personnel, l'unité primaire IO-Link se connecte souvent à un système hôte ou à un PLC de niveau supérieur qui traite les données reçues et commande ensuite directement ou indirectement les actionneurs de la conception pour qu'ils effectuent les réponses coordonnées appropriées. Ce type de contrôle automatisé nécessite que le système IO-Link se connecte à un contrôleur de niveau supérieur via des câbles et des protocoles de bus de terrain ou Ethernet standardisés. En fait, la plupart des unités primaires IO-Link disposent de ports de bus de terrain ou Ethernet pour de telles connexions.

Les dispositifs utilisés dans les applications de contrôle avancées impliquant des systèmes IO-Link s'intègrent de l'une des trois manières suivantes :

• Connexion directe à l'ordinateur hôte ou au PLC
• Connexion à une unité primaire IO-Link et communication via le protocole IO-Link
• Utilisation de communications compatibles IO-Link et connexion à une unité primaire IO-Link via un concentrateur IO-Link

Ce dernier sert essentiellement d'intermédiaire pour connecter des périphériques non-IO-Link à l'unité primaire.

Un avantage supplémentaire des systèmes IO-Link disposant d'une connectivité de communication Ethernet et de bus de terrain est que les connexions longue distance sont possibles — ce qui permet aux installateurs de placer les unités primaires IO-Link dans une armoire de commande ou aux extrémités de la machine si cela s'avère le plus judicieux pour une application donnée.

Les unités primaires IO-Link profitent aux applications d'assemblage avancées en servant de contrôleurs de bas niveau capables de traiter les signaux numériques et analogiques. Ici, les unités primaires peuvent effectuer les tâches suivantes :

• Accepter les données générées par les codeurs linéaires IO-Link sur les axes d'un étage XY
• Traiter ces données comme une passerelle
• Envoyer les données traitées des dispositifs de terrain IO-Link au PLC ou à un autre contrôleur système

Application IO-Link 3 de 3 : intelligence des dispositifs

Figure 5 : L'interface de connexion IO-Link est très petite et peut s'adapter à la plupart des dispositifs de terrain compacts. L'illustration montre un capteur de proximité BUS004Z de Balluff avec connectivité IO-Link. (Source de l'image : Balluff)

La troisième application pour IO-Link est de rendre les dispositifs intelligents. Particulièrement fréquents dans les conceptions de capteurs qui ressemblent à des options de capteurs classiques sans programmation (ou avec une programmation plus modeste), ces dispositifs compatibles IO-Link peuvent recevoir des instructions, surveiller et exécuter des routines d'autotest, et générer des données. Comme IO-Link permet également aux dispositifs de fournir plus que des données de base à deux valeurs (oui/non ou réussite/échec), la communication de valeurs précises est également possible. Par exemple, les tâches d'automatisation des processus bénéficient des capteurs de température IO-Link qui ne se contentent pas de signaler un état de basse ou haute température, mais qui signalent en permanence la valeur exacte de la température d'une zone ou d'un volume surveillé.

Un autre avantage d'IO-Link pour les dispositifs de terrain intelligents est la compacité de ses connexions physiques. Cela contraste avec les connexions physiques des interfaces de bus de terrain et Ethernet, qui peuvent parfois être trop volumineuses pour s'adapter aux micro-dispositifs de terrain.

Les composants intelligents IO-Link peuvent également être contrôlés avec précision. Par exemple, au lieu d'une simple commande marche/arrêt, il est possible d'ordonner à un actionneur de s'arrêter lorsqu'un scénario répond à un ensemble de conditions.

Les dispositifs d'entrée tels que les boutons-poussoirs de RAFI peuvent tirer parti des fonctions IO-Link pour prendre en charge des fonctionnalités de dispositifs intelligents — notamment les voyants lumineux à code couleur.

L'utilisation d'IO-Link pour les applications de dispositifs intelligents est soumise à certaines réserves. Bien qu'une forme sans fil d'IO-Link soit en cours de développement, il s'agit toujours d'un protocole de communication filaire, qui est donc toujours soumis à toutes les limites d'un câblage fixe. Pour maintenir l'intégrité des données, le câblage entre les dispositifs et l'unité primaire IO-Link ne doit pas dépasser 20 m. De plus, comme le protocole IO-Link ne peut transmettre que 32 octets de données par cycle, il est insuffisant pour les dispositifs de terrain tels que les caméras, qui peuvent générer plusieurs Mo de données par minute.

Conclusion

Les utilisations des systèmes IO-Link sont nombreuses pour compléter les protocoles existants, à la base de systèmes de collecte de données et de contrôles pratiquement illimités. La simplicité des systèmes IO-Link, qui se composent uniquement d'une unité primaire IO-Link et de ses dispositifs, et de câbles à trois ou cinq fils confectionnés, a favorisé leur adoption. L'installation plug-and-play et la rentabilité sont d'autres avantages d'IO-Link.

Les efforts déployés par les entreprises membres du consortium IO-Link ont permis de garantir une large compatibilité entre les contrôleurs, les dispositifs et les actionneurs de différents fabricants, ce qui a permis aux ingénieurs de conception de disposer d'un vaste choix d'équipements pour leurs cas d'utilisation spécifiques.