Utilice IO-Link para aumentar la flexibilidad, disponibilidad y eficiencia en las fábricas de la Industria 4.0

La recopilación y el análisis de datos, que son las características distintivas de la Industria 4.0, pueden requerir con frecuencia cambios en las líneas y los procesos que incluyan la adición, eliminación o reprogramación de sensores digitales, actuadores, indicadores y otros dispositivos. Esto puede resultar difícil de aplicar de forma eficiente en los protocolos de automatización de redes heredados, con sus diversas características. Las instalaciones de Industria 4.0 necesitan otra capa de conectividad y flexibilidad entre las redes instaladas y la creciente masa de sensores, actuadores e indicadores localizados.

Para hacer frente a estos retos, IO-Link se ha desarrollado como una norma abierta que puede conectar señales de dispositivos como sensores, actuadores e indicadores a redes de nivel superior como Ethernet IP, Modbus TCP/IP y PROFINET, y de ahí a controladores lógicos programables (PLC), dispositivos de interfaz hombre-máquina (HMI), sistemas de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) y a la nube. La conectividad serie IO-Link está normalizada según la norma IEC 61131-9 con cables estándares simples no apantallados de tres o cinco hilos según se establece en la norma IEC 60974-5-2. Los diseñadores de sistemas de automatización encontrarán que IO-Link es especialmente adecuado para apoyar el rápido despliegue y la configuración remota, la supervisión y el diagnóstico de los dispositivos conectados necesarios para las fábricas de la Industria 4.0.

Este artículo repasa las capacidades y ventajas de IO-Link y examina la estructura y el funcionamiento de las redes IO-Link, incluido el uso de varios tipos de dispositivos IO-Link para crear redes locales de sensores, actuadores e indicadores que respalden la Industria 4.0. Presenta ejemplos reales de dispositivos IO-Link, concentradores y convertidores de datos de Banner Engineering que los diseñadores pueden utilizar para implementar de forma eficiente grandes cantidades de dispositivos de borde de la Industria 4.0.

¿Dónde encaja IO-Link?

IO-Link proporciona una red de nivel inferior que captura datos de sensores, actuadores e indicadores distribuidos, se conecta a convertidores que convierten los datos al formato IO-Link y, a continuación, los distribuye a dispositivos maestros o concentradores IO-Link según sea necesario para su conexión a redes de fábrica de nivel superior como Ethernet, Modbus y PROFINET (Figura 1).

Figura 1: IO-Link proporciona una solución completa para conectar sensores, actuadores y dispositivos heredados y de otro tipo (izquierda) con SCADA, HMI y la nube existentes (derecha) en redes de Industria 4.0. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

Entre los principales atributos de IO-Link figuran los siguientes:

• Norma abierta
• Permite la integración, configuración y puesta en marcha rápidas de dispositivos locales para acelerar los cambios y aumentar la flexibilidad con una necesidad mínima de asistencia práctica por parte de los técnicos.
• Compatibilidad con las redes de automatización existentes
• Comunicaciones bidireccionales resistentes que pueden ser síncronas o asíncronas para maximizar la eficacia de la comunicación.
• Diagnóstico remoto hasta el nivel de dispositivo
• La capacidad de cambiar dinámicamente los parámetros de sensores o actuadores para acelerar la optimización del proceso.
• Identificación de dispositivos integrada y reasignación automática de parámetros para maximizar la disponibilidad.

Cómo conectar dispositivos IO-Link

Los dispositivos de una red IO-Link se conectan mediante cables no apantallados de tres o cinco conductores de hasta 20 medidores (m) de longitud. La norma IEC 60947-5-2 define las asignaciones de pines del maestro y del dispositivo. Los conectores macho se asignan al dispositivo, y los conectores hembra se utilizan para el maestro. Los conectores pueden ser M5, M8 o M12 con un máximo de cinco pines. En el maestro, se suministra corriente continua (VCC) de 24 voltios a un máximo de 200 miliamperios (mA) entre los pines 1 y 3 para actuar como fuente de alimentación opcional de los dispositivos. La clavija 4 se define como entrada digital (DI) o salida digital (DO) según la norma IEC 61131-2, y admite la compatibilidad con dispositivos heredados según la norma IEC60947-5-2.

Hay dos clases de puertos maestros, A y B. En los puertos de clase A, los pines 2 y 5 no están conectados (NC), y en los puertos de clase B, esos pines pueden configurarse como DI, DO, no conectados (NC), o pueden proporcionar una fuente de alimentación adicional. En la mayoría de las instalaciones industriales se utilizan conectores de desconexión rápida M12. En la figura 2 se muestra un resumen de las asignaciones de pines/clavijas definidas en la norma IEC 60974-5:

• Pin 1: +24 VCC, 200 mA máximo (L+)
• Pin 2: E/S digital (solo PNP)
• Pin 3: 0 voltios (L-)
• Pin 4: E/S digital (NPN, PNP o push-pull) y comunicación IO-Link
• Pin 5: Pin central NC (opcional)

Figura 2: IO-Link es una solución sencilla para proporcionar alimentación y conectividad de datos a dispositivos periféricos como sensores y actuadores. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

¿Por qué IO-Link?

IO-Link contribuye a mejorar sustancialmente el rendimiento de las redes de la Industria 4.0 mediante una sencilla instalación o sustitución de dispositivos con un cableado estandarizado, fiable y de bajo costo. Además, está diseñado para simplificar la integración de sensores aislados en las redes existentes. Entre las ventajas de IO-Link se incluyen:

La disponibilidad de los datos se facilita mediante IO-Link para conectar dispositivos aislados e islas de automatización en una red unificada. Los datos de los sensores no siempre están disponibles o son fáciles de obtener. Con IO-Link, los datos se adquieren fácilmente y pueden estar disponibles en tiempo real para optimizar los procesos y apoyar el mantenimiento proactivo de máquinas y sensores. IO-Link admite tres tipos de datos principales que pueden clasificarse a su vez como datos cíclicos que se transmiten automáticamente según un programa regular, o datos acíclicos que se transmiten a petición o según sea necesario:

• Procesamiento de datos: Se refiere a información como lecturas de sensores que el dispositivo transmite al maestro, así como información del maestro para controlar las operaciones del dispositivo, como la iluminación de segmentos específicos en una luminaria de torre. Los datos procesados pueden ser cíclicos o acíclicos.
• Datos de servicio: Incluye información sobre el dispositivo y a veces se denominan datos del dispositivo. Los datos de servicio incluyen los valores de los parámetros del dispositivo, su descripción y el modelo y número de serie. Es acíclica y puede leerse o escribirse en un dispositivo según sea necesario.
• Datos de eventos: Esto incluye la gestión de errores e incluye mensajes de error como ajustes de parámetros excedidos o advertencias de mantenimiento como una lente sucia en un sensor de imagen. Se transmiten acíclicamente cada vez que se produce un evento desencadenante.

La configuración remota permite a los operadores y técnicos de la red leer y cambiar los parámetros de los dispositivos mediante el control por software sin tener que desplazarse físicamente a cada uno de ellos. Los parámetros de los sensores pueden modificarse dinámicamente según sea necesario para perfeccionar los procesos existentes, acelerar los cambios de productos y procesos, apoyar la personalización masiva y minimizar el tiempo de inactividad de máquinas y líneas.

La posibilidad de configurar a distancia los dispositivos simplifica su sustitución. La función de sustitución automática de dispositivos (ADR) en IO-Link puede proporcionar ajustes y reasignaciones automáticos de parámetros para los dispositivos sustituidos. Con ADR, los operadores de red pueden importar los valores de los parámetros existentes en un dispositivo de sustitución o actualizar los parámetros según sea necesario para garantizar unas modificaciones y un mantenimiento de la red rápidos y precisos.

El diagnóstico ampliado aprovecha las capacidades de comunicación cíclica y acíclica de IO-Link para proporcionar a los operadores de red amplia información sobre el estado operativo de cada dispositivo de la fábrica. La capacidad de diagnosticar a distancia el funcionamiento de los dispositivos puede acelerar la identificación de los que se están deteriorando o funcionan fuera de las especificaciones. Esto permite una programación más eficaz del mantenimiento o la sustitución de dispositivos.

El cableado estandarizado y sencillo es una característica clave de IO-Link. A diferencia de otros protocolos de red, los dispositivos, convertidores, concentradores y maestros IO-Link se conectan mediante cables sin apantallar y conectores de desconexión rápida sencillos y económicos. La arquitectura maestro-esclavo de IO-Link simplifica aún más los requisitos de cableado y elimina los problemas de configuración de la red.

Primeros pasos: Maestro/controlador IO-Link

Los diseñadores de sistemas de automatización que añadan o amplíen el uso de IO-Link pueden empezar por seleccionar un maestro (o controlador) IO-Link, como el DXMR90-4K de Banner Engineering, que consolida datos de múltiples fuentes, proporciona procesamiento de datos local y permite la conectividad con la red de nivel superior (Figura 3).

Figura 3: El dispositivo maestro IO-Link DXMR90-4K puede combinar datos de cuatro fuentes locales y conectarse con una red de nivel superior. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

Los cuatro puertos del DXMR90-4K admiten comunicaciones simultáneas con hasta cuatro dispositivos IO-Link. Admite la recopilación de datos, el procesamiento de bordes y la conversión de protocolos para la conexión a Ethernet industrial o Modbus/TCP, y puede transferir datos a servidores web. Otras características del DXMR90-4K incluyen:

• Carcasa compacta y ligera que ahorra espacio y simplifica el despliegue
• El grado de protección IP67 elimina la necesidad de un armario de control independiente, lo que contribuye a reducir los costos de instalación
• Facilita tendidos de cable consolidados que minimizan la complejidad y el peso del cableado, lo que puede ser especialmente importante en aplicaciones como la robótica.
• Controlador lógico interno ampliable mediante reglas de acción y programación ScriptBasic que admite altos niveles de flexibilidad.

Para instalaciones más sencillas, los diseñadores pueden recurrir a dispositivos como el maestro IO-Link de dos puertos R45C-2K-MQ para conexiones Modbus.

Concentradores IO-Link

Cuando es necesario conectar numerosos sensores o actuadores a un único maestro IO, los diseñadores pueden utilizar un concentrador IO-Link para agregar señales de sensores y actuadores y transmitirlas a un maestro IO-Link a través de un único cable. Por ejemplo, el R90C-4B21-KQ dispone de cuatro puertos de entrada y se conecta al maestro mediante un conector M12 estándar (Figura 4). Es un convertidor compacto de dispositivo bimodal (PNP o NPN) a IO-Link que conecta entradas discretas y envía el valor a un maestro IO-Link. Características TI:

• Modos de retardo ENCENDIDO/APAGADO, ENCENDIDO/APAGADO, ENCENDIDO/APAGADO/recargable un disparo, ENCENDIDO/APAGADO, convertidor de impulsos y totalizador
• Las métricas de medición incluyen recuento, eventos por minuto y duración.
• La duplicación discreta permite duplicar las señales (de entrada y salida) en cualquiera de los cuatro puertos
• Las E/S discretas pueden configurarse independientemente como NPN o PNP
• Diseño resistente sobremoldeado con clasificación IP68

Figura 4: El concentrador R90C-4B21-KQ puede consolidar las comunicaciones de cuatro dispositivos y conectarlos con un dispositivo maestro IO-Link. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

Convertidores de señal IO-Link

Existen varios tipos de convertidores para que las redes IO-Link conecten sensores y otros dispositivos que pueden utilizar diversos tipos de señales, como señales PNP o NPN discretas, señales analógicas de 0 a 10 VCC y transductores de corriente. Algunos ejemplos de convertidores de señales IO-Link son:

• Convertidor de entrada o salida de corriente analógica IO-Link a R45C-K-IIQ (Figura 5)
• Conversor R45C-K-UUQ para entrada o salida de voltaje analógico
• Convertidor R45C-K-IQ para salida analógica de corriente
• Conversor R45C-K-UQ para salida analógica de voltaje

Figura 5: El convertidor IO-Link R45C-K-IIQ puede conectar un dispositivo maestro con dispositivos locales mediante entradas y salidas analógicas. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

También hay convertidores en línea IO-Link del tamaño de una pila AA. Estos convertidores pueden manejar varios tipos de señales y convertirlas a protocolos IO-Link, Modbus u otros. Por ejemplo, el S15C-I-KQ es un convertidor de corriente analógica a IO-Link que se conecta a una fuente de corriente de 4 a 20 mA y envía el valor a un maestro IO-Link. El pequeño tamaño de estos convertidores simplifica la incorporación de sensores heredados a redes con protocolos estándar para la supervisión de procesos o del medio ambiente. Su grado de protección IP68 permite su uso generalizado en entornos industriales.

Conclusión:

IO-Link proporciona la conectividad necesaria para recopilar los datos necesarios para optimizar el rendimiento de las fábricas de la Industria 4.0 mediante la conexión de dispositivos heredados y otros dispositivos de borde con la red principal Ethernet IP, Modbus TCP/IP o PROFINET. Admite altos niveles de disponibilidad de datos, diagnósticos ampliados, configuración remota y sustitución simplificada de dispositivos, lo que acelera el proceso y los cambios de línea utilizando la conectividad normalizada en IEC 61131-9 con cables estándar sencillos no apantallados de 3 ó 5 hilos definidos en IEC 60974-5-2.

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