IO-Link 1-1 : présentation et utilisation

Cet article présente IO-Link et la manière dont IO-Link 1.1 diffère des versions précédentes. L'article décrit ensuite les domaines dans lesquels IO-Link est approprié pour les installations automatisées.

Figure 1 : L'utilisation d'IO-Link est montée en flèche ces dernières années, en particulier dans les applications robotiques et pneumatiques. (Source de l'image : SICK Inc.)

Origine de la norme CEI 61131-9

La norme CEI 61131-9, portant le nom de marque IO-Link, est une norme ouverte qui définit un système permettant de conférer une connectivité aux actionneurs et aux capteurs fréquemment utilisés dans l'automatisation des machines. Selon certaines estimations, la vente de dispositifs dotés de capacités IO-Link pourrait doubler tous les ans au cours des prochaines années (pour dépasser les 12 milliards de dollars d'ici 2023). Ce fait, avec un nombre croissant d'équipementiers et d'ingénieurs d'usine découvrant et exploitant les fonctions IO-Link sur du matériel nouveau et existant, a entraîné une augmentation assez spectaculaire de l'utilisation d'IO-Link ces dernières années en particulier.

Bref historique

En 1982, la Commission électrotechnique internationale (CEI) a établi ses premières conventions pour les contrôleurs programmables et leurs logiciels. Cette norme a été mise à jour et rebaptisée CEI 1131 en 1993 ; une nouvelle mise à jour et l'attribution d'un nouveau nom en norme internationale CEI 61131 ont eu lieu en 1997.

La partie 9 de CEI 61131 (à nouveau, la norme d'IO-Link) concerne les interfaces SDCI pour les petits capteurs et actionneurs, comme établi par la collaboration de deux sous-comités de la CEI, l'un axé sur les dispositifs de mesure et de contrôle et l'autre sur les réseaux industriels. L'interface Single-Drop Communication Interface (SDCI) signifie qu'IO-Link utilise un seul câble (jusqu'à 20 m) pour connecter chaque capteur ou actionneur dans le système, et ce câble est un câble générique non blindé à trois fils (ou dans certains cas, à cinq fils), largement utilisé pour les applications E/S industrielles depuis des décennies.

Figure 2 : Capteur avec connectivité IO-Link. (Source de l'image : SICK Inc.)

Une idée fausse incroyablement courante est qu'IO-Link est en quelque sorte en concurrence avec DeviceNet, PROFINET, CC-Link, EtherNet/IP et EtherCAT. Pour être clair : IO-Link n'est qu'une technologie E/S standardisée, et son but est en fait de complémenter les réseaux de communication, les bus de fond de panier et les protocoles de bus de terrain actuels. Dans de nombreux cas, IO-Link permet des fonctions d'automatisation et de retour qui ne sont pas possibles avec le réseau choisi seul.

Figure 3 : IO-Link simplifie l'intégration de dispositifs de terrain dans d'autres bus de terrain et réseaux industriels fréquents pour une gamme étendue de fonctionnalités IIoT (Internet industriel des objets). (Source de l'image : SICK Inc.)

Avec la communication point-à-point SDCI d'IO-Link, les connexions sont effectuées d'un point à un dispositif de terrain (tel qu'un capteur ou un autre esclave) à un autre point à un concentrateur IO-Link ou à un contrôleur maître. Certains fabricants appellent les maîtres boîtiers ou modules IO-Link. Les communications entre les points d'extrémité diffèrent des communications entre dispositifs des réseaux et des bus, qui impliquent généralement des paquets ou des « télégrammes » diffusés globalement et lus par les dispositifs d'extrémité récepteurs ou d'autres esclaves.

Aujourd'hui, le consortium IO-Link — le groupe dédié à l'amélioration et à la promotion continues d'IO-Link — publie ses règles, normes et mises à jour sur io-link.com.

Logiciel IO-Link pour la configuration

Tous les dispositifs IO-Link doivent être configurés avant d'être utilisés. La mise en service se fait généralement par le biais d'un logiciel fourni gratuitement par les fabricants de dispositifs compatibles IO-Link, ou par le fabricant du PLC ou d'autres contrôleurs industriels de haut niveau pour commander l'installation automatisée. Les ingénieurs de conception sont souvent familiarisés avec de tels logiciels de système de contrôle, ce qui simplifie la configuration des paramètres des dispositifs IO-Link dans cet environnement. Cette connectivité est également conférée aux capteurs et autres dispositifs installés... pour permettre l'ajustement de leurs paramètres à la volée.

Figure 4 : Les barrières immatérielles de sécurité de SICK Inc permettent la configuration des fonctions IO-Link sur le bureau. (Source de l'image : SICK Inc.)

Durant le processus de configuration typique, l'ingénieur utilise le logiciel pour intégrer virtuellement le maître IO-Link et ses dispositifs dans le reste de la conception automatisée. Via un menu de configuration, l'ingénieur définit les paramètres des dispositifs et du maître pour satisfaire aux exigences de l'architecture système dans son ensemble.

Le logiciel de configuration des dispositifs IO-Link utilise des fichiers IODD (IO Device-Description) standardisés. Dans certains cas, les fichiers IODD sont complétés par des fichiers de gestionnaire de type de dispositif ou DTM propriétaires ainsi que par des instructions complémentaires en plus des blocs de fonctions proposés par les fabricants de dispositifs pour simplifier davantage la programmation des dispositifs via leur propre interface graphique (GUI).

Les fichiers IODD contiennent le nom du dispositif, le modèle, l'imagerie permettant d'alimenter les interfaces graphiques, les plages de fonctionnement typiques et les signaux attendus pour l'interface système IO-Link. Le consortium IO-Link héberge une bibliothèque de fichiers IODD téléchargeables, organisée par le fabricant de dispositifs sur ioddfinder.io-link.com. Enfin, ces fichiers sont chargés sur le maître IO-Link (ainsi que sur les concentrateurs si ceux-ci sont utilisés sur le système) pour permettre le fonctionnement de base ainsi que les fonctions de diagnostic.

Données de processus, d'événements et de dispositifs dans IO-Link

Chaque installation IO-Link gère automatiquement les données par l'intermédiaire de son maître. Les données sont transmises depuis les dispositifs de terrain soit de manière régulière (traitées par le contrôleur comme des données cycliques), soit sur demande ou selon les besoins (traitées par le contrôleur comme des données acycliques). De plus, le contrôleur classifie et gère toutes ces données comme suit :

Données d'événements — Une forme de données acycliques. Il s'agit notamment des erreurs et des alarmes de maintenance, ainsi que des informations de dépannage provoquées par les mouvements d'axes ou les signaux de capteurs et de commutateurs qui sont problématiques ou compromis d'une manière ou d'une autre.

Données de processus — Une forme de données cycliques. Il s'agit d'informations opérationnelles de base telles que la position, le niveau, la distance, etc., que les dispositifs de terrain collectent en continu et envoient en amont au maître IO-Link. Dans certains cas, ces signaux de données de processus sont accompagnés de données d'état de valeur sur leur chemin vers le maître. Grâce à la nature bidirectionnelle de la communication IO-Link, les données de processus peuvent également être inversées (du maître vers le dispositif de terrain) pour déclencher le changement de comportement des dispositifs ou afficher un code prédéfini que les opérateurs de machine peuvent noter.

Données de dispositifs — Une forme de données acycliques. Il s'agit d'informations sur le dispositif de terrain et son modèle, les réglages des paramètres, le statut, la position et d'autres valeurs de lecture. Grâce à la nature bidirectionnelle de la communication IO-Link, les données du dispositif peuvent également être transférées du maître au dispositif pour définir de nouveaux paramètres.

IO-Link 1.0 à 1.1 — Qu'est-ce qui a changé ?

En 2013, le consortium IO-Link a mis à jour IO-Link de 1.0 à 1.1. La nouveauté d'IO-Link 1.1 est la prise en charge d'un troisième débit de transmission de données (et pour la norme, le plus rapide) par un canal appelé COM3, qui améliore les capacités précédemment possibles avec les connexions COM1 et COM2.

COM1 — Mode de communication SDCI avec transmission jusqu'à 4,8 kbits/s • Durée de cycle de seulement 18,0 ms

COM2 — Mode de communication SDCI avec transmission jusqu'à 38,4 kbits/s • Durée de cycle de seulement 2,3 ms

COM3 — Mode de communication SDCI avec transmission jusqu'à 230,4 kbits/s • Durée de cycle de seulement 0,4 ms

Tous les maîtres IO-Link 1.1 doivent prendre en charge ce nouveau débit de données et les dispositifs de terrain qui l'utilisent. De plus, les maîtres 1.1 prennent en charge les dispositifs 1.0 et 1.1.

Une autre nouveauté de la version 1.1 est l'exigence que les dispositifs IO-Link avec des spécifications similaires (même de fabricants différents) soient interchangeables. Cela, combiné au fait que les maîtres 1.1 peuvent stocker des paramètres, permet une configuration automatique des dispositifs IO-Link échangés à chaud, simplifiant le remplacement des capteurs endommagés ou défaillants.

Alternatives traditionnelles à IO-Link

IO-Link améliore les processus des installations automatisées dans plusieurs situations.

Dans de nombreuses installations automatisées, c'est toujours la surveillance par l'opérateur qui prédomine (suivi manuel de l'état des machines et des problèmes potentiels). Dans de telles situations, IO-Link offre une alternative viable (grâce à sa simplicité) pour une surveillance des machines plus efficace et plus fiable. En effet, contrairement aux E/S traditionnelles, IO-Link inclut une communication bidirectionnelle pour permettre une configuration rapide ainsi qu'un diagnostic des conditions des actionneurs et des capteurs.

IO-Link libère également les usines des réglages manuels des paramètres des dispositifs de terrain, une approche encore relativement courante dans l'industrie. Avec cette approche, les ingénieurs d'usine sont obligés d'accéder physiquement aux dispositifs de terrain dans des équipements distants (ou enfouis dans des machines) pour les consulter, les dépanner ou les reconfigurer. À l'inverse, IO-Link permet aux opérateurs de télécharger les paramètres à partir de bibliothèques en ligne ou locales, ce qui est particulièrement utile pour minimiser les temps d'arrêt des machines lors des réparations ou des changements de fonctionnement. Souvent, la configuration est effectuée avec un logiciel de commande ordinaire.

Les commandes centralisées dans des armoires sont également fréquentes dans les configurations traditionnelles. Le matériel associé à IO-Link (pour compléter les dispositifs de terrain compatibles IO-Link) est miniaturisé, de sorte qu'il peut s'intégrer même dans des machines très étroites et prendre en charge les commandes distribuées.

IO-Link simplifie l'utilisation des données analogiques, éliminant le recours à convertisseurs spécialisés (que l'on trouve dans les équipements traditionnels) pour gérer les signaux analogiques de 4 à 20 mA. IO-Link étend également la quantité d'informations transmissibles avec des signaux analogiques, discrets et binaires (off-on).

En savoir plus sur les signaux analogiques 4-20 mA traditionnels avec IO-Link

Les capteurs analogiques dans les installations traditionnelles requièrent un câble blindé, des connecteurs spécialisés et les éléments suivants :

• Convertisseurs de sortie analogique-numérique ou A/N

• Convertisseurs d'entrée numérique-analogique ou N/A (pour la communication bidirectionnelle)

Ces éléments peuvent accroître le coût et la complexité de la conception (en particulier lorsqu'un étalonnage est requis) et, dans certains cas, ils peuvent dégrader les données transmises.

Comme mentionné, IO-Link utilise des câbles à trois fils non blindés ou des câbles à cinq fils équivalents avec alimentation, et cela s'applique également aux dispositifs analogiques, ce qui rend la transmission des signaux entre le capteur et le contrôleur plus fiable et élimine les pertes de données. IO-Link agit en tant qu'interface unique pour la communication, que le dispositif soit un capteur, un actionneur, un préhenseur ou une vanne, ce qui est beaucoup plus simple que les installations qui exigent des interfaces disparates pour la commutation binaire, E/S analogique ou RS232.

Mises en garde et limitations d'IO-Link

Jusqu'à présent, cet article a abordé certaines des manières dont IO-Link est bénéfique aux conceptions automatisées. Toutefois, les efforts supplémentaires et la complexité de la mise en œuvre d'IO-Link lorsque des approches plus simples suffisent (ou lorsque la conception en question est une machine autonome) ne sont pas toujours justifiables.

Dans les cas où l'utilisation d'IO-Link a du sens, un facteur potentiellement limitant est que (comme mentionné), les longueurs de câble ne doivent pas dépasser 20 m. Cela contraste avec les systèmes alternatifs, en particulier ceux qui utilisent des signaux analogiques pour le retour, qui peuvent s'adapter à des longueurs beaucoup plus longues, fréquentes dans les opérations automatisées à grande échelle.

Jusqu'à récemment, une autre limitation d'IO-Link était la durée de cycle. Avec l'introduction du mode de communication COM3 (avec des durées de cycle de seulement 0,4 ms), IO-Link 1.1 est acceptable même pour des tâches d'automatisation assez exigeantes, y compris celles associées au contrôle de mouvement. Bien entendu, les dispositifs IO-Link 1.0 sont toujours soumis aux limitations de COM1 et COM2, mais comme c'est la norme d'avoir des dispositifs avec des durées de cycle différentes fonctionnant depuis un seul maître, des mises à niveau système incrémentielles sont possibles.

Le fichier IODD de chaque dispositif inclut des informations pour le maître sur l'intervalle de temps (durée de cycle) pendant lequel le maître peut s'adresser à ce dispositif particulier. Ces informations, ainsi que la durée requise pour le propre temps de traitement du maître, ont une incidence sur le temps de réponse global. La limite IO-Link sur les données de processus d'entrée et de sortie est fixée à 32 octets, ce qui peut empêcher ou compliquer l'adoption d'IO-Link pour certaines applications de lecture et de suivi. Bien que même dans ce cas, les dispositifs dotés de capacités de traitement embarqué tiennent compte de cette limitation.

Une dernière limitation potentielle est que tous les types de capteurs spécialisés ne sont pas disponibles dans les modèles dotés de la fonctionnalité IO-Link.

Sous-composants physiques et installation

Figure 5 : Concentrateurs IO-Link (à gauche), modules maîtres IO-Link à un dispositif (au milieu) et maîtres IO-Link. (Source de l'image : SICK Inc.)

Maîtres IO-Link

Les maîtres IO-Link (également appelés modules ou boîtiers par certains fabricants) sont des éléments matériels dotés de trois fonctions :

1. Ils servent de point de communication pour les dispositifs de terrain IO-Link connectés. Tous les dispositifs utilisent l'un des trois débits de communication standard ; il appartient au maître de déterminer le débit utilisé.

2. Ils stockent tous les fichiers IODD et les paramètres des dispositifs de terrain IO-Link connectés. Cela signifie qu'au démarrage, le maître peut accepter les paramètres du dispositif et passer ensuite au mode de fonctionnement normal qui consiste à accepter des échanges cycliques de valeurs et de données de processus.

3. Ils se connectent aux commandes de machines et d'automatisation de haut niveau telles que les PLC et PAC pour communiquer des données à leurs bus de terrain, réseaux ou fonds de panier. Ce partage rend à son tour les données plus accessibles pour les fonctions immédiates des machines ainsi que pour l'analyse au niveau de l'entreprise dans les installations avec des programmes IIoT. Du fait de la connectivité des maîtres IO-Link aux PLC, IHM et PAC, les fabricants de ces composants ont commencé ces dernières années à commercialiser leurs propres maîtres IO-Link, souvent sous la forme de terminaux et (comme mentionné) de modules. L'IOLA2US-01101 de SICK Inc. est un exemple de maître à un port.

Tous les ports d'un maître IO-Link en fonctionnement sont soit désactivés, soit configurés pour accepter une entrée et/ou une sortie numériques, soit exécutés en mode IO-Link à l'aide d'un émetteur-récepteur universel asynchrone (UART) en mode semi-duplex. Un maître IO-Link typique peut inclure huit ports pour :

• Couplage direct à divers dispositifs de terrain
• Couplage à des concentrateurs IO-Link qui servent d'extensions maîtres (qui à leur tour se connectent à des réseaux de dispositifs de terrain)

Concentrateurs IO-Link

Aujourd'hui, les concentrateurs IO-Link (parfois appelés blocs de distribution) les plus avancés peuvent aider un seul maître IO-Link à connecter plus de 100 (et dans certains cas plus de 200) dispositifs de terrain. Un protocole concentrateur-liaison standard surpasse les systèmes propriétaires pour une configuration simplifiée du système. Le stockage des informations des dispositifs sur le maître IO-Link et ses concentrateurs permet de maintenir l'intégrité du système, en vérifiant que les dispositifs de terrain supplémentaires ou de rechange sont compatibles avec la conception.

Caractéristiques des câbles et des connecteurs de la norme IO-Link

Construction d'un câble à trois fils : comme mentionné précédemment, le câblage utilisé par IO-Link est un câble à trois fils non blindé non propriétaire pour transporter 24 V et 200 mA. Lorsqu'un dispositif de terrain (tel qu'un actionneur) nécessite une alimentation, une version à cinq fils est utilisée.

Connecteurs M5, M8 et M12 : lorsque le maître IO-Link se présente sous la forme d'un bloc à rail DIN ou d'une conception similaire à intégrer dans une armoire de commande, les connexions des fils sont effectuées avec des bornes push-in standard. Mais lorsque les connexions IO-Link utilisent des connecteurs de câble (comme sur les maîtres IO-Link dont la construction est destinée à être montée sur machine), la norme IO-Link exige des géométries M5, M8 et M12. Les connecteurs à cinq fils sont généralement répertoriés IP65/67.

Quantification de la robustesse des composants IO-Link

L'industrie automobile est la première à utiliser IO-Link. Cependant, les industries pharmaceutiques et alimentaires ont commencé à utiliser davantage de composants IO-Link, en particulier ceux qui résistent au lavage. Ces composants renforcés prennent en charge les configurations E/S montées sur machines pour une commande entièrement distribuée. Les indices de protection pour les composants IO-Link dans ces installations incluent les suivants :

• IP20 — Aucune étanchéité à l'eau mais capacité de résistance à la poussière et à la manipulation normales
• IP67 — Protection complète contre la poussière et résistance temporaire à l'infiltration durant l'immersion dans l'eau (ce qui peut être utile en extérieur)
• IP69K — Protection contre l'infiltration lors du lavage à chaud et à haute pression associé aux procédures de désinfection

En outre, certains composants IO-Link incluent la certification ECOLAB, une désignation destinée à aider les constructeurs de machines dans l'industrie alimentaire à se conformer aux réglementations, notamment celles associées à la loi Food Safety Modernization Act, et à prévenir la manipulation ou l'emballage dangereux des aliments.

Utilisation d'IO-Link 1.1

Composants courants avec capacités IO-Link

Les dispositifs de terrain pris en charge par IO-Link peuvent être classés en tant que capteurs et actionneurs.

Actionneurs dans les systèmes IO-Link : les actionneurs sont des composants électromécaniques qui acceptent une entrée électrique et produisent une sortie mécanique. Les options d'actionneurs compatibles avec IO-Link sont nombreuses et incluent celles basées sur des actionneurs linéaires pneumatiques, des collecteurs et des vannes pneumatiques, d'autres solénoïdes et même des moteurs pas-à-pas. Les connexions à ces dispositifs utilisent généralement la variante à cinq fils et des communications à deux canaux en temps réel, sans les retards introduits par les durées de cycle des contrôleurs. Cela permet des communications IO-Link simultanées pour déclencher l'évaluation des données ou d'autres réponses secondaires.

Capteurs dans les systèmes IO-Link : les capteurs courants avec connectivité IO-Link incluent ceux qui permettent de suivre et de signaler la position, le déplacement, la température, la pression et la couleur. D'autres options largement disponibles incluent les capteurs photoélectriques IO-Link et les systèmes de détection RFID (mieux pris en charge grâce aux capacités accrues d'IO-Link 1.1).

Le cas spécial des barrières immatérielles de sécurité

Bien que le sujet de la sécurité dépasse le cadre de cet article, il convient de noter que certaines barrières immatérielles de sécurité sont dotées d'une connectivité IO-Link pour permettre l'accès aux statistiques et aux données en temps réel associées à la barrière.

Voici quelques exemples :

• Barrière immatérielle de sécurité F3SG-SR d'Omron
• Barrières immatérielles de sécurité de SICK Inc.

Spécificités de l'utilisation des communications IO-Link

Fonctionnalité IIoT et connectivité cloud : IO-Link a la capacité de stocker des données sur ses maîtres et d'envoyer les données pour les sauvegarder. Cela, ainsi que la manière dont IO-Link complémente les réseaux industriels existants, permet de prendre en charge les fonctionnalités IIoT, en tirant parti de tous les avantages de la paramétrisation et de la collecte de données automatisées.

Transmission de données vers d'autres bus et réseaux : étant donné qu'IO-Link s'intègre à tous les réseaux industriels et bus de terrain courants et permet des communications bidirectionnelles maître-dispositif, les données de processus, de services et d'événements peuvent être partagées en amont avec les commandes de haut niveau et même avec les systèmes d'entreprise.

Utilisation d'IO-Link pour mettre à niveau les équipements existants

Rétrocompatibilité : comme mentionné précédemment, IO-Link 1.1 accepte les capteurs qui utilisent les vitesses de communication COM1, COM2 et COM3, ce qui permet aux ingénieurs d'usine de continuer à utiliser les technologies existantes avec une électronique un peu moins sophistiquée et des débits de données plus lents. La rétrocompatibilité est maintenue avec les nouveaux maîtres 1.1, qui sont tous requis par la norme CEI 61131-9 pour prendre en charge les dispositifs 1.0 et 1.1.

Industries et utilisateurs faisant le meilleur usage de la technologie IO-Link

Les fabricants, les équipementiers, les assembleurs de machines, les techniciens d'usine et les utilisateurs finaux bénéficient tous d'IO-Link. Pour plus d'informations sur IO-Link, téléchargez un manuel IO-Link de Maxim Integrated en format PDF en cliquant ici.