¿Qué es el IO-Link 1-1 y cómo se usa?

Este artículo discutirá el IO-Link y cómo el IO-Link 1.1 difiere de las iteraciones anteriores. Entonces la discusión cambiará para esbozar dónde tiene sentido el IO-Link en las instalaciones automatizadas.

Figura 1: El uso del IO-Link se ha disparado en los últimos años, especialmente en el efecto final robótico y otras aplicaciones neumáticas. (Fuente de la imagen: SICK Inc. )

Antecedentes del IEC 61131-9

La norma IEC 61131-9, denominada bajo el nombre de marca registrada IO-Link, es una norma abierta que define un sistema para impartir conectividad a los actuadores y sensores comúnmente empleados en la automatización de máquinas. Según algunas estimaciones, la venta de dispositivos con capacidad de IO-Link podría duplicarse cada año durante los próximos años (para superar los 12.000 millones de dólares en 2023). Este hecho, junto con el creciente número de fabricantes de equipos originales e ingenieros de planta que descubren y aprovechan las funciones IO-Link en los equipos nuevos y existentes, ha significado un aumento bastante drástico en el uso de IO-Link durante los últimos años en particular.

Una breve historia

En 1982, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) estableció sus convenciones originales para los controladores programables y su software. Esta norma fue actualizada y renombrada a IEC 1131 en 1993; una actualización posterior y otro renombramiento a la Norma Internacional IEC 61131 tuvo lugar en 1997.

La parte 9 de la norma IEC 61131 (de nuevo, la norma de IO-Link) se refiere a las "interfaces de comunicación digital de gota única para pequeños sensores y actuadores", establecidas mediante la colaboración de dos subcomités de la IEC, uno centrado en los dispositivos de medición y control y el otro en las redes industriales. La interfaz de comunicación de caída única (abreviada SDCI) significa que IO-Link emplea un solo cable (de hasta 20 m) para conectar cada sensor o actuador del sistema y ese cable es un cable genérico de tres hilos sin blindaje (o en algunos casos, de cinco hilos) que se ha utilizado ampliamente para aplicaciones industriales de E/S durante décadas.

Figura 2: Aquí se muestra un sensor con conectividad IO-Link. (Fuente de la imagen: SICK Inc.)

Una idea equivocada increíblemente común es que IO-Link de alguna manera compite con DeviceNet, PROFINET, CC-Link, EtherNet/IP y EtherCAT. Para ser claros: IO-Link es solo una tecnología de E/S estandarizada y su objetivo es en realidad complementar las redes de comunicación actuales, los buses de backplane y los protocolos de bus de campo. En muchos casos, IO-Link imparte funciones de retroalimentación y automatización que no son posibles solo con la red elegida.

Figura 3: IO-Link simplifica la integración de los dispositivos de campo en otros buses de campo y redes industriales comunes para una gama ampliada de funcionalidades de la IIoT (Internet industrial de las cosas). (Fuente de la imagen: SICK Inc.)

Con la comunicación punto a punto SDCI de IO-Link, las conexiones se realizan desde un punto en un dispositivo de campo (como un sensor u otro esclavo) a otro punto en un concentrador o controlador maestro de IO-Link. Algunos fabricantes se refieren a los maestros como cajas o módulos de IO-Link. Las comunicaciones entre puntos finales difieren de las comunicaciones entre dispositivos de las redes y los autobuses, que suelen implicar paquetes o "telegramas" difundidos a nivel mundial y leídos por los dispositivos finales receptores u otros esclavos.

En la actualidad, el Consorcio IO-Link - el grupo que se dedica a mejorar y promover continuamente IO-Link - publica sus reglas, estándares y actualizaciones en io-link.com.

El software IO-Link para la configuración

Todos los dispositivos IO-Link requieren una configuración antes de su uso. La puesta en marcha se realiza normalmente a través de un software proporcionado gratuitamente por los fabricantes de los dispositivos que están listos para IO-Link o del fabricante del PLC u otro controlador industrial de alto nivel para comandar la instalación automatizada. Los ingenieros de diseño suelen estar familiarizados con este tipo de software de sistema de control, que simplifica la configuración de los parámetros del dispositivo IO-Link dentro de ese entorno. Esa conectividad también se imparte a los sensores y otros dispositivos instalados... para permitir el ajuste de sus parámetros sobre la marcha.

Figura 4: Las cortinas de luz de SICK Inc. permiten la configuración de escritorio de las funciones IO-Link. (Fuente de la imagen: SICK Inc.)

Durante el típico proceso de configuración, el ingeniero utiliza el software para integrar virtualmente el maestro IO-Link y sus dispositivos en el resto del diseño automatizado. A través de un menú de configuración, el ingeniero establece los parámetros del dispositivo y los parámetros maestros para satisfacer los requisitos de la arquitectura del sistema más grande.

El software para configurar los dispositivos IO-Link emplea archivos de descripción de dispositivos IO (IODD) estandarizados. Complementando los archivos IODD en algunos casos se encuentran los archivos propietarios del administrador de tipo de dispositivo o los archivos DTM, así como las instrucciones complementarias, además de los bloques de función ofrecidos por los fabricantes de dispositivos para simplificar aún más la programación de los dispositivos a través de sus propias GUI (interfaces gráficas de usuario).

Los archivos IODD contienen el nombre del dispositivo, el modelo, las imágenes para poblar las interfaces gráficas de usuario, los rangos de operación típicos y las señales esperadas para la interfaz del sistema IO-Link. El Consorcio IO-Link alberga una biblioteca de archivos IODD descargables organizada por el fabricante del dispositivo en ioddfinder.io-link.com. En última instancia, estos archivos se cargan en el maestro de IO-Link (así como en los concentradores si se utilizan en el sistema) para permitir el funcionamiento básico así como las funciones de diagnóstico.

Los datos de procesos, eventos y dispositivos en IO-Link

Cada instalación de IO-Link maneja automáticamente los datos a través de su maestro. Los datos se transmiten desde los dispositivos de campo ya sea de manera regular (procesados por el controlador como datos cíclicos) o se transmiten a petición o según se requiera (procesados por el controlador como datos acíclicos). Además, el controlador clasifica y maneja todos los datos como:

Datos de eventos: una forma de datos acíclicos. Esto incluye errores y alarmas de mantenimiento, así como información de localización de averías provocadas por movimientos del eje o por señales de sensores e interruptores que son problemáticas o están comprometidas de alguna manera.

Datos de proceso: una forma de datos cíclicos. Se trata de información operativa básica como la posición, el nivel, la distancia y más que los dispositivos de campo recogen continuamente y envían al maestro de IO-Link. En algunos casos, estas señales de datos de proceso van acompañadas de datos de estado de valor en su camino hacia el maestro. Al aprovechar la naturaleza bidireccional de la comunicación IO-Link, los datos de proceso también pueden ir en sentido inverso (del maestro al dispositivo de campo) para activar dispositivos para cambiar el comportamiento o mostrar un código preestablecido para que los operadores de las máquinas lo anoten.

Datos del dispositivo: una forma de datos acíclicos. Se trata de información sobre el dispositivo de campo y su modelo, los ajustes de los parámetros, el estado, la posición y otros valores de lectura. Al aprovechar la naturaleza bidireccional de la comunicación IO-Link, los datos de los dispositivos también pueden ir de maestro a dispositivo para establecer nuevos parámetros y similares.

IO-Link 1.0 a 1.1: ¿qué ha cambiado?

En 2013, el Consorcio IO-Link actualizó IO-Link de 1.0 a 1.1. Lo nuevo en IO-Link 1.1 es el soporte de una tercera velocidad de transmisión de datos (y para la estándar, más rápida) a través de un canal llamado COM3, que mejora las capacidades previamente posibles con las conexiones COM1 y COM2.

COM1: Modo de comunicación SDCI con transmisión de hasta 4.8 kbit/seg • Tiempos de ciclo hasta 18.0 mseg.

COM2: Modo de comunicación SDCI con transmisión de hasta 38.4 kbit/seg. • Tiempos de ciclo de hasta 2.3 mseg.

COM3: Modo de comunicación SDCI con transmisión de hasta 230.4 kbit/seg • Tiempos de ciclo hasta 0.4 mseg

Todos los maestros del IO-Link 1.1 deben soportar esta nueva tasa de datos y los dispositivos de campo que la emplean. Además, los maestros 1.1 soportan tanto los dispositivos 1.0 como los 1.1.

Otra novedad en 1.1 es el requisito de que los dispositivos IO-Link con especificaciones similares (incluso de fabricantes diferentes) sean intercambiables. Esto, y el hecho de que los maestros 1.1 pueden almacenar parámetros, permite la configuración automática de los dispositivos IO-Link intercambiados en caliente, simplificando el reemplazo de los sensores dañados o fallidos.

Alternativas tradicionales al IO-Link

IO-Link mejora los procesos de las instalaciones automatizadas en varias situaciones.

En muchas instalaciones automatizadas se sigue dependiendo en gran medida de la supervisión por parte de los operadores, es decir, del seguimiento manual del estado de la máquina y de los posibles problemas. En estos casos, IO-Link ofrece una alternativa viable (gracias a su simplicidad) para la monitorización de las máquinas que es más eficiente y fiable. Eso es porque a diferencia de las E/S tradicionales, el IO-Link incluye comunicación bidireccional para permitir una rápida configuración así como el diagnóstico de las condiciones del actuador y del sensor.

El IO-Link también libera a las plantas de la configuración manual de los parámetros de los dispositivos de campo, que es un enfoque que todavía es relativamente común en la industria. Con este enfoque, los ingenieros de planta se ven obligados a acceder físicamente a los dispositivos de campo en equipos remotos (o enterrados en máquinas) para leerlos, solucionar problemas o reconfigurarlos. En cambio, IO-Link permite a los operadores descargar los parámetros de las bibliotecas en línea o locales; lo cual es especialmente útil para minimizar el tiempo de inactividad de la máquina durante las reparaciones o los cambios de operación. A menudo la configuración es a través de un software de control regular.

Los controles centralizados basados en gabinetes también son comunes en las configuraciones tradicionales. El hardware asociado con IO-Link (para complementar los dispositivos de campo con capacidad de IO-Link) está miniaturizado, por lo que puede encajar incluso en huellas de máquinas muy estrechas y soportar controles distribuidos.

IO-Link simplifica el uso de los datos analógicos, eliminando la necesidad de convertidores especializados (que se encuentran en los equipos tradicionales) para dar sentido a las señales analógicas de 4 a 20 mA. El IO-Link también expande la cantidad de información que se puede transmitir con señales analógicas y discretas y binarias (off-on).

Más sobre las señales analógicas tradicionales de 4-20 mA con IO-Link

Los sensores analógicos en las instalaciones tradicionales requieren cable blindado, conectores especializados y:

• Convertidores de salida analógicos a digitales o A/D

• Convertidores de entrada D/A digital-analógica (para comunicación bidireccional)

Estos elementos pueden añadir costo y complejidad al diseño (especialmente cuando se requiere calibración) y en algunos casos pueden degradar los datos transmitidos.

Como se ha mencionado, IO-Link emplea cables de tres hilos sin blindaje o un cable equivalente de cinco hilos con alimentación, y eso se aplica también a los dispositivos analógicos, haciendo que la transmisión de la señal entre el sensor y el controlador sea más fiable y eliminando las pérdidas de datos. IO-Link actúa como una única interfaz para la comunicación, independientemente de si el dispositivo es un sensor, un actuador, una pinza o una válvula, mucho más simple que las instalaciones que requieren interfaces dispares para la conmutación binaria, la entrada y salida analógica o el RS232.

Advertencias y limitaciones del IO-Link

Hasta ahora, se han discutido algunas de las formas en que el IO-Link es beneficioso para los diseños automatizados. Sin embargo, el esfuerzo adicional y la complejidad de la aplicación del IO-Link cuando los enfoques más simples son suficientes (o cuando el diseño en cuestión es una máquina autónoma) no siempre es justificable.

En los lugares donde el IO-Link tiene sentido, un factor potencialmente limitante es que (como se ha mencionado) los tramos de cable no deben exceder los 20 m. Esto contrasta con los sistemas alternativos, especialmente los que emplean señales analógicas para la retroalimentación, que pueden acomodar tramos mucho más largos tan comunes en las operaciones automatizadas a gran escala.

Hasta hace poco, otra limitación del IO-Link era el tiempo de ciclo. Con la introducción del modo de comunicación COM3 (con tiempos de ciclo de hasta 0.4 mseg), el IO-Link 1.1 es aceptable incluso para tareas de automatización bastante exigentes, incluyendo algunas de las asociadas al control del movimiento. Por supuesto, los dispositivos IO-Link 1.0 todavía se mantienen con las limitaciones de COM1 y COM2; pero es la norma tener dispositivos con varios tiempos de ciclo trabajando con un maestro - por lo que es posible realizar actualizaciones incrementales del sistema.

El archivo IODD de cada dispositivo incluye información para el maestro sobre el intervalo de tiempo (tiempo de ciclo) en el que el maestro puede dirigirse a ese dispositivo en particular. Eso, junto con el tiempo propio del maestro requerido para el tiempo de procesamiento, afectan al tiempo de respuesta global. El límite del IO-Link para los datos de los procesos de entrada y salida se mantiene en 32 bytes, lo que puede impedir o complicar la adopción del IO-Link para determinadas aplicaciones de lectura y seguimiento. Aunque incluso aquí, los dispositivos con capacidad de procesamiento a bordo están abordando esta limitación.

Una última limitación potencial es que no todos los tipos de sensores especiales están disponibles en modelos con funcionalidad IO-Link.

Subcomponentes físicos e instalación

Figura 5: Aquí se muestran los concentradores IO-Link (izquierda), los módulos maestros de IO-Link de un solo dispositivo (centro) y los maestros de IO-Link. (Fuente de la imagen: SICK Inc.)

Los maestros de IO-Link

Los maestros de IO-Link (como se ha mencionado, también llamados módulos o cajas por algunos fabricantes) son piezas de hardware que hacen tres cosas:

1. Sirven como punto de comunicación para los dispositivos de campo IO-Link conectados. Todos los dispositivos utilizan una de las tres tasas de comunicación estándar; es tarea del maestro determinar qué tasa se está empleando.

2. Almacenan todos los archivos IODD y los parámetros de los dispositivos de campo IO-Link conectados. Esto significa que al arrancar, el maestro podría aceptar los parámetros del dispositivo y luego pasar al modo de funcionamiento normal de aceptar intercambios cíclicos de datos y valores de proceso.

3. Se conectan a controles de máquinas y automatización de alto nivel como PLC y PAC para comunicar datos a sus buses de campo, redes o backplanes. Ese compartir a su vez hace que los datos sean más accesibles para las funciones inmediatas de la máquina, así como para el análisis a nivel de empresa en instalaciones con programas de IIoT. Como resultado de la conectividad de los maestros de IO-Link a los PLC, HMI y PAC, los fabricantes de estos componentes han comenzado en los últimos años a lanzar al mercado sus propios maestros de IO-Link en muchos casos en forma de terminales y (como se ha mencionado) módulos. El IOLA2US-01101 de SICK Inc. es un ejemplo de un maestro de puerto único.

Todos los puertos de un maestro IO-Link en funcionamiento están desactivados, ajustados para acomodar la entrada y/o salida digital, o funcionan en modo IO-Link usando lo que se llama un receptor-transmisor asíncrono universal (UART) en modo semidúplex. Un típico maestro de IO-Link podría incluir ocho puertos para cualquiera de los dos:

• Se acoplan directamente a varios dispositivos de campo
• Pareja a los centros de IO-Link que sirven como extensiones maestras (que a su vez se conectan a conjuntos de dispositivos de campo)

Concentradores de IO-Link

Actualmente, los concentradores de IO-Link más avanzados (a veces llamados bloques de distribución) pueden ayudar a un solo maestro de IO-Link a conectar más de 100 (y en algunos casos más de 200) dispositivos de campo. Un protocolo estándar de enlace entre centros supera a los sistemas patentados para simplificar la configuración del sistema. El almacenamiento de la información de los dispositivos tanto en el maestro de IO-Link como en sus concentradores mantiene la integridad del sistema, verificando que los dispositivos de campo adicionales o de reemplazo sean compatibles con el diseño.

Las características de los cables y conectores del estándar IO-Link

Construcción de cable de tres hilos: Como se mencionó anteriormente, el cableado empleado por IO-Link tiene una construcción de tres hilos sin blindaje para transportar 24 V y 200 mA. Cuando un dispositivo de campo (como un actuador) necesita energía, se utiliza una versión de cinco cables.

Conectores M5, M8 y M12: Cuando el maestro de IO-Link toma la forma de un bloque de rieles DIN o diseños similares destinados a residir en el interior de los armarios de control, las conexiones de los cables son a través de los habituales terminales de empuje. Pero cuando las conexiones de IO-Link emplean conectores de cable (como en los maestros de IO-Link con construcción destinada a ser montada en máquina), el estándar IO-Link requiere geometrías M5, M8 y M12. Los conectores de cinco cables suelen tener un grado de protección IP65/67.

Cuantificando la resistencia del componente de IO-Link

La industria automotriz es líder en el uso de IO-Link. Sin embargo, las industrias farmacéuticas y de alimentos y bebidas han comenzado a emplear más componentes de IO-Link, especialmente aquellos con índices de lavado. Estos componentes robustos soportan disposiciones de E/S montadas en máquinas para un control totalmente distribuido. Las clasificaciones de los componentes de IO-Link en tales instalaciones incluyen:

• IP20: indica cero protección contra el agua, pero la capacidad de soportar el polvo y la manipulación normal
• IP67: indica protección total contra el polvo y resistencia temporal contra el ingreso durante la inmersión en agua (que puede ser útil en el exterior)
• IP69K: indica la protección contra el ingreso del lavado caliente y de alta presión asociado a los procedimientos de desinfección

Además, algunos componentes de IO-Link incluyen la certificación ECOLAB, una designación para ayudar a los constructores de máquinas de la industria alimentaria y de bebidas a cumplir con los reglamentos, incluidos los relacionados con la Ley de Modernización de la Seguridad Alimentaria, y a prevenir la manipulación o el envasado inseguros de los alimentos.

Cómo se utiliza el IO-Link 1.1

Componentes comunes con capacidad de IO-Link

Los dispositivos de campo soportados por el IO-Link pueden clasificarse como actuadores y sensores.

Actuadores en los sistemas IO-Link: Los actuadores son los componentes electromecánicos que aceptan la entrada eléctrica y producen alguna salida mecánica. Abundan las opciones de actuadores compatibles con el IO-Link e incluyen los basados en actuadores lineales neumáticos, colectores y válvulas neumáticas, otros solenoides e incluso motores paso a paso. Las conexiones con estos dispositivos suelen ser la variante de cinco cadenas y emplean comunicaciones en tiempo real de doble canal sin los retrasos introducidos por los tiempos de ciclo del controlador. Esto permite comunicaciones simultáneas de IO-Link para impulsar la evaluación de los datos u otras respuestas secundarias.

Sensores en los sistemas IO-Link: Los sensores comunes con conectividad IO-Link incluyen aquellos para rastrear e informar la posición, desplazamiento, temperatura, presión y color. Otras opciones ampliamente disponibles son los sensores fotoeléctricos IO-Link y (apoyados más plenamente con las mayores capacidades de IO-Link 1.1) los sistemas de detección RFID.

El caso especial de las cortinas de luz

Aunque el tema de la seguridad está fuera del foco de este artículo, cabe señalar que algunas cortinas de luz tienen conectividad IO-Link para permitir el acceso a las estadísticas y los datos en tiempo real asociados con la cortina.

Aquí hay algunos ejemplos:

• Cortina de luz de seguridad F3SG-SR de Omron
• Cortinas de luz de SICK Inc.

Especificaciones sobre el empleo de las comunicaciones IO-Link

Funcionalidad del IIoT y conectividad de la nube: IO-link tiene la capacidad de almacenar datos en sus maestros y enviar los datos en adelante para la copia de seguridad. Esto, así como la forma en que el IO-Link complementa las redes industriales existentes, apoya la funcionalidad del IIoT; aprovechando todos los beneficios de la parametrización y la recolección de datos automatizados.

Transmisión de datos a otros autobuses y redes: Debido a que IO-Link se integra en todas las redes industriales y buses de campo comunes (y permite comunicaciones bidireccionales entre dispositivos maestros) los datos de procesos, servicios y eventos pueden ser compartidos en forma ascendente a controles de alto nivel e incluso a sistemas empresariales.

Usar IO-Link para actualizar el equipo heredado

Compatibilidad al revés: Como se mencionó anteriormente, IO-Link 1.1 acomoda los sensores que utilizan velocidades de comunicación COM1, COM2 y COM3, lo que permite a los ingenieros de planta continuar utilizando la tecnología heredada que tiene una electrónica algo menos sofisticada y velocidades de datos más lentas. Se mantiene la compatibilidad con los nuevos maestros 1.1, que son todos requeridos por el estándar IEC 61131-9 para soportar dispositivos 1.0 y 1.1.

Las industrias y los usuarios que hacen el mayor uso de la tecnología IO-Link

Fabricantes, OEM, ensambladores de máquinas, técnicos de planta y usuarios finales se benefician del IO-Link. Para más información sobre IO-Link, descargue un manual de IO-Link de Maxim Integrated en formato PDF haciendo clic aquí.