Uso de IO-Link en aplicaciones industriales

Con la llegada de la cuarta revolución industrial y la Industria 4.0, la automatización integral e inteligente pasó a definirse mediante controles avanzados, supervisión y diagnóstico. Estas capacidades solo son posibles a través de la conectividad industrial, mediante la cual los controles y los dispositivos de las máquinas se unifican en alguna plataforma (como IO-Link) para el intercambio continuo de datos.

Figura 1: IO-Link complementa los protocolos de red existentes integrándose fácilmente en las redes de campo o Ethernet a través del IO-Link primario. La conexión entre un IO-Link primario y sus dispositivos IO-Link se realiza a través de un cable de tres o cinco hilos no apantallado y sin apantallar, capaz también de suministrar energía a los dispositivos IO-Link. Aquí, la alimentación del primario es de 24 VCC. (Imagen: Pepperl+Fuchs)

Las tecnologías clave que sustentan la conectividad industrial son las redes estandarizadas y los dispositivos con funciones de comunicación integradas. Abundan los protocolos para estas funciones. Sin embargo, no todos los protocolos industriales satisfacen los requisitos de intercambio de datos e inteligencia que exige la automatización actual. IO-Link se creó para satisfacer una amplia matriz de estas aplicaciones modernas.

Tal y como se explicó en un artículo anterior de digikey.com, IO-Link es un protocolo de comunicación punto a punto por cable que facilita la comunicación bidireccional de datos entre dispositivos inteligentes. Normalmente, los IO-Link primarios (controladores locales) tienen varios puertos IO-Link (canales) en los que se conectan varios dispositivos IO-Link de forma independiente. Estas conexiones de nodo a nodo son las que convierten a IO-Link en un protocolo de comunicación punto a punto.

Lanzado en 2009 por un consorcio de 41 miembros que ahora cuenta con cientos de miembros, IO-Link se ha convertido en un protocolo de comunicación ampliamente aceptado para aprovechar datos cruciales para:

• Optimización de las operaciones
• Reducir el tiempo de inactividad y agilizar el mantenimiento
• Recorte de los costos de las materias primas y toma de decisiones operativas estratégicas.

La interfaz armonizada IO-Link está definida por la norma IEC 61131-9 y es compatible con Siemens, Omron Corp. ifm Efector, Balluff, Cinch Connectivity, Banner Engineering, Rockwell Automation, SICK, Pepperl+Fuchs y docenas de otros fabricantes de componentes y sistemas. No es de extrañar que la conectividad IO-Link se aproveche ampliamente en las operaciones de automatización de ensamblajes, máquinas herramienta e intralogística. Sus tres usos principales en estos y otros entornos industriales son las comunicaciones de estado, el control de máquinas y la conversión de dispositivos en inteligentes.

Los modos del controlador IO-Link se correlacionan con los usos

Figura 2: El tipo de conector utilizado con el cable de conexión depende del tipo de puerto. Los puertos primarios IO-Link de clase A aceptan conectores M8 o M12 (como el AL1120 de ifm efector que se muestra aquí) de hasta cuatro pines, mientras que los homólogos de clase B aceptan conexiones con dispositivos que tengan conectores M12 de cinco pines (para la comunicación bidireccional de datos). El modo asignado al puerto de un primario en un momento dado viene determinado por el dispositivo al que está conectado y el funcionamiento actual. (Imagen: ifm Efector)

Recordemos de los artículos anteriores de digikey.com que el protocolo de comunicación IO-Link hace que cada puerto de conector en un primario de alto nivel IO-Link (controlador) sea capaz de cuatro modos de comunicación. Entre ellos se incluye un modo totalmente desactivado, así como los modos de funcionamiento IO-Link, entrada digital (DI) y salida digital (DQ). Los modos se correlacionan vagamente con los tres usos principales de IO-Enlace enumerados anteriormente.

El modo de funcionamiento IO-Link admite las comunicaciones de datos bidireccionales con los dispositivos de campo y se suele utilizar durante la recopilación de datos para la supervisión, las pruebas y los diagnósticos. El puerto de un primario en modo DI acepta entradas digitales y funciona cuando el puerto está conectado a sensores - en este contexto, actuando como dispositivos de entrada. Por el contrario, un puerto en modo DQ actúa como una salida digital, normalmente cuando el puerto está conectado a un actuador (en este contexto, efectivamente un dispositivo de salida) o cuando un sistema PLC está configurado para enviar directamente instrucciones a otro dispositivo IO-Link.

Aunque está fuera del alcance de este artículo, vale la pena señalar que los puertos de un IO-Link primario pueden cambiar fácilmente de modo. Por ejemplo, un puerto del primario conectado a un sensor puede funcionar en modo DI y luego cambiar al modo de comunicación primario cuando el primario solicite datos de diagnóstico y monitorización del sensor.

Aplicación IO-Link 1 de 3: comunicaciones de estado procesables

Figura 3: IO-Link facilita la creación de sistemas de control y automatización muy avanzados. La industria de la máquina-herramienta utiliza abundantemente los sensores IO-Link para verificar las presiones y posiciones adecuadas de la sujeción de la pieza y de la herramienta final de fresado. (Fuente de la imagen: Getty Images)

La supervisión de la máquina es posible con dispositivos IO-Link configurados para informar del estado que, a su vez, pueden informar al sistema de los ajustes y correcciones necesarios. Considere un uso en la industria de las máquinas-herramienta: el de los sensores de presión IO-Link que verifican que las piezas se sujetan con una presión adecuada para una sujeción sin daños, pero segura durante las operaciones de retirada de material. En este caso, los sensores IO-Link apoyan esencialmente la optimización de las tareas de la máquina para que haya menos piezas rechazadas.

Los dispositivos IO-Link también pueden realizar comunicaciones de estado procesables para apoyar las rutinas de mantenimiento mejoradas para minimizar el tiempo de inactividad. Por ejemplo, los sensores de posición IO-Link de una máquina de ensamblaje podrían informar continuamente de las ubicaciones de los efectores finales para garantizar que ninguno esté fuera de rango o alineado.

Al analizar los datos de diagnóstico proporcionados por los dispositivos IO-Link, los técnicos de las máquinas de una planta pueden predecir y corregir errores y posibles averías antes de que se produzcan. Los técnicos también pueden identificar los puntos débiles de una máquina o planta, para informar sobre los cambios operativos a nivel de empresa, las decisiones de compra y los diseños de máquinas cautivas en el futuro.

Aplicación IO-Link 2 de 3: control avanzado y automatización

Figura 4: Un sistema IO-Link que participa en controles avanzados incluye un IO-Link primario (controlador), como el Omron NX-ILM400 que se muestra aquí, y varios sensores, fuentes de alimentación y dispositivos mecatrónicos habilitados para IO-Link conectados a ese primario. Los sistemas IO-Link para este tipo de aplicaciones suelen acoplar el primario y los dispositivos IO-Link a un PLC u otro sistema de automatización. (Fuente de la imagen: Omron)

El control y la automatización son otras funciones de las aplicaciones que admite IO-Link. Cuando una instalación IO-Link admite funciones que se ejecutan sin intervención del personal, el IO-Link primario suele conectarse a un sistema anfitrión o a un PLC de nivel superior que procesa los datos recibidos y, a continuación, ordena directa o indirectamente a los actuadores del diseño las respuestas coordinadas adecuadas. Este tipo de control automatizado requiere que el sistema IO-Link se conecte a un controlador de nivel superior a través de protocolos y cableado estandarizados de bus de campo o Ethernet. De hecho, la mayoría de los primarios IO-Link tienen puertos de bus de campo o Ethernet para este tipo de conexiones.

Los dispositivos de las aplicaciones de control avanzado que incluyen sistemas IO-Link se integran de una de estas tres maneras:

• Se conectan directamente a la computadora central o a los controladores lógicos programables (PLC)
• Se conectan a un primario IO-Link y se comunican a través del protocolo IO-Link.
• Utilizan comunicaciones compatibles con IO-Link y se conectan a un IO-Link primario a través de un hub IO-Link

Este último actúa esencialmente como intermediario para conectar dispositivos que no son de IO-Link con el primario.

Una ventaja añadida de los sistemas IO-Link que tienen conectividad de bus de campo y comunicaciones Ethernet es que permiten las conexiones a larga distancia, lo que a su vez permite a los instaladores situar los IO-Link primarios en un armario de control o en los extremos de la máquina si eso tiene más sentido para una aplicación determinada.

Considere cómo los IO-Link primarios benefician a las aplicaciones de ensamble avanzadas al servir como controladores de bajo nivel capaces de procesar señales digitales y analógicas. Aquí, las primarias podrían:

• Aceptar los datos generados por los codificadores lineales IO-Link en los ejes de una etapa XY
• Procesar esos datos como una puerta de enlace
• Enviar los datos procesados del dispositivo de campo IO-Link al PLC o a otro controlador del sistema

Aplicación IO-Link 3 de 3: inteligencia de dispositivos

Figura 5: La interfaz de conexión IO-Link es muy pequeña y cabe en la mayoría de los dispositivos de campo compactos. Aquí se muestra un sensor de proximidad BUS004Z de Balluff con conectividad IO-Link. (Fuente de la imagen: Balluff)

La tercera aplicación de IO-Link es hacer que los dispositivos sean inteligentes. Especialmente comunes en los diseños de sensores que se asemejan a las opciones de sensores heredados sin programación (o con una programación más modesta), estos dispositivos habilitados para IO-Link pueden recibir instrucciones, supervisar y ejecutar rutinas de autocomprobación, y generar datos. Dado que IO-Link también permite que los dispositivos proporcionen más que los datos básicos de dos valores (sí-no o pasa-no), también es posible la notificación de valores precisos. Por ejemplo, las tareas de automatización de procesos se benefician de los sensores de temperatura IO-Link, que van más allá de informar sobre el estado de alta o baja temperatura, ya que informan continuamente del valor exacto de la temperatura de una zona o volumen supervisado.

Otra de las ventajas de IO-Link para los dispositivos inteligentes de campo es que sus conexiones físicas son compactas. Esto contrasta con las conexiones físicas de las interfaces de bus de campo y Ethernet, que a veces pueden ser demasiado grandes para caber en los microdispositivos de campo.

Los componentes inteligentes IO-Link también pueden controlarse con precisión. Por ejemplo, en lugar de los controles básicos de apagado y encendido, se puede ordenar a un actuador que se apague una vez que un escenario satisfaga un conjunto de condiciones.

Los dispositivos de entrada, como los interruptores de pulsador de RAFI, pueden aprovechar las funciones IO-Link para admitir las características de los dispositivos inteligentes, incluidos los indicadores luminosos con código de colores.

El uso de IO-Link para aplicaciones de dispositivos inteligentes tiene algunas advertencias. Aunque se está desarrollando una forma inalámbrica de IO-Link, sigue siendo un protocolo de comunicación por cable, por lo que sigue estando sujeto a todas las limitaciones del cableado. Para mantener la integridad de los datos, el cableado primario entre dispositivos IO-Link no debe superar los 20 m. Además, como el protocolo IO-Link sólo puede transmitir hasta 32 bytes de datos por ciclo, es insuficiente para utilizarlo con dispositivos de campo como las cámaras, que pueden generar muchos MB de datos por minuto.

Conclusión:

Los usos de los sistemas IO-Link abundan para complementar los protocolos existentes que sustentan controles y sistemas de recogida de datos prácticamente ilimitados. La simplicidad de los sistemas IO-Link -que sólo incluyen un IO-Link primario y sus dispositivos y sus cables de tres o cinco hilos conectorizados- ha impulsado su adopción. La instalación "plug and play" y la rentabilidad son otras de las ventajas de IO-Link.

Los esfuerzos del consorcio IO-Link de empresas miembros han garantizado una amplia compatibilidad entre controladores, dispositivos y actuadores de varios fabricantes, lo que ha proporcionado a los ingenieros de diseño la más amplia selección de equipos para sus casos de uso específicos.