IO-Link : principes de base et utilisation pour permettre l'IoT industriel

Les fabricants et les responsables d'installations sont de plus en plus conscients du potentiel de l'Internet des objets (IoT) et de l'Internet industriel des objets (IIoT) pour réduire les coûts, améliorer les processus et la sécurité, permettre une meilleure disponibilité des équipements et améliorer la qualité du produit final. Pour tirer parti de ce potentiel, les techniciens et les ingénieurs d'exploitation sur site ont besoin d'un moyen de déployer et de connecter efficacement des centaines, voire des milliers de capteurs et d'actionneurs intelligents, pour collecter des données sur les systèmes et des éléments de processus qui n'étaient pas initialement conçus pour la communication bidirectionnelle.

En même temps, et tout aussi difficile, il est nécessaire d'intégrer efficacement les réseaux actuels de dispositifs et de systèmes connectés dans les réseaux IIoT pour atteindre un niveau acceptable d'interopérabilité à tous les niveaux, tout en réduisant le plus possible le coût et la complexité du système.

La norme d'interface de communication numérique point-à-point IO-Link (CEI 61131-9) est une tentative mondiale de résoudre bon nombre de ces problèmes de connectivité de capteurs et d'actionneurs. Si elle est simple en théorie, le problème est que, comme il s'agit d'une norme relativement nouvelle, de nombreux concepteurs ne savent pas en quoi elle consiste ni comment l'utiliser.

Cet article présente IO-Link aux techniciens et ingénieurs d'exploitation qui souhaitent implémenter correctement et rapidement un réseau de capteurs, mais qui ne sont pas familiers avec la norme. À titre d'exemple, et pour aider à lancer la discussion sur les aspects pratiques de l'implémentation d'IO-Link, des composants système IO-Link adaptés de fournisseurs tels que STMicroelectronics, Texas Instruments, Carlo Gavazzi, Phoenix Contact, Analog Devices et Omron seront présentés.

Présentation d'IO-Link

IO-Link est un protocole de communication série filaire (ou sans fil) numérique point-à-point qui utilise le câble à trois fils omniprésent pour connecter des capteurs et des actionneurs. Il prend également en compte les dispositifs nécessitant une puissance supplémentaire en incluant l'interface à cinq fils standard. Il a été développé par le consortium IO-Link, et en 2010, il a été intégré à la norme CEI 61131-9 pour les contrôleurs logiques programmables (PLC) comme « Interface de communication numérique point-à-point pour petits capteurs et actionneurs » (SDCI).

La principale différence entre les E/S conventionnelles et IO-Link est que le protocole IO-Link est capable de transmettre quatre classes principales de données :

• Données de processus : les données de processus incluent des valeurs analogiques et des états de commutation, et sont envoyées de manière cyclique, c'est-à-dire à chaque cycle de communication.
• État de la valeur : chaque port a un état de la valeur (PortQualifier). L'état de la valeur indique si les données de processus sont valides ou non. L'état de la valeur peut être transmis de manière cyclique avec les données de processus.
• Données du dispositif : il peut s'agir de paramètres, de données d'identification et d'informations de diagnostic. Elles sont échangées de manière acyclique et à la demande du maître IO-Link. Les données du dispositif peuvent être écrites et également lues sur le dispositif.
• Événements : les événements sont acycliques et peuvent être des messages d'erreur (par exemple, un court-circuit), des avertissements/des données de maintenance (par exemple, des salissures, une surchauffe).

Notez que la transmission des paramètres ou des événements du dispositif se produit indépendamment de la transmission cyclique des données de processus. Ces transmissions ne s'influencent pas ni ne se détériorent mutuellement.

IO-Link ne nécessite pas de câbles ni de connecteurs spéciaux. Il spécifie plutôt l'utilisation de câbles standard non blindés à trois ou cinq conducteurs d'une longueur maximale de 20 mètres (m). Les connecteurs circulaires M5, M8 et M12 sont standard.

Pour le type de connexion à trois conducteurs, appelé classe de port A dans la nomenclature IO-Link, l'un des trois conducteurs est utilisé pour la communication, un autre pour l'alimentation des composants électroniques du dispositif et le dernier comme potentiel de référence commun. Cette connexion peut fournir une sortie de courant maximum de 200 mA. La spécification nécessite également un connecteur à quatre broches, la quatrième broche étant utilisée comme ligne de signaux supplémentaire conforme à CEI 61131-2. Sa prise en charge est optionnelle à la fois sur les maîtres et sur les dispositifs.

La connexion à cinq conducteurs mentionnée ci-dessus est appelée port de classe B et convient aux dispositifs (généralement des actionneurs) qui nécessitent une alimentation supplémentaire à partir d'une alimentation indépendante de 24 V à isolation galvanique.

L'une des fonctionnalités d'IO-Link est sa neutralité de bus de terrain. Cela permet de connecter la fonctionnalité IO-Link à n'importe quel bus de terrain. Les mappages standardisés dans les bus de terrain, tels que Profibus, Profinet, EtherCAT et Sercos, ou les mappages spécifiques au fabricant pour EtherNet/IP, CANopen, Modbus, CC-Link et AS-Interface peuvent être utilisés par IO-Link.

Cette neutralité du bus de terrain est possible, car chaque dispositif IO-Link possède une description de dispositif IODD (IO device description) indépendante du bus de terrain ou du contrôleur. L'IODD contient des informations sur le dispositif, comme le fabricant, le numéro de modèle, le numéro de série, le type de dispositif et les détails des paramètres.

Éléments de configuration d'un système IO-Link

Un système IO-Link comprend un maître IO-Link et des dispositifs IO-Link, tels que des capteurs et des actionneurs (Figure 1). Tous les dispositifs IO-Link se connectent à un maître IO-Link.

Figure 1 : Un système IO-Link se compose d'un contrôleur (encadré en noir), d'un ou de plusieurs maîtres IO-Link connectés via des connexions de câbles standard simples à trois ou cinq fils à des dispositifs IO-Link, tels que des capteurs et des actionneurs. (Source de l'image : communauté IO-Link)

Le contrôleur d'un système IO-Link est configuré par le maître des communications et le processeur. Il exécute le programme utilisateur et les E/S sont échangées avec le maître IO-Link.

L'unité maître IO-Link se connecte en tant qu'esclave au contrôleur via des bus de terrain, comme EtherCAT, Profibus ou le bus Omron NX (Figure 2). Cette unité effectue des communications IO-Link avec les dispositifs IO-Link.

Figure 2 : L'unité maître IO-Link présente plusieurs ports pour lui permettre une connexion 1:1 à plusieurs capteurs et actionneurs IO-Link. (Source de l'image : communauté IO-Link)

Si un événement se produit, le dispositif signale la présence de l'événement au maître. Ensuite, le maître lit l'événement. Les messages d'erreur sont transmis du dispositif au contrôleur ou à une interface homme-machine (IHM) via le maître IO-Link. Le maître IO-Link peut également transmettre des événements et des statuts pour son propre compte. Ces événements comprennent notamment les ruptures de fils ou les échecs de communication.

Chaque port d'un maître IO-Link est capable de traiter les deux signaux de commutation binaires et les valeurs analogiques (par exemple, 8 bits, 12 bits, 16 bits). La communication série IO-Link s'effectue via le même port. Outre un câblage aisé, les avantages supplémentaires d'IO-Link incluent le réglage automatisé des paramètres et des fonctionnalités de diagnostic étendues.

La norme IO-Link permet de disposer de deux octets de données de processus par cycle. La transmission entre le maître IO-Link et le dispositif prend 400 μs à une vitesse de 230 kbauds. Les utilisateurs peuvent contrôler la taille de la trame de données, de sorte que de plus grandes longueurs de données de processus allant jusqu'à 32 octets peuvent également être transmises à un temps de cycle inférieur.

Pour garantir que les données de paramètres d'un dispositif ne soient pas perdues lors du remplacement d'un dispositif, il est possible d'enregistrer ces données automatiquement, directement dans le maître IO-Link. Si un nouveau dispositif de substitution identique est connecté, les paramètres de l'ancien dispositif sont automatiquement transférés sur le nouveau dispositif.

Un bon exemple de fonctionnalité maître est fourni par la carte de démonstration de l'émetteur-récepteur de communication IO-Link STEVAL-IFP016V2 de STMicroelectronics (Figure 3). Cette carte est dotée d'un port maître IO-Link L6360 de STMicroelectronics qui fonctionne comme un émetteur-récepteur de communication pour plusieurs dispositifs E/S : il est à la fois compatible avec le mode de port maître IO-Link et le mode E/S standard. Cette carte interface avec un microcontrôleur externe et démontre la capacité du maître IO-Link monolithique L6360 en tant qu'émetteur-récepteur de communication pour plusieurs E/S.

Figure 3 : La carte de démonstration STEVAL-IFP016V2, avec un port maître IO-Link L6360 (au centre), montre la capacité du maître IO-Link monolithique L6360 en tant qu'émetteur-récepteur de communication pour plusieurs E/S. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Conseil : Demandez toujours au fabricant de la carte de démonstration les fichiers Gerber associés à sa carte afin de pouvoir les intégrer dans l'architecture du système.

Un autre exemple est la carte de démonstration DC1880A d'Analog Devices, qui présente le maître IO-Link quadruple LTC2874, le contrôleur de remplacement à chaud et l'interface de couche physique (PHY). Le LTC2874 peut également être configuré pour alimenter des dispositifs entrée/sortie série (SIO) à courant plus élevé dans des cas particuliers (Figure 4).¹

Figure 4 : La carte DC1880A est une carte de démonstration pour le contrôleur de remplacement à chaud quadruple LTC2874 et l'interface PHY pour un maître IO-Link. (Source de l'image : Analog Devices)

La carte fonctionne à partir d'une alimentation externe et utilise la carte de contrôleur série USB DC590B pour communiquer avec le LTC2874 à l'aide du protocole SPI (Figure 5). La carte de démonstration DC2026C Linduino One isolée et compatible Arduino complète le composant logiciel de prise en charge du système IO-Link.

Figure 5 : Pour démarrer avec la carte de démonstration DC1880A, téléchargez le logiciel d'évaluation associé, connectez la carte DC590B au PC et connectez la carte DC1880A à la carte DC590B. (Source de l'image : Analog Devices)

Pour démarrer avec la carte de démonstration DC1880A, téléchargez le logiciel QuickEval, connectez la carte DC590B au PC à l'aide d'un câble USB A/B standard et connectez la carte DC1880A à la carte DC590B à l'aide du câble plat à 14 conducteurs fourni avec la carte DC590B. Des cavaliers sur la carte DC1880A sont utilisés pour définir les différentes tensions afin d'alimenter les broches de tension VL sur la carte DC590 et les cartes DC1880A. La mise sous tension doit être effectuée par étapes. Avant de connecter l'alimentation d'entrée, assurez-vous qu'elle est inférieure à 40 V et que l'alimentation est coupée avant la connexion.

Opération de mise sous tension d'IO-Link

Lorsqu'un maître IO-Link comme le LTC2874 est mis sous tension, il interroge chaque dispositif connecté pour déterminer le mode de fonctionnement approprié pour le dispositif. Cela permet à un mélange de dispositifs existants et compatibles IO-Link de fonctionner de manière transparente dans le même système. Par exemple, les ports du LTC2874 sont définis comme un port E/S standard (SIO) (port 4) avec remplacement à chaud L+ et trois ports à fort courant (SIO+) (Figure 6).

Figure 6 : Le maître IO-Link quadruple LTC2874 configuré en trois ports SIO à fort courant (SIO+) et un port SIO à courant normal (port 4) avec remplacement à chaud L+. (Source de l'image : Analog Devices)

Des courants arbitrairement élevés, pour le fonctionnement du LTC2874 en mode SIO+, peuvent être obtenus en réaffectant les canaux de remplacement à chaud en tant que circuits d'attaque SIO à courant plus élevé. Le LTC2874 a un courant de communication ou de signalisation (CQ) nominal de 110 mA. Des courants plus élevés allant jusqu'à 440 mA peuvent être atteints en mettant en parallèle les canaux SIO. Notez que cela dépasse les spécifications IO-Link d'une sortie de courant maximum de 200 mA. Si un concepteur choisit de dépasser 200 mA, les fonctionnalités et capacités IO-Link du LTC2874 seront toujours maintenues, mais les exigences standard ne seront pas respectées.

Pour une interface IO-Link pour la communication point-à-point industrielle, la carte d'évaluation d'interface IO-Link SN65HVD101EVM de Texas Instruments pour les émetteurs-récepteurs SN65HVD101 et SN65HVD102 aident les concepteurs à évaluer les performances du dispositif, en prenant en charge le développement et l'analyse rapides de ces deux dispositifs PHY IO-Link.

Les couches PHY IO-Link SN65HVD101 et SN65HVD102 implémentent l'interface IO-Link pour la communication industrielle point-à-point. Lorsque les dispositifs sont connectés à un maître IO-Link, ils répondent à la communication initiée par le maître. Ces dispositifs PHY échangent des données avec le nœud maître, agissant comme une couche physique complète pour la communication bidirectionnelle.

Les maîtres IO-Link entièrement conditionnés et déployables incluent le maître IO-Link à huit canaux à montage sur rail DIN 1072839 IOL MA8 EIP DI8 de Phoenix Contact (Figure 7).

Figure 7 : Le maître IO-Link 1072839 à huit canaux de Phoenix Contact se monte sur un rail DIN et forme une passerelle IO-Link vers EtherNet/IP et Modbus TCP. (Source de l'image : Phoenix Contact)

L'IOL MA8 EIP DI8 forme une passerelle IO-Link complète vers EtherNet/IP et Modbus TCP, et peut connecter jusqu'à huit capteurs IO-Link avec une gestion Web (Figure 8). Il est doté de deux ports Ethernet classifiés commutateurs, de LED d'état et de connecteurs faciles à utiliser pour les ports d'alimentation et IO-Link.

Figure 8 : Une interface Web vers le maître IO-Link fournit un contrôle et un diagnostic complets de tous les dispositifs IO-Link connectés. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Un accès complet à tous les dispositifs IO-Link est fourni via l'interface Web. Par exemple, pour accéder aux pages de diagnostic de l'interface Web, l'utilisateur doit simplement se connecter à l'IOL MA8 EIP DI8, cliquer sur l'onglet « Diagnostics », puis sur le sous-onglet souhaité. Pour afficher la page de diagnostics IO-Link illustrée à la Figure 8, l'utilisateur doit simplement cliquer sur le sous-onglet « IO-Link ».

Capteurs IO-Link

Avec IO-Link, les concepteurs peuvent efficacement transférer les données de capteurs directement dans un système de contrôle. La flexibilité des capteurs compatibles IO-Link permet aux machines de fonctionner plus efficacement en fournissant des diagnostics au contrôleur. En plus de leur fonction de détection de base, par exemple la détection d'articles sur un tapis roulant, des capteurs appropriés, placés stratégiquement, peuvent fournir un état détaillé et précis de la machine. Cela est utilisé dans l'IIoT pour améliorer la disponibilité des équipements et la productivité globale en anticipant les pannes.

Les options de capteur pour IO-Link sont nombreuses. Par exemple, Carlo Gavazzi propose un capteur de proximité capacitif particulièrement robuste, le CA18CAN12BPA2IO. Le capteur présente un temps de réponse inférieur à 10 ms et utilise la technologie Tripleshield^TM de quatrième génération de la société pour fournir une meilleure immunité aux interférences électromagnétiques (EMI), en particulier aux variateurs de fréquence, et pour améliorer l'immunité à l'humidité et à la poussière (Figure 9).

Figure 9 : Le capteur de proximité capacitif CA18CAN12BPA2IO de Carlo Gavazzi est une nouvelle génération de capteurs ES de la série CA18CA qui offre une meilleure immunité aux EMI, en particulier aux variateurs de fréquence, ainsi qu'une meilleure immunité à l'humidité et à la poussière. (Source de l'image : Carlo Gavazzi)

Le capteur répond aux tests IP69K selon DIN 40050-9 pour les applications de lavage à haute pression et haute température. Il est fourni avec une longueur de câble de 2 m et a une plage de détection de 2 mm à 10 mm (encastré) ou de 3 mm à 15 mm (non encastré).

Les paramètres réglables via l'interface IO-Link sont les suivants :

• Distance de détection et hystérésis
• Modes de détection : point simple, point double ou mode fenêtre
• Fonctions de temporisation telles que : à la mise sous tension, à la mise hors tension, front montant et front descendant non récurrent
• Fonctions logiques, notamment : AND, OR, X-OR et SR-FF
• Entrée externe
• Fonctions d'enregistrement : températures maximales, températures minimales, heures de fonctionnement, cycles de fonctionnement, cycles d'alimentation, minutes au-dessus de la température maximale et minutes en dessous de la température minimale, entre autres

Il convient de noter que ces capteurs, comme tous les capteurs IO-Link, agissent comme des capteurs standard lorsqu'ils ne sont pas connectés à un système de contrôle compatible IO-Link. En conséquence, les utilisateurs peuvent stocker les mêmes capteurs pour les applications E/S standard et les applications IO-Link, simplifiant ainsi le processus de sélection et réduisant les coûts d'inventaire.

Si aucun PC ou ordinateur portable n'est disponible, le configurateur intelligent IO-Link SCTL55 de Carlo Gavazzi est un dispositif portable autonome qui peut modifier et optimiser les paramètres du capteur et utiliser les données disponibles pour améliorer les processus et aider à la maintenance préventive (Figure 10).

Figure 10 : Le configurateur intelligent de Carlo Gavazzi pour les capteurs IO-Link peut accéder aux données des capteurs et gérer les paramètres associés. (Source de l'image : Carlo Gavazzi)

Grâce à un écran tactile haute définition de 5,5 pouces et à des applications dédiées, les utilisateurs du configurateur intelligent peuvent accéder à des diagnostics avancés et procéder au dépannage, et afficher les heures de fonctionnement, le nombre de détections, les cycles de fonctionnement et les alarmes.

Mise à niveau des anciens systèmes de production automatisés avec IO-Link

La norme IO-Link stipule que la mise à niveau des systèmes hérités avec des structures de bus de terrain existantes peut être réalisée tant que la carte système d'IO-Link a déjà été implémentée pour le système de bus en question. Une extension des systèmes de bus existants est possible. Pour échanger des données entre un dispositif IO‐Link et un contrôleur logique programmable, le maître IO‐Link mappe les données IO‐Link vers le bus de terrain utilisé.

Les capteurs non compatibles IO-Link peuvent être connectés à un maître IO-Link s'ils ont des sorties PNP standard ou des sorties push-pull. Aucun câble ou connecteur IO-Link spécial n'est requis.

Conclusion

Avec l'adoption rapide de l'IIoT, les concepteurs ont besoin d'un moyen rapide et standardisé de déployer et de connecter des capteurs et des actionneurs intelligents. IO-Link apporte cette standardisation avec une interface numérique conviviale.

Comme illustré, il existe de nombreuses solutions prêtes à l'emploi pour aider les concepteurs à comprendre, à évaluer et à déployer rapidement les dispositifs IO-Link. Ainsi, ils peuvent tenir la promesse en matière de processus IIoT améliorés, de production plus efficace, de sécurité renforcée et de temps d'arrêt réduits.

Référence

1. Quad IO-Link master with higher current SIO channels ADI Power by Linear, note de conception 566, Eric Benedict - 29 novembre 2017