IO-Link助力工厂设备数字化智能化升级

一、IO-Link的基本概念

1、IO-Link:
与现场总线和工业以太网不同,IO-Link是新的技术协议,它不是一种现场总线,而是一种点到点的通讯。使设备层(传感器、执行器)与控制器的连接能够实现标准化IO,这样控制器就能直接访问到设备层,而不是仅仅停留在远程IO模块或者扩展IO模块,能够将传统的和智能的传感器/执行器集成在自动化系统中。

一般来说,IO-Link系统由IO-Link从站和IO-Link主站构成。IO-Link从站有IO-Link设备、传感器、执行器等等,通过标准三芯/五芯电缆连接到IO-Link主站设备上。

2、标准三芯/五芯电缆:
连接IO-Link主站和IO-Link从站的电缆。标准三芯电缆用于连接传感器,标准五芯电缆用于连接执行器(多出来的两根线用于连接电源)。

3、IO-Link master:IO-Link主站
①接收和获取通过三芯/五芯电缆传递过来的传感器/执行器的数据,然后再通过总线/协议等传递给控制器(PLC/MCU/CPU等)进行处理;

②接收和获取控制器传递过来的控制指令等等,将它转换成IO-Link协议,最终传递给传感器/执行器。

4、IO-Link slave:IO-Link从站
①具有IO-Link协议的传感器/执行器,此时直接连接到IO-Link master

②IO模块,用于连接传统的传感器/执行器,将传统的传感器/执行器转换成具有IO-Link协议的传感器/执行器,然后跟IO-Link master连接。相当于传统的传感器/执行器+IO模块=具有IO-Link协议的传感器/执行器。

二、传统传输模式&IO-Link传输模式

1、传统信号的传输模式

底层设备(传感器等)连接到远程IO模块或者扩展IO模块连接,再通过现场总线连接到控制层(控制层再通过工业以太网连接到信息层),或者直接通过工业以太网连接到信息层。

这些传感器有可能是开关类(数字开关信号)的,也有可能是过程类(模拟量信号,如电压、电流等),传统的传感器信号类型很多。

在传统的信号传输过程的致命弊端:

所有底层设备的信号要经过远程I/O模块或者扩展I/O模块的转换,经过转换之后,才把数据传给控制层或者信息层。所以控制层和信息层没有直接访问到底层设备的数据,实际上访问的是现场的I/O或者扩展I/O的数据,传统的传输方式有数据隔离。

尽管底下的传感器有很多信息,但是它只能获取到测量值,传感器的参数、诊断信息等等获取不到。

2、IO-Link全数字化传输——IO-Link解决了传统信号传输模式的弊端

IO-Link从站(底层设备)通过IO-Link标准电缆连接到IO-Link主站,再通过现场总线连接到控制层(控制层再通过工业以太网连接到信息层),或者直接通过工业以太网连接到信息层。

IO-Link全数字化的传输方式优势:

底层设备,不管是开关类的还是过程类的,都具备统一的IO-Link接口,所以信号传输过程是数字化传输过程,控制层或者信息层可以直接访问到底层传感器的过程值、参数、诊断信息等,传输过程是双向的,控制层和信息层能够给直接对远程的传感器进行参数配置。IO-Link解决了控制层、信息层与底层传感器的数据隔离,接口统一。

三、IO-Link的技术规范

四、IO-Link的技术优势

1、传统数据传输过程

传感器测量值经过处理后,把数字量转换为模拟量进行传输,传递给控制器之后,把模拟量转换为数字量,经过了数/模和模/数转换,会产生转换精度损失,传感器与控制器之间的传递信号类型为模拟量,在传输过程中会受到电磁干扰。

2、IO-Link数字化传输过程

完全数字化的传输过程,减少了精度损失,提高了抗干扰能力。

3、IO-Link技术优势总结

抗干扰:由于IO-Link采用的是数字化传输,不是模拟量传输,所以抗干扰能力强;

无讯号损失:没有涉及到数模-模数转换,所以没有精度损失。

易于更换:有参数配置功能,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。

操作方便:远程配置功能,将传统的现场操作配置按钮按键去掉,换成了远程操作。

识别:能够识别设备的ID。

断线监控:具有诊断的能力,当出现断线的时候,会进行报警。

智能设备:可以同时传输多个信号,释放传感器所有的潜能,使得设备更加智能化,让接线和工作更加轻松。

五、IO-Link自动化系统结构

最底层:传统的数字量和模拟量I/O信号,有相应的IO-Link扩展模块去兼容。

IO-Link设备:IO-Link扩展模块、IO-Link智能传感器/执行器。

IO-Link 主站:必不可少的,通过现场总线与控制器通讯、数据交互,控制器再通过工业以太网把数据反馈给MES等信息层。

传统的数据流是从最底层依次往上一级一级往上传输,有了IO-Link之后,IO-Link主站有数据分享能力,除了将数据实时传输给控制器之外,可以通过主站上面的IoT接口,直接把数据传给信息层。

六、IO-Link应用

1、汽车行业的应用——电池装配线涂胶机器人

传统的信号传输:

采用接近开关,只能输出0和1信号,即判断电池板有没有放到装配的位置,一旦检测到已经放上去了,就开始涂胶。痛点:当电池板没有放平导致高度偏差,接近开关没有办法检测出来,开始涂胶,就会导致涂胶质量不好,厚度不均。

IO-Link

配置IO-Link接近开关和IO-Link主站后,实时对电池板的高度进行检测,当高度有偏差时,就会进行报警,即可以检测电池板的高度偏差,人员介入进行检查,确保了涂胶的质量。很好地解决了传统的信号传输在本案例中可能导致涂胶质量不均的痛点。

2、包装行业——弯板机

传统的信号传输:

对钢板厚度有要求,要在一定的范围内,采用2个激光测距传感器,成本非常高。

IO-Link

配置IO-Link接近开关和IO-Link主站后,控制器就能实时收到厚度值。如果超出设定的阈值范围,会进行相应的报警。优势是厚度检测是精度高(0.2mm),响应快速(比激光传感器快速,满足65m/min的输送速度),降低了传感器的成本。

3、汽车、机床、食品工业——解决压力冲击的应用

传统的信号传输:

压力传感器的损坏,都是由于压力冲击,导致压力冷膜片出现破裂,因此造成损坏。产生压力冲击的原因是阀门的开始停止、泵的开启停止,但是它持续的时间很短,是ms级别的,传统的信号传输无法检测和传输,所以设备的寿命无法得到保证。

IO-Link

配置IO-Link压力传感器后,它可以对压力峰值进行检测记录并且计数,对于管道、罐体、液压系统内的压力冲击、水锤检测,有助于提示和改善工艺的结构,延长了设备的使用寿命。

4、医药行业——恒温恒压冷却系统

传统的信号传输:

回璐可能是24路或者48路,需要同时监控温度和流量,需要采用温度传感器、流量计,才能同时采集累计流量、瞬时流量和温度。

IO-Link

配置带有温度检测的IO-Link电磁流量计,就可以同时采集和传输累计流量、瞬时流量和温度。只需要接一个IO-Link的端口到IO-Link的主站,布线简单、安装简单,优化了系统,节省了成本。

5、汽车零部件装配线快速布线应用

用来做快速布线,项目中有20个操作站,都需要对工位进行识别,装了具有IO-Link接口(RFID),每个操作站有很多的数字量I/O,加入了数字量IO-Link扩展I/O模块,再加上IO-Link主站,再通过现场总线接入控制器,布线简洁化。

6、柔性化生产

现在很多工厂都要求在同一条产线上生产不同的产品,而且时间无间隔。

例如检测温度,红外测温仪,需要检测不同材料的温度,每种不同的材料需要设置不同的参数,以前需要停下生产线去设置参数,然后再进行下一个产品的加工,有了IO-Link,再切换材料的时候,直接在屏幕上设置参数,可以提高设备的工作效率。

7、OEM设备远程维护

在疫情影响的背景下,OEM设备商(离心机等),对于OEM等大型厂,对于非标、传统的维护方式由维修人员到现场进行维修,耗时耗力。有了IO-Link可以将状态、故障诊断等等信息远程地传递到设备维护站,实现远程智能维护,降低维护成本。

注:文中图片来自来自IO-Link协会公开直播课

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