IO-Link 1.0 a IO-Link 1.1

Ampliamente utilizado durante décadas en la E/S industrial, los últimos años han traído un aumento dramático en la adopción de IO-Link. Como se explica en el artículo de DigiKey "Comparación de IO-Link 1.0 y 1.1", el estándar abierto de la Comisión Electrotécnica Internacional IEC 61131-9 (con la marca IO-Link) imparte una conectividad fácil de usar a los componentes de automatización. Es una interfaz de comunicación digital de una sola gota (SDCI) para conectar en red pequeños sensores y actuadores llamados dispositivos de campo o secundarios a los centros de control IO-Link o primarios y luego al resto de la instalación de automatización. Uno de los beneficios del IO-Link es que permite el uso de cable genérico sin blindaje (hasta 20 m de largo con tres a cinco hilos conductores) para estas conexiones.

Este artículo explicará con más detalle las tres características del IO-Link que son nuevas en su versión 1.1:

• IO-Link 1.1 permite la copia de seguridad de los datos para que el personal de la planta pueda guardar y reutilizar los parámetros del dispositivo.
• IO-Link 1.1 puede procesar anchos de datos de hasta 32 bytes por puerto.
• IO-Link 1.1 permite tasas de datos de 230,4 kbaud desde las primarias de IO-Link 1.1.

Figura 1: La comunicación IO-Link permite R.A JONES para monitorear más de cerca los sensores para el desempeño, mantenimiento y cambio de parámetros a través de recetas. Eso es según el director de ingeniería de innovación Nate Smith. De hecho, IO-Link se está convirtiendo rápidamente en un estándar industrial líder para la comunicación con dispositivos de campo (secundarios) en la automatización. (Fuente de la imagen: R.A JONES)

IO-Link 1.1 como servidor de asignación de parámetros

La integración de control de los componentes de IO-Link se realiza a través de un software de configuración que aprovecha los archivos estandarizados de descripción de dispositivos IO (IODD) asociados a cada componente de IO-Link. Estos archivos IODD (que almacenan el modelo del componente, los rangos de operación, los datos para apoyar las funciones de diagnóstico y el símbolo para la visualización en las HMI y las GUI) son archivos .xml que son suministrados por el fabricante del componente para apoyar IO-Link V1.0 y V1.1 a través de sus propios sitios web y ioddfinder.io-link.com.

Lo nuevo en IO-Link 1.1 es la capacidad de algunas primarias IO-Link 1.1 para almacenar localmente archivos IODD y datos complementarios - para proporcionar funciones de servidor de asignación de parámetros para otros dispositivos en la red. Antes de esta característica (y en las instalaciones IO-Link heredadas) los usuarios finales que necesitaban cambiar un dispositivo de campo nuevo o de reemplazo se veían obligados a configurar primero ese dispositivo, generalmente conectándolo al puerto USB de una PC y ejecutando manualmente la configuración a través de un software.

Otra ventaja de este aspecto de 1.1 es que los usuarios finales pueden ahora (en muchos casos) hotswapar dispositivos de borde IO-Link comparables de diferentes fabricantes, lo que hace más accesible una selección más amplia de dispositivos básicamente intercambiables. Eso es particularmente útil para el reemplazo de emergencia de los sensores que fallan o se dañan en las líneas de producción de alto volumen.

Especificaciones de la mayor velocidad de comunicación del IO-Link 1.1

La otra característica del IO-Link, nueva en 1.1, es el COM3, el modo de comunicación con una tasa para soportar funcionalidades más avanzadas de los dispositivos de campo. La velocidad de datos de la comunicación COM3 SDCI está especificada para ser de hasta 230.4 kbit/seg (aquí también 230.4 kbaudios). Eso significa que la más reciente iteración de IO-Link (1.1.3) viene con mejoras para abordar la última objeción persistente a IO-Link - que el estándar tiene una velocidad insuficiente para la automatización moderna.

Más específicamente, 1.1.3 puede impartir tiempos de ciclo que apoyen las comunicaciones en tiempo real para los datos de proceso transmitidos cíclicamente descritos en el anterior artículo de DigiKey sobre este tema; incluso a los ciclos submecánicos en algunos casos. Los datos de proceso transmitidos para el ancho de banda en tiempo real (en kilobytes por segundo (kB/seg)) dependen del tiempo que tarda el primario en solicitar un mensaje del dispositivo, un retardo del interruptor de dirección de comunicación, el tiempo que tarda el dispositivo de campo en responder y otro retardo del interruptor de dirección de comunicación.

Ayuda tener algún conocimiento de los circuitos físicos de los microcontroladores (en algunos casos IC independientes) para entender cómo los componentes IO-Link ejecutan estas comunicaciones. Dentro de los dispositivos de campo primarios y secundarios se encuentran los circuitos llamados receptores-transmisores asíncronos universales (UART) que agrupan o enmarcan los datos en paquetes para su transmisión. Estos cuadros tienen 11 bits de longitud - con un bit usado para comunicar el inicio, ocho bits (también llamado octeto en las especificaciones de IO-Link y en la literatura oficial) usado para llevar los datos de proceso reales, y dos más usados para comunicar la paridad y la parada.

Figura 2: El MAX14827AATG+ de Maxim Integrated es un transceptor IO-Link de baja potencia y doble excitador para su integración en dispositivos IO-Link. Una interfaz UART de tres cables permite la conectividad IO-Link con el microcontrolador UART, y una UART/SPI multiplexada permite el uso de una interfaz de microcontrolador en serie para las funciones compartidas UART y SPI. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

Según la Tabla 9 de las especificaciones de IO-Link 1.1.3 de junio de 2019, se necesita una disposición IO-Link COM3 de 4.34 µseg. para transmitir cada bit. Ese tiempo más los retrasos entre los paquetes tanto en el primario como en el secundario (hasta 4.34 µseg y el triple de eso respectivamente) así como 4.34 µseg a 43.0 µseg para el retardo de conmutación de la dirección de la comunicación hacen que la tasa de transmisión de datos submecánica en el peor de los casos siga siendo suficiente para las exigentes aplicaciones industriales.

El comodín (que tiene una influencia dramática en el ancho de banda en tiempo real) es el tipo de secuencia de mensajes elegido para la red IO-Link. Los diferentes tipos de secuencia acomodan diversas cantidades de transmisión de datos acíclicos o a demanda. Por lo tanto, para estimar el ancho de banda en tiempo real de un arreglo IO-Link, los cálculos deben tener en cuenta tanto los datos del proceso como los datos acíclicos permitidos por el sistema de mensajería. Algunos tipos definen valores de octetos de proceso fijos y octetos de datos acíclicos a demanda, mientras que otros permiten al proveedor o al usuario establecer los octetos de datos de proceso entre 1 y 32, y los octetos de datos acíclicos entre 1, 2, 8 ó 32. En resumen, los sistemas que necesitan mover menos datos tienen ciclos más rápidos.

El análisis de todos los factores anteriores da como resultado la anchura de banda en tiempo real, definida por los datos de proceso (únicamente) transmitidos (en kbits) divididos por el tiempo total de ciclo calculado en kbits/seg. Por ejemplo, con solo un octeto de datos acíclicos (para 1-8) y 32 octetos de datos de proceso (para 32-8), el tiempo de ciclo es de poco más de un par de milisegundos y el ancho de banda supera los 100 kbit/seg.

Todas las nuevas primarias de IO-Link 1.1 soportan COM3 y los componentes de automatización que aprovechan esta tasa de datos y se adaptan automáticamente a las tasas que sus secundarias conectadas pasan a utilizar. De hecho, es común que los dispositivos de campo con varios tiempos de ciclo se ejecuten a partir de un primario para permitir el uso de sensores y actuadores de varios niveles de sofisticación, así como actualizaciones incrementales de diseño. Los actuadores que emplean la velocidad de datos de 230,4 kbaud de la COM3 (normalmente con la disposición de puertos de clase B que se trata en la siguiente sección de este artículo) incluyen componentes de potencia de fluidos así como electromecánicos, incluyendo válvulas neumáticas, cilindros lineales y colectores, así como pequeños dispositivos de campo basados en motores paso a paso. Los sensores que más comúnmente usan el COM3 incluyen sensores de posición y desplazamiento, así como sensores de color, temperatura y presión, todos los cuales son los más comunes en el control de procesos. Los interruptores mecánicos seleccionados también aprovechan este modo de comunicación COM3.

Figura 3: Los sensores inteligentes de la serie HG-C1000L de Panasonic utilizan las conexiones COM3 de IO-link para apoyar la supervisión remota y las rutinas de mantenimiento preventivo. La lógica de los sensores de a bordo puede detectar estados de normalidad, error, precaución y alarma. Estos sensores también proporcionan un medio para reconfigurar de forma rápida y remota los ajustes y las operaciones del sensor cuando sea necesario. (Fuente de la imagen: Panasonic Industrial Automation Sales)

Conexiones físicas IO-Link 1.1 (incluyendo puertos de datos)

Ahora considere los anchos de datos del IO-Link - a 32 bytes por puerto para los datos de proceso. Todos los puertos activados en las primarias IO-Link están configurados para manejar la salida y la entrada digitales o funcionan como un punto IO-Link usando un UART en modo semidúplex (para que los bits de datos se envíen y reciban en secuencias de un solo bit). Un típico primario de cuatro u ocho puertos de IO-Link podría conectarse directamente a varios dispositivos de campo o servir como un centro intermediario y el ancho de transmisión depende de este primario. Las conexiones a un dispositivo de campo IO-Link típico incluyen conductores de suministro L+ y M, así como conductores C/Q₁, siendo estos últimos los que llevan los datos del proceso, así como los datos para la parametrización, configuración y diagnóstico.

Figura 4: Los sensores inteligentes como este sensor de presión SICK con IO-Link (que permite conexiones a través de un M12 de cuatro o cinco pines) pueden evitar el tiempo de inactividad y los errores asociados a la reprogramación manual. Eso es porque permiten la edición paramétrica y la reconfiguración a través del PLC de la máquina. Fíjese en las conexiones L+ y M así como C/Q₁ del conector IO-Link. (Fuente de la imagen: SICK)

Lo que complica un poco las cosas aquí es que las especificaciones del IO-Link permiten puertos de clase A y clase B en las primarias y secundarias. Los puertos de clase A, tal como se definen en la norma IEC 60947-5-2, no deben confundirse con los conectores M12 con codificación A, tal como se definen en la norma IEC 61076-2-101. Lea más sobre los conectores M12 ubicuos en el contexto de IO-Link en el artículo de DigiKey "Los principios de IO-Link". En resumen, a veces se utilizan los pines 2 y 5 del conector IO-Link (y ese uso varía), mientras que los pines 1, 3 y 4 se utilizan siempre (y el uso solo varía para este último). Las disposiciones de clase A (basadas en conectores M5, M8 o M12 de cuatro pines) permiten más variaciones de E/S e incluso una salida de alta corriente para accionar los actuadores. Por el contrario, los arreglos de clase B son siempre conexiones M12 de cinco pines.

Independientemente de la clase, los receptáculos de los conectores hembra se encuentran en los pines de los conectores primarios y macho en el dispositivo de campo secundario.

Los 32 bytes por puerto para los datos de proceso es sólo un máximo utilizado para los sensores y actuadores más avanzados conectados a IO-Link; y de hecho, el ancho de los datos de un secundario IO-Link muy simple como un conmutador puede ser sólo un bit. Cuando el ancho de datos establecido es insuficiente para la aplicación, algunas primarias IO-Link permiten una transmisión fragmentada de datos de proceso. Otros esquemas de expansión de la capacidad de datos del IO-Link incluyen múltiples usos de los conductores pin-4 para comunicaciones bidireccionales IO-Link y de conmutación, así como la transmisión de datos de doble canal que corre paralela a los datos del pin-4 IO-Link. En el caso de este último, el conductor de la clavija 2 puede transportar señales de E/S o de conmutación específicas del dispositivo (a menudo, aunque no siempre, asociadas a la supervisión del estado) y liberar el canal IO-Link para transportar señales complementarias. Esa transmisión de datos de doble canal IO-Link permite comunicaciones en tiempo real sin los retrasos asociados a los PLC remotos (incluidos los tiempos de ciclo), que a su vez apoyan aplicaciones que requieren un rápido análisis de las condiciones de las máquinas o dispositivos y una respuesta a las mismas.

Conclusión:

Las tres características del IO-Link, nuevas en la versión 1.1, incluyen la copia de seguridad de los datos (para guardar y reutilizar los parámetros del dispositivo); la capacidad de procesar anchos de datos de hasta 32 bytes por puerto; y tasas de transmisión de datos de 230,4 kbaud desde las primarias. Estas características sólo han acelerado la adopción del IO-Link 1.1 para la automatización industrial.