Como tornar os atuadores inteligentes de fábrica mais produtivos usando IO-Link

A mudança para a Indústria 4.0, ou a Internet Industrial das Coisas (IIoT), continua a fim de alcançar maior eficiência, segurança, produtividade e menor custo geral. Um elemento crítico deste esforço é a conectividade do dispositivo. Isto pode ser um desafio, pois requer a seleção de um padrão de comunicação adequado e o projeto de interfaces relacionadas e software associado, tudo isso pode retardar a implementação de instalações de fábrica inteligentes.

Os projetistas de sistemas para automação industrial precisam de uma abordagem padrão, confiável, eficiente e mais modular para facilitar implantações rápidas e econômicas.

Para resolver este problema, eles podem recorrer ao IO-Link, uma interface comprovada para uso em fábricas inteligentes. IO-Link é uma interface de comunicação digital bidirecional, ponto a ponto, single-drop (SDCI) que é regida por várias normas, incluindo IEC 61131-2, IEC 61131-9 (SDCI) e IO-Link 1.1.3.

Este artigo discute brevemente a mudança para fábricas inteligentes e os desafios que ela apresenta para os projetistas. Em seguida, ele fornece uma visão geral da operação IO-Link e como ele simplifica as implantações de fábrica inteligente. Apresenta exemplos de dispositivos IO-Link da Analog Devices, incluindo um dispositivo escravo que pode ser usado para substituir atuadores pneumáticos e proporcionar melhor desempenho, um dispositivo escravo com um conversor CC/CC integrado e um dispositivo mestre. Estão incluídos projetos de referência para compreender rapidamente os atuadores industriais com IO-Link.

Simplificando a mudança para fábricas inteligentes

A mudança para fábricas inteligentes aumenta a necessidade de uma maneira simples de acrescentar inteligência na borda para o comissionamento, monitoramento e reconfiguração de sensores e atuadores. A simples instalação e a capacidade de comunicação bidirecional do IO-Link suportam a implantação da inteligência de borda. Como um exemplo, o IO-Link foi creditado por uma redução de 90% no tempo de instalação e comissionamento.

Na prática, as configurações de parâmetros podem ser baixadas através do IO-Link para configurar ou reconfigurar os dispositivos. Isto elimina a necessidade de intervenção de um técnico e reduz as paralisações. O diagnóstico inteligente, a detecção de erros e a capacidade de registro de dados do IO-Link podem ser usados para reunir informações operacionais em tempo real em todo o chão de fábrica, reduzindo ainda mais a paralisação.

A arquitetura de um sistema IO-Link consiste em conexões ponto a ponto entre o IO-Link mestre e os vários dispositivos IO-Link. O uso de conectores padrões M8 ou M12 e um cabo de 3 ou 4 fios de 20 metros (m) de comprimento simplifica a instalação do sistema. Os dispositivos mestre IO-Link geralmente têm 4 ou 8 portas, cada uma conectada a um dispositivo IO-Link. Cada porta pode operar em modo de entrada/saída padrão (SIO) ou em modo de comunicação bidirecional. Por ser uma arquitetura ponto a ponto, o IO-Link não é um barramento de campo, mas é compatível para uso com barramentos de campo e Ethernet industrial e pode ser conectado a controladores lógicos programáveis (CLPs) e interfaces homem-máquina (IHM) (Figura 1).

Figura 1: IO-Link é compatível com barramentos de campo e redes Ethernet industriais IEEE. (Fonte da imagem: IO-Link Community)

Além de operar no modo SDCI, o IO-Link oferece retrocompatibilidade com a norma IEC 60974-5-2 para sensores binários. A comunicação básica ponto a ponto utiliza uma interface de 3 fios (L+, C/Q e L-). No modo IO-Link, a comunicação entre dispositivos mestre e escravo é bidirecional com três taxas de transmissão possíveis; COM1 é 4,8 quilobits por segundo (kbps), COM2 é 38,4 kbps e COM3 é 230,4 kbps (Figura 2). Um IO-Link mestre deve suportar todas as três taxas de dados para que possa se comunicar com qualquer dispositivo escravo conectado. Os dispositivos escravos suportam apenas uma taxa de dados. A comunicação é com pulsos de 24 volts usando codificação sem retorno a zero (NRZ) na linha C/Q. No modo IO-Link, o pino 2 pode estar no modo de entrada digital (DI), modo de saída digital (DO) ou não conectado. O dispositivo IO-Link (sensor ou atuador) deve funcionar dentro de 300 milissegundos (ms) após L+ exceder um limite de 18 volts.

Figura 2: A comunicação IO-Link é bidirecional e pode suportar 4,8, 38,4 e 230,4 kbps. (Fonte da imagem: )

Descrição do dispositivo IO-Link

Todos os sensores e atuadores IO-Link têm um arquivo de descrição do dispositivo IO-Link (IODD) (Figura 3). O IODD é um arquivo xml que fornece ao mestre IO-Link os dados necessários para identificar e configurar o dispositivo e interpretar seus dados.

• O conteúdo do IODD inclui
  • Propriedades necessárias para dar suporte a comunicação
  • Parâmetros do dispositivo
  • Informações de identificação
  • Informações sobre o processo e diagnóstico
  • Uma imagem do dispositivo e do logotipo do fabricante
• A estrutura do IODD é delineada separadamente da IEC 61131-9
• Um banco de dados centralizado para os arquivos IODD é mantido pelo IO-Link Consortium

Figura 3: O IODD é um arquivo xml que inclui as informações necessárias ao mestre IO-Link para identificar, configurar e se comunicar com cada dispositivo escravo. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Link de dados e tipos de dados

As trocas de mensagens entre o mestre e os dispositivos IO-Link são gerenciadas pela camada de link de dados (DL). As mensagens são quadros que têm entre 1 e 66 palavras do receptor/transmissor universal assíncrono (UART) e são chamadas de 'sequências M'. As mensagens podem se relacionar a dados sob solicitação, solicitações e comandos de gerenciamento do sistema e dados de processo regulares. O mestre inclui um manipulador DL que cuida de erros e mensagens de erro e gerencia modos de operação como despertar, SIO e taxas COM, entre outros. Quando o mestre envia uma solicitação, os dispositivos são obrigados a responder.

A comunicação IO-Link pode ser síncrona ou assíncrona. Os mestres e dispositivos IO-Link incluem manipuladores de dados de processo para comunicação síncrona, e um manipulador sob solicitação para comunicação assíncrona de dados de eventos, controle, parâmetro e dados da unidade de dados de serviço de índice (ISDU). Os dados assíncronos estão sob solicitação e podem conter o seguinte:

• Informações e controle de configuração ou manutenção.
• Acionados por eventos, com três níveis de urgência:
  • Erros
  • Avisos
  • Notificações
• Dados da página para ler diretamente os parâmetros do dispositivo
• Dados de serviço para grandes estruturas de dados

A integração do IO-Link em mestres e dispositivos pode ser complexa. É necessário implementar totalmente as normas para garantir a interoperabilidade dos dispositivos e a operação confiável do sistema. Para integrar rapidamente as comunicações IO-Link eficientes e confiáveis em atuadores de fábrica inteligente, os projetistas podem usar soluções pré-elaboradas para mestres e dispositivos. Os CIs controladores de dispositivos IO-Link possuem acionadores de baixíssima potência com proteção ativa de polaridade reversa e estão disponíveis com e sem um conversor CC/CC integrado. Eles também têm uma interface periférica serial (SPI) que suporta diagnósticos extensivos. Os CIs transceptores de mestre IO-Link de canal duplo suportam operação de baixa potência e simplificam a seleção de microcontroladores (MCU), incluindo manipuladores de quadros com capacidades UART e FIFO ("primeiro a entrar, primeiro a sair").

Substituição de atuadores pneumáticos por IO-Link

O IO-Link oferece uma maneira simples de interromper as abordagens tradicionais de controle de processos e melhorar as operações de fábrica através da substituição de atuadores pneumáticos por acionamentos servo e controles digitais sofisticados. Por exemplo, os projetistas podem usar o projeto de referência do acionamento servo IO-Link MAXREFDES37# para agilizar o tempo de colocação no mercado (Figura 4). Este projeto de referência fornece alimentação de 5 volts e inclui quatro saídas de modulação por largura de pulso (PWM), mais quatro entradas digitais para controlar até quatro servomotores.

A placa inclui um conector M12-4 para conexão com um mestre IO-Link. As barras de 3 pinos suportam conexão rápida a servomotores com padrão de 5 volts, um dos quais está incluído com o projeto básico de referência. A conexão a entradas digitais de 5 volts, terra de alimentação e todos os quatro canais PWM é feita usando bornes de espetar fios. Está incluída a pilha de dispositivos IO-Link da Technologie Management Gruppe Technologie und Engineering (TMG TE). O MAXREFDES37# pode ser usado em combinação com o mestre IO-Link de dois canais MAXREFDES277 em um fator de forma Pmod que inclui um programa de interface gráfica do usuário (GUI) para fácil verificação usando um computador Windows.

Figura 4: O MAXREFDES37# tem um conector M12 (esquerda) para conexão a um mestre IO-Link, e vem com um servomotor (direita). (Fonte da imagem: Analog Devices)

O MAXREFDES37# incorpora o CI transceptor de IO-Link MAX14821ETG+T e o CI regulador CC/CC buck MAX17504ATP+T. O transceptor MAX14821ETG+T pode ser usado com dispositivos IO-Link e sensores ou atuadores binários de 24 volts. Todas as taxas de dados IO-Link especificadas são suportadas, e os acionadores C/Q e DO podem suprir ou drenar até 100 miliamperes (mA). O transceptor executa o protocolo da camada DL para interface com uma unidade microcontroladora (MCU). Dois reguladores lineares internos fornecem 5 e 3,3 volts de corrente contínua (VCC) para alimentar os sensores e atuadores, e entradas e saídas digitais de 24 volts também estão incluídas. Os acionadores integrados DO e C/Q podem ser configurados independentemente para operação push-pull, lado de baixa (NPN) ou lado de alta (PNP). O transceptor pode ser configurado e monitorado através de um SPI.

O conversor CC/CC abaixador, retificado de forma síncrona, MAX17504 na placa opera em uma faixa de entrada de 4,5 a 60 VCC. Tem uma faixa de tensão de saída de 0,9 volt a 90% da tensão de entrada e fornece até 3,5 amperes (A). A precisão da regulagem é de ±1,1% desde -40 a +125 graus Celsius (°C). Tem um pico de eficiência >90% e uma corrente de desligamento de 2,8 microamperes (μA).

Transceptor para mestres ou dispositivos com regulador CC/CC integrado

Para os projetistas de mestres e dispositivos IO-Link, existe o MAX22514. Um alto nível de integração — incluindo um regulador CC/CC buck, dois reguladores lineares e proteção integrada contra surtos — bem como baixa dissipação de potência e a escolha de um invólucro ao nível da lâmina (WLP) (2,5 milímetros (mm) x 2,6 mm) ou um invólucro de encapsulamento plano-quadrado-fino (TQFN) (4 mm x 5 mm), torna este transceptor bem adequado para aplicações industriais de IO-Link com limitações de espaço (Figura 5).

Por exemplo, o número de peça MAX22514AWA+ está em um WLP. Seu SPI suporta configurabilidade e diagnóstico, e também suporta taxas de dados COM1, COM2 e COM3.

Figura 5: O transreceptor MAX22514 é altamente integrado e adequado para uso em mestres e dispositivos IO-Link. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Para reduzir o tempo de desenvolvimento, os projetistas podem usar projetos de referência como o MAXREFDES278#. Este é um projeto de referência de atuador solenóide de 8 canais, baseado no transceptor de IO-Link MAX22514 que demonstra o MAX22200, um acionador de solenóide integrado de controle serial-octal de 1 A com transistores de efeito de campo integrados (FETs). O projeto de referência inclui um regulador CC/CC buck integrado. Está incluído um software compatível com Windows que fornece uma interface gráfica de usuário (GUI) para explorar os recursos do MAX22514. Um cabo USB-A para micro-B é usado para conectar a placa de avaliação a um computador.

Mestre de canal duplo

Quando um mestre IO-Link de canal duplo é necessário, os projetistas podem recorrer ao transceptor MAX14819ATM+, que inclui dois canais auxiliares de entrada digital. Um enquadrador IO-Link integrado elimina a necessidade de UARTs externas, e o temporizador de ciclo integrado livra a MCU da necessidade de lidar com tarefas críticas de temporização. Este transceptor pode ser usado em combinação com os isoladores digitais MAX14931FAWE+ e MAX12930EASA+T. O MAX14931FAWE+ tem quatro canais para transmitir sinais digitais em um sentido. O MAX12930EASA+T tem dois canais para a transferência de dados. O kit de avaliação MAX14819EVKIT# está disponível para o MAX14819A e inclui os isoladores digitais MAX14931 e MAX12930 (Figura 6).

Figura 6: O kit de avaliação do mestre IO-Link de canal duplo MAX14819EVKIT# inclui o transceptor MAX14819 e os isoladores digitais MAX12930 e MAX14931. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Conclusão

Para colher os benefícios do IIoT e da Indústria 4.0, os sensores e transdutores precisam ser implantados rapidamente e com boa relação custo-benefício. Para esse fim, o IO-Link fornece aos projetistas de sistemas de automação industrial uma abordagem padrão, confiável, eficiente e modular. Como mostrado, usando componentes prontos para uso, os projetistas podem usar o IO-Link para adicionar inteligência na borda para comissionamento, monitoramento e reconfiguração de sensores e atuadores.

Leitura recomendada

1. Como projetar uma rede modular de sobreposição para a otimização do processamento de dados da indústria 4.0 no IIoT