Cómo aumentar la productividad de los actuadores inteligentes de fábrica mediante IO-Link

El cambio hacia la Industria 4.0, o el Internet de las cosas industrial (IIoT), continúa con el fin de lograr una mayor eficiencia, seguridad, productividad y un menor costo global. Un elemento crítico de este esfuerzo es la conectividad de los dispositivos. Esto puede suponer un reto, ya que requiere la selección de un estándar de comunicaciones adecuado y el diseño de interfaces relacionadas y software asociado, todo lo cual puede ralentizar las implementaciones en las fábricas inteligentes.

Los diseñadores de sistemas para la automatización industrial necesitan un enfoque estándar, fiable, eficiente y más modular para facilitar implantaciones rápidas y rentables.

Para solucionar este problema, pueden recurrir a IO-Link, una interfaz de eficacia probada para su uso en fábricas inteligentes. IO-Link es una interfaz de comunicación digital (SDCI) bidireccional, punto a punto y de caída única que se rige por varias normas, entre ellas IEC 61131-2, IEC 61131-9 (SDCI) e IO-Link 1.1.3.

Este artículo analiza brevemente el cambio hacia las fábricas inteligentes y los retos que plantea a los diseñadores. A continuación, ofrece una visión general del funcionamiento de IO-Link y de cómo simplifica la implantación de fábricas inteligentes. Presenta ejemplos de dispositivos IO-Link de Analog Devices, incluido un dispositivo esclavo que puede utilizarse para sustituir actuadores neumáticos y proporcionar un rendimiento mejorado, un dispositivo esclavo con un convertidor de CC/CC integrado y un dispositivo maestro. Se incluyen diseños de referencia para realizar rápidamente actuadores industriales con IO-Link.

Simplificar el paso a las fábricas inteligentes

El paso a las fábricas inteligentes aumenta la necesidad de una forma sencilla de añadir inteligencia en el perímetro para poner en marcha, supervisar y reconfigurar sensores y actuadores. La sencilla instalación de IO-Link y su capacidad de comunicación bidireccional facilitan la implementación de inteligencia de borde. En un caso, se atribuyó a IO-Link una reducción del 90% en los tiempos de configuración y puesta en marcha.

En la práctica, los ajustes de los parámetros pueden descargarse a través de IO-Link para configurar o reconfigurar los dispositivos. Esto elimina la necesidad de intervención de un técnico y reduce el tiempo de inactividad. El diagnóstico inteligente, la detección de errores y la capacidad de registro de datos de IO-Link pueden utilizarse para recopilar información operativa en tiempo real en toda la fábrica, lo que reduce aún más el tiempo de inactividad.

La arquitectura de un sistema IO-Link consiste en conexiones punto a punto entre el maestro IO-Link y varios dispositivos IO-Link. El uso de conectores M8 o M12 estándar y un cable de 3 ó 4 hilos de 20 metros (m) de longitud simplifica la instalación del sistema. Los dispositivos maestros IO-Link suelen tener 4 u 8 puertos, cada uno de ellos conectado a un dispositivo IO-Link. Cada puerto puede funcionar en modo de entrada/salida estándar (SIO) o en modo de comunicación bidireccional. Al tratarse de una arquitectura punto a punto, IO-Link no es un bus de campo, pero es compatible para su uso con buses de campo y Ethernet industrial y puede conectarse a controladores lógicos programables (PLC) e interfaces hombre-máquina (HMI) (Figura 1).

Figura 1: IO-Link es compatible con los buses de campo y las redes Ethernet industriales IEEE. (Fuente de la imagen: IO-Link Community)

Además de funcionar en modo SDCI, IO-Link ofrece compatibilidad con la norma IEC 60974-5-2 para sensores binarios. La comunicación básica punto a punto utiliza una interfaz de 3 hilos (L+, C/Q y L-). En el modo IO-Link, la comunicación entre los dispositivos maestro y esclavo es bidireccional con tres velocidades de transmisión posibles; COM1 es de 4.8 kilobits por segundo (kbps), COM2 es de 38.4 kbps y COM3 es de 230.4 kbps (Figura 2). Un maestro IO-Link debe admitir las tres velocidades de datos para poder comunicarse con cualquier dispositivo esclavo conectado. Los dispositivos esclavos sólo admiten una velocidad de datos. La comunicación se realiza con impulsos de 24 voltios que utilizan codificación sin retorno a cero (NRZ) en la línea C/Q. En modo IO-Link, el pin/clavija 2 puede estar en modo entrada digital (DI), salida digital (DO) o no conectado. El dispositivo IO-Link (sensor o actuador) debe funcionar en un plazo de 300 milisegundos (ms) después de que L+ supere un umbral de 18 voltios.

Figura 2: La comunicación IO-Link es bidireccional y admite 4.8, 38.4 y 230.4 kbps. (Fuente de la imagen: )

Descripción del dispositivo IO-Link

Todos los sensores y actuadores IO-Link tienen un archivo de descripción de dispositivo IO-Link (IODD) (Figura 3). El IODD es un archivo xml que proporciona al maestro IO-Link los datos que necesita para identificar y configurar el dispositivo e interpretar sus datos.

• Los contenidos del IODD incluyen
  • Propiedades necesarias para apoyar la comunicación
  • Parámetros del dispositivo
  • Información de identificación
  • Información de proceso y diagnóstico
  • Imagen del dispositivo y logotipo del fabricante
• La estructura del IODD se describe por separado de la norma IEC 61131-9
• El Consorcio IO-Link mantiene una base de datos centralizada de archivos IODD.

Figura 3: El IODD es un archivo XML que incluye la información que necesita el maestro IO-Link para identificar, configurar y comunicarse con cada dispositivo esclavo. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Enlace y tipos de datos

Los intercambios de mensajes entre el maestro IO-Link y los dispositivos son gestionados por la capa de enlace de datos (DL). Los mensajes son tramas de entre 1 y 66 palabras de longitud del transmisor receptor asíncrono universal (UART) y se denominan "secuencias M". Los mensajes pueden referirse a datos solicitados, solicitudes y órdenes de gestión del sistema y datos de procesos regulares. El maestro incluye un manejador DL que se encarga de los errores y mensajes de error y gestiona modos de funcionamiento como activación, SIO y tasas COM, entre otros. Cuando el maestro envía una solicitud, los dispositivos deben responder.

La comunicación IO-Link puede ser síncrona o asíncrona. Los maestros y dispositivos IO-Link incluyen gestores de datos de proceso para la comunicación síncrona, y un gestor a petición para la comunicación asíncrona de datos de eventos, control, parámetros y unidades de datos de servicio de índice (ISDU). Los datos asíncronos se solicitan y pueden contener lo siguiente:

• Información y control de la configuración o el mantenimiento.
• Activado por eventos, con tres niveles de urgencia:
  • Errores
  • Advertencias
  • Notificaciones
• Datos de página para leer directamente los parámetros del dispositivo
• Datos de servicio para grandes estructuras de datos

La integración de IO-Link en maestros y dispositivos puede resultar compleja. Es necesario aplicar plenamente las normas para garantizar la interoperabilidad de los dispositivos y un funcionamiento fiable del sistema. Para integrar rápidamente comunicaciones IO-Link eficientes y fiables en actuadores de fábricas inteligentes, los diseñadores pueden utilizar soluciones prediseñadas para maestros y dispositivos. Los CI controladores de dispositivos IO-Link tienen controladores de consumo ultrabajo con protección activa contra polaridad inversa y están disponibles con y sin convertidores de CC/CC integrados. También disponen de una Interfaz periférica serial (SPI) que admite diagnósticos exhaustivos. Los CI transceptores maestros IO-Link de doble canal admiten un funcionamiento de bajo consumo y simplifican la selección de microcontroladores (MCU) al incluir gestores de tramas con funciones UART y primero en entrar, primero en salir (FIFO).

Sustitución de actuadores neumáticos por IO-Link

IO-Link ofrece una forma sencilla de alterar los enfoques tradicionales del control de procesos y mejorar las operaciones de la fábrica sustituyendo los actuadores neumáticos por servoaccionamientos y sofisticados controles digitales. Por ejemplo, los diseñadores pueden utilizar el diseño de referencia de servodrive MAXREFDES37# IO-Link para acelerar la comercialización (Figura 4). Este diseño de referencia proporciona una alimentación de 5 voltios e incluye cuatro salidas de modulación por ancho de pulsos (PWM), además de cuatro entradas digitales para controlar hasta cuatro servomotores.

La placa incluye un conector M12-4 para conectarse a un maestro IO-Link. Las cabeceras de 3 pines permiten la conexión rápida a servomotores estándar de 5 voltios, uno de los cuales se incluye con el diseño de referencia básico. La conexión a las entradas digitales de 5 voltios, a la toma de tierra de alimentación y a los cuatro canales de modulación por ancho de pulsos se realiza mediante bloques de terminales cableados. Se incluye la pila de dispositivos IO-Link de Technologie Management Gruppe Technologie und Engineering (TMG TE). El MAXREFDES37# puede utilizarse en combinación con el maestro IO-Link de dos canales MAXREFDES277 en un factor de forma Pmod que incluye un programa de interfaz gráfica de usuario (GUI) para facilitar la verificación mediante un PC con Windows.

Figura 4: El MAXREFDES37# tiene un conector M12 (izquierda) para la conexión a un maestro IO-Link, y viene con un servomotor (derecha). (Fuente de la imagen: Analog Devices).

El MAXREFDES37# incorpora el CI transceptor IO-Link MAX14821ETG+T y el CI regulador CC/CC MAX17504ATP+T. El transceptor MAX14821ETG+T puede utilizarse con dispositivos IO-Link y sensores o actuadores binarios de 24 voltios. Se admiten todas las velocidades de datos IO-Link especificadas, y los controladores C/Q y DO pueden generar o disipar hasta 100 miliamperios (mA). El transceptor ejecuta el protocolo de capa DL para la interconexión con una unidad de microcontroladores (MCU). Dos reguladores lineales internos proporcionan 5 y 3.3 voltios de corriente continua (VCC) para alimentar sensores y actuadores, y también se incluyen entradas y salidas digitales de 24 voltios. Los controladores DO y C/Q integrados pueden configurarse independientemente para funcionamiento empuje y extracción, lado bajo (NPN) o lado alto (PNP). El transceptor puede configurarse y supervisarse a través de una Interfaz periférica serial (SPI).

El convertidor de CC/CC rectificado sincrónicamente MAX17504 integrado funciona en un rango de entrada de 4.5 a 60 VCC. Tiene un rango de voltaje de salida de 0.9 voltios al 90% del voltaje de entrada y suministra hasta 3.5 amperios (A). La precisión de regulación es de ±1.1% de -40 a +125 grados Celsius (°C). Tiene una eficiencia pico >90% y una corriente de apagado de 2.8 microamperios (μA).

Transceptor para maestro o dispositivos con CC/CC integrada

Para los diseñadores de maestros y dispositivos IO-Enlace, está el MAX22514. Su alto nivel de integración, que incluye un regulador CC/CC tipo reductor, dos reguladores lineales y protección contra sobretensiones integrada, así como una baja disipación de potencia y la posibilidad de elegir entre un encapsulado a nivel de oblea (WLP) (2.5 milímetros (mm) x 2.6 mm) o un encapsulado TQFN (4 mm x 5 mm), hacen que este transceptor resulte idóneo para aplicaciones industriales IO-Link con limitaciones de espacio (Figura 5).

Por ejemplo, la referencia MAX22514AWA+ está en un WLP. Su interfaz periférica serial (SPI) permite la configuración y el diagnóstico, así como velocidades de datos COM1, COM2 y COM3.

Figura 5: El transceptor MAX22514 está muy integrado y es adecuado para su uso en maestros y dispositivos IO-Link. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Para reducir el tiempo de desarrollo, los diseñadores pueden utilizar diseños de referencia como el MAXREFDES278#. Este es un diseño de referencia de un actuador de solenoide de 8 canales basado en el transceptor IO-Link MAX22514 que demuestra el MAX22200, un controlador de solenoide de 1 A octal controlado en serie con transistores de efecto de campo (FET) integrados. El diseño de referencia incluye un regulador reductor CC/CC integrado. Se incluye un software compatible con Windows que proporciona una interfaz gráfica de usuario (GUI) para explorar las características del MAX22514. Para conectar la placa de evaluación a un PC se utiliza un cable USB-A a micro-B.

Doble canal maestro

Cuando se necesita un maestro IO-Enlace de dos canales, los diseñadores pueden recurrir al transceptor MAX14819ATM+, que incluye dos canales de entrada digital auxiliares. Un framer IO-Link integrado elimina la necesidad de UART externas y el temporizador de ciclos integrado descarga a la MCU de la necesidad de gestionar tareas críticas de temporización. Este transceptor puede utilizarse en combinación con los aisladores digitales MAX14931FAWE+ y MAX12930EASA+T. El MAX14931FAWE+ tiene cuatro canales para transmitir señales digitales en una dirección. El MAX12930EASA+T tiene dos canales para la transferencia de datos. El kit de evaluación MAX14819EVKIT# está disponible para el MAX14819A e incluye los aisladores digitales MAX14931 y MAX12930 (Figura 6).

Figura 6: El kit de evaluación maestro IO-Link de dos canales MAX14819EVKIT# incluye el transceptor MAX14819 y los aisladores digitales MAX12930 y MAX14931. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Conclusión:

Para aprovechar las ventajas de la IIoT y la Industria 4.0, los sensores y transductores deben desplegarse de forma rápida y rentable. Para ello, IO-Link ofrece a los diseñadores de sistemas de automatización industrial un enfoque estándar, fiable, eficiente y modular. Como se ha demostrado, los diseñadores pueden utilizar IO-Link con componentes listos para usar para añadir inteligencia a la puesta en servicio, la supervisión y la reconfiguración de sensores y actuadores.

Lecturas recomendadas

1. Cómo diseñar una red modular de plantillas para optimizar el procesamiento de datos de la Industria 4.0 en la IIoT