真的来了!IO-Link无线-释放传感器/执行器巨大潜力的工业无线解决方案,设备远程监控新选择!

“传统工业自动化控制系统”的瓶颈

在以往传统的工业自动化控制系统中,传感器信号都是通过远程I/O或者扩展I/O,经过转换之后,才给到控制器,所以控制器没有直接访问到底层的传感器数据,实际上只访问到远程I/O或者扩展I/O,此时即使底层传感器有很多的数据信息,控制器也只能够获取到测量值,没有办法获取到传感器的参数、诊断以及更多的信息,所以无法实现传感器更多的功能, 使得传感器的潜力受到了束缚。因此,传统的信号传输方式有数据隔离的瓶颈。

除此之外,用户想要去维护或者修改传感器/执行器的参数时,一般需要操作人员到现场去对设备进行检查、维护或者设定,这种方法费时又费力。尤其是在今年新冠状病毒疫情影响下,更突显出了传统方法的维护与参数配置设置的痛点。

使用带有IO-Link技术的设备,将IO-Link这项技术引入到控制系统中,控制层能够访问传感器/执行器的诊断、过程值、参数等等数据信息,解决了控制层和传感器层的信息隔离, 使得传感器的多种数据都能被获取,释放出传感器的巨大潜力。并且,传输过程是双向的, 控制器可以向远程I/O的传感器/执行器直接进行参数配置。因此,远程就可以掌握设备情况, 对设备进行监控和修改设定参数。尽管是设备出现故障导致需要更换设备重新设置参数时, 也只需要更换设备,相应的参数信息会进行自动下载,无需进行手动设置。

那么IO-Link是什么?

解决“传统工业自动化控制系统”痛点

2.1 IO-Link技术

IO-Link是一种独立于现场总线、开放式的点到点的通信,是适用于工业控制中最底层的设备(如简单的传感器/执行器)的工业通讯接口,使得设备可以集成到几乎任何现场总线或者是自动化系统中。

2.2 IO-Link系统组成及体系结构

IO-Link系统由许多IO-Link从站设备(具有IO-Link协议的传感器/执行器,具有IO-Link 协议的集线器与普通的传感器/执行器组合),通过标准电缆,连接到IO-Link主站组成。系统的体系结构如图1所示。

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图1 IO-Link系统体系结构

2.3 IO-Link的优势

IO-Link接口技术消除了传统工业自动化控制的瓶颈,具有以下优势:

(1)抗干扰能力强。传统的数据传输,传感器与控制器之间的传递信号类型是模拟量, 而IO-Link采用的是全数字化传输,所以抗干扰能力强。

(2)无讯号损失。传统的数据传输过程,需要经过数模-模数转换,而IO-Link是全数 字化传输,没有数据类型转换,因此没有精度损失。

(3)简化布线网络。IO-Link简化了电路连接,只需要一根标准电缆,这大大减小了布线布局的难度,使得布线网络更加简单。

(4)易于更换。IO-Link使系统拥有参数自动配置功能,当更换同款传感器/执行器时, 会自动将参数配置到新的传感器/执行器中。

(5)操作方便。使用了IO-Link技术后,系统具有远程配置功能,将传统的现场操作配置按键去掉,换成了远程操作。

(6)断线监控。IO-Link使数字量的点对点连接具有对话能力,即系统具有更大的数据交换能力,所以系统具有诊断的能力,当出现断线的时候,会进行报警。

(7)智能设备。IO-Link技术的加入,使传感器可以同时传输多个信号,释放传感器所有的潜能,因此设备更加智能化,让接线和工作更加轻松。

3 有线有弊端,IO-Link无线应运而生

IO-Link成功的主要原因之一是用一根简单的、标准化的三线传感器电缆,就能够很容易地将智能的、复杂的传感器/执行器连接起来。

3.1 IO-Link无线的产生——基于工业需求,解决有线的痛点

随着工业物联网(IIoT)的发展,通信需求也在迅速变化。机器对机器(M2M)通信(如连接的机器人、仓库自动化和工厂处理机器)变得越来越普遍,这要求更高的可用性、更好的稳健型、更低的延迟性和确定性。在这种发展中,基于电缆的通信根本无法满足连接设备在灵活性、移动性和监控等方面日益增长的需求,由此就产生了IO-Link无线标准。

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图2 IO-Link无线

3.2 IO-Link无线技术

IO-Link无线技术是IO-Link标准的扩展,它定义了在工厂自动化环境中,传感器/执行器和控制器(一般是PLC)之间的无线网络通信,是第一个满足灵活性、移动性、延迟性等这些需求并向传感器/执行器提供可靠且确定性的无线通信的无线协议。IO-Link无线的设计目的是提供与电缆类似的性能水平和向后兼容接口,因此从有线系统迁移到无线系统非常容易。

IO-Link无线支持漫游功能,并有可能在实时网络中包含低能耗的电池供电或能量采集传感器。IO-Link无线的关键特性之一是与工厂和过程自动化协议的兼容性,可采用IO-Link的系统规划、设置、运维标准工程工具,保证与有线IO-Link解决方案的向后兼容。

3.3 IO-Link无线的挑战及特点

要在无线应用中实现像有线传感器/执行器系统一样的性能,必须考虑不同的要求:

(1)更新IO数据所需的周期时间低于10毫秒。

(2)在可靠性方面的要求与有线应用一样高甚至更高。

(3)30多个设备能通过1个无线频道与1个主设备进行通信。

(4) 通信应使用开放的2.4 GHz频段,在这个频段上与其他无线系统共存。

(5)在一个RF区域内,最多3个主站能同时与多达120个设备进行通信。

IO-Link无线由于具有以下特性,很好地解决了其所面临的挑战:

(1)提供与40个节点(传感器或执行器)5毫秒通信的确定性延迟。

(2)其可靠性优于10e^(-9)包错误率(PER)。例如,在工业环境中,其他无线标准如WLAN、蓝牙和Zigbee,可靠性降低了6个数量级(~1e^(-3))。

(3)每个主站高达5个通道接口,每个通道接口高达8个设备,即一个主站最多可以与40个无线设备进行通讯。

(4)具有2.4 GHz ISM波段射频收发器,可以与其他无线系统共存。

(5)1个主站最多可带40个节点(设备),即在一个RF区域内,3个主站能同时与120个设备进行通信。

IO-Link无线分布方案如下图3所示。

 

图3 IO-Link无线分布式方案

3.4 IO-Link无线系统组成与体系

一个IO-Link无线系统,通常由一个IO-Link无线现场总线网关(主站)和IO-Link无线设备组成。设备可以是传感器、执行器、RFID读取器、阀门、电机启动器或简单的I/O模块。此外, 标准的IO-Link无线系统包括用于传感器/执行器配置和参数分配的工程工具。

图4是基于IO-Link无线和有线的系统架构示例。无线IO-Link的架构看起来类似于有线(星形拓扑),但没有通信电缆。IO-Link无线也支持连接IO-Link有线到IO-Link无线之间的桥接功能。这个特性是标准的一部分,它允许快速的IO-Link设备与主站进行无线连接。

图4 有线IO-Link和无线IO-Link的兼容体系结构

3.5 IO-Link无线特点及其优势

特点

(1)低延时:1.6ms(循环3次,5ms)。

(2)可靠性:确定性,比任何无线系统都要可靠 6 个数量级。

(3)可伸缩:每个主站最多有 40 个无线设备,每个单元有 120 个。

(4)工业级:专为工厂自动化设计,符合国际标准 IEC 61131-9。

(5)灵活性:增加灵活性和移动性。

(6)成本效益:电缆简化设置。

优势

 减少布线成本                         减少停机时间

 减少维护成本                         提高平均无故障时间

 降低复杂性                           规模数据收集

 增加灵活性                           提高安全性

IO-Link无线应用案例

随着各大行业的发展,如汽车行业、包装行业、机床行业、运输轨道行业、食品和饮料卫生行业等,工厂智能化升级是一种趋势。要实现智能工厂,需要在各个层面实现智能、灵活和高效的连接,IO-Link无线通信符合这些要求。在有线解决方案不切实际、无效或成本过高的情况下,为工厂自动化设计的基于无线标准的通信解决方案,IO-Link无线更加具有优势,常见应用案例场合如下图5所示。

图5 IO-Link无线应用案例

机器人/协作机器人

布线限制了连接到机器人/协作机器人的末端执行器(例如夹具、真空泵)的运动和灵活性,并且部署起来很麻烦。嵌入在传感器/执行器内部的无线解决方案消除了沿机械臂运行所需的电缆和附件。这种解决方案增加了灵活性,并降低了整体复杂性和成本。

机器改造和部署

无线连接可对现有机器上的众多设备进行简单且经济高效的改造和翻新,从而简化重新安置和升级以及新机器的部署。

运输轨道系统

为了以灵活和敏捷的方式简化工件的自定义/设置,运输轨道系统上的移动梭子必须更加智能。这要求移动梭子上的传感器和执行器具有低延迟和可靠的无线数据通信。无线解决方案使每个穿梭机都能独立进行无线通信以进行控制和监视。

线性机器人

线性机器人需要复杂的电缆布局,以支持快速动态运动和灵活性,同时在整个机器区域和生产阶段之间移动工件。此类电缆容易撕裂并导致停机和维护成本(例如,冲压车间)。向连接到线性机器人的传感器和执行器提供无线数据通信可减少计划外停机时间,维护成本和复杂性。

状态监测和IIOT

无线解决方案使部署用于状态监控的传感器(例如压力、液位、温度传感器)更具成本效益且更简单。通过向制造商提供来自工厂中任何地方的大量数据,IIoT网关进一步扩展了连接的企业。

危险的环境

在危险和卫生的工业环境(例如食品和饮料)中,无线解决方案对于降低与非常昂贵的布线部署和维护、污染及安全性相关的成本非常重要。

复杂的布线布局

移动式导轨引导设备,如大型线性机器人或带有大型电缆编织物的拖链,限制移动性并易于断裂/撕裂。无线解决方案可降低维护成本和意外停机时间。

旋转部件

布线限制了旋转和动态组件的运动和灵活性。带有传感器和执行器的旋转设备现在可以无线连接,以降低复杂性,增加灵活性并增加智能性。

5 虹科IO-Link无线解决方案

IO-Link无线解决方案解决了工厂现场对传感器、执行器和设备的无线通信的真正需求, 而这些需求是现有无线网络无法解决的。虹科IO-Link无线解决方案,可以满足工业自动化对低延迟、可靠性和可扩展性的苛刻要求。

IO-Link无线体系结构,如下图6所示。可以分为三个层次:

1、IO-Link无线从站设备。对于从站设备,有两种解决方案,一是TIGOBRIDGE桥接器, 对有线IO-Link传感器/执行器进行连接,就可将其转换成IO-Link无线设备。二是TIGOBRIDGE SOM、TIGOAIR SOM、TIGOAIR LP三种嵌入式模块,用于开发各类IO-Link无线传感器、执行器或I/O集线器。

2、IO-Link无线主站和网关。对于无线主站和网关,也有两种解决方案,一是TIGOMASTER 2TH主站、TIGOMASTER 2TS主站、TIGOGATEWAY网关,能够与IO-Link无线从站设备进行通信,有用于各种现场总线协议、工业以太网等,连接到OT、IT的接口,可通过软件进行设置、配置或者监控。二是TIGOMASTER 2T SOM嵌入式模块,用于开发IO-Link无线主站。

3、监控层。可以获取到现场设备的多种数据信息,从而进行监视和控制。

虹科还提供了软件类工具以及用于评估和开发的套件。

  • 软件有TIGOENGINE软件工程工具、TIGOINSIGHT监控软件。TIGOENGINE软件工程工具带有直观的图形用户界面,用于配置IO-Link无线主站和设备,TIGOINSIGHT监控软件通过可视化仪表板、分析、报告和警报选项启用一系列应用程序。
  • 评估的开发套件支持将IO-Link无线主站连接到模拟、数字或IO-Link传感器/执行器/设备,以进一步掌握和评估IO-Link无线标准的功能和性能。

总结

长期以来,人们一直在寻找可靠的无线技术用于工业自动化应用,现在终于有IO-Link 无线技术。在工业自动化应用中,使用无线技术在灵活性、移动性、可伸缩性和经济效益等方面,无疑具有足够的吸引力。为了提高效率,灵活的生产线对现代工厂具有超高的意义,人们对机械臂、智能传感器和高级执行器以及无人驾驶自动导航车辆(AGV)的需求不断上升。由于大部分设备都是便携式的,生产线也需要灵活,所以无线网络更适合连接。

然而,在工业应用中使用无线的缺点是,它很难满足工业自动化的可靠性要求。但是, 以高可靠性、低延迟、确定性通信和兼容性(与有线工厂自动化协议)的优势,IO-Link无线技术应对这些挑战,满足了工业自动化中日益增长的需求。

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