Fazendo uso do IO-Link em aplicações industriais

Com o advento da quarta revolução industrial e da indústria 4.0, a automação abrangente e inteligente passou a ser definida por controles avançados, monitoramento e diagnóstico. Tais capacidades só são possíveis através da conectividade industrial — através da qual os controles e dispositivos de máquinas são unificados em alguma plataforma (como IO-Link) para a troca contínua de dados.

Figura 1: o IO-Link complementa os protocolos de rede existentes, integrando-se facilmente às redes fieldbus ou Ethernet através do IO-Link primário. A conexão entre um IO-Link primário e seus dispositivos IO-Link é através de cabos de três ou cinco fios, não blindados e não revestidos, também capazes de fornecer energia para os dispositivos IO-Link. Aqui, a alimentação do primário é 24-Vcc. (Fonte da imagem: Pepperl+Fuchs)

As principais tecnologias que sustentam a conectividade industrial são redes e dispositivos padronizados com recursos de comunicação na placa. Os protocolos para estas funções são abundantes. Entretanto, nem todos os protocolos industriais satisfazem os requisitos de troca de dados e inteligência exigidos pela automação atual. O IO-Link foi criado para satisfazer uma ampla gama dessas modernas aplicações.

Como abordado em um artigo anterior da digikey.com, o IO-Link é um protocolo de comunicação ponto a ponto com fio que facilita a comunicação de dados bidirecionais inteligentes entre dispositivos. Tipicamente, os primários IO-Link (controladores locais) têm várias portas IO-Link (canais) nas quais vários dispositivos IO-Link são conectados independentemente. Estas conexões de ponto de extremidade nó-a-nó são o que torna o IO-Link um protocolo de comunicação ponto a ponto.

Lançado em 2009 por um consórcio de 41 membros, que agora tem centenas de membros fortes, o IO-Link se tornou um protocolo de comunicação amplamente aceito para aproveitar dados cruciais para:

• Otimização das operações
• Redução do tempo de parada e racionalização da manutenção
• Reduzir os custos da matéria-prima e tomar decisões operacionais estratégicas.

A interface IO-Link harmonizada é definida pela norma IEC 61131-9 e suportada pela Siemens, Omron Corp., ifm Efector, Balluff, Cinch Connectivity, Banner Engineering, Rockwell Automation, SICK, Pepperl+Fuchs, e dezenas de outros fabricantes de componentes e sistemas. Não é de se admirar que a conectividade IO-Link seja amplamente aproveitada em operações envolvendo automação de montagem, máquinas-ferramentas e intralogística. Seus três principais usos nestes e em outros ambientes industriais incluem comunicações de status, controle de máquinas e dispositivos de renderização inteligentes.

Os modos de controle IO-Link correlacionam-se aos usos

Figura 2: O tipo de conector utilizado com o cabo de conexão depende do tipo de porta. As portas primárias IO-Link classe A aceitam conectores M8 ou M12 (como o AL1120 da ifm efector mostrado aqui) com até quatro pinos, enquanto as contrapartidas de classe B aceitam conexões com dispositivos com conectores M12 de cinco pinos (para comunicação bidirecional de dados). O modo atribuído a uma porta primária em um determinado momento é determinado pelo dispositivo ao qual está conectado e pela operação atual. (Fonte da imagem: ifm Efector)

Lembre-se dos artigos anteriores da digikey.com que o protocolo de comunicação IO-Link torna cada porta de conector em um IO-Link primário de alto nível (controlador) capaz de quatro modos de comunicação. Estes incluem um modo totalmente desativado, bem como os modos operacionais IO-Link, entrada digital (DI) e saída digital (DQ). Os modos se correlacionam vagamente com os três principais usos do IO-Link listados acima.

O modo de operação IO-Link suporta comunicações de dados bidirecionais com dispositivos de campo e é normalmente usado durante a coleta de dados para monitoramento, testes e diagnósticos. Uma porta primária em modo DI aceita entradas digitais e funciona quando a porta é conectada a sensores — neste contexto, atuando como dispositivos de entrada. Em contraste, uma porta no modo DQ atua como uma saída digital, normalmente quando a porta é conectada a um atuador (neste contexto, efetivamente um dispositivo de saída) ou quando um PLC do sistema é configurado para enviar diretamente instruções a outro dispositivo IO-Link.

Embora fora do escopo deste artigo, vale a pena notar que as portas de um IO-Link primário podem facilmente alternar entre modos. Por exemplo, uma porta primária conectada a um sensor pode funcionar em modo DI — e então mudar para o modo de comunicação IO-Link quando o diagnóstico e os dados de monitoramento do sensor são solicitados pelo primário.

Aplicação IO-Link 1 de 3: comunicações de status acionáveis

Figura 3: o IO-Link facilita a criação de sistemas de controle e automação altamente avançados. A indústria de máquinas-ferramentas faz uso copioso dos sensores IO-Link para verificar as pressões e posições apropriadas de fixação das peças e fresagem das ferramentas finais. (Fonte da imagem: Getty Images)

O monitoramento de máquinas é possível com dispositivos IO-Link configurados para relatar o status que podem, por sua vez, informar o sistema dos ajustes e correções necessárias. Considere um uso na indústria de máquinas-ferramenta — o dos sensores de pressão IO-Link que verificam se as peças estão presas com uma pressão apropriada para a retenção sem danos, mas segura, durante as operações de remoção de material. Aqui, os sensores IO-Link dão suporte, essencialmente, a otimização das tarefas da máquina para menos peças rejeitadas.

Os dispositivos IO-Link também podem tornar as comunicações de status acionáveis para suportar rotinas de manutenção aprimoradas para minimizar o tempo de parada. Por exemplo, os sensores de posição IO-Link em uma máquina de montagem podem informar continuamente a localização dos efetores terminais para garantir que nenhum esteja fora da faixa ou do alinhamento.

Analisando os dados de diagnóstico fornecidos pelos dispositivos IO-Link, os técnicos de máquinas de uma fábrica podem prever e corrigir erros e possíveis avarias antes que elas aconteçam. Os técnicos também podem identificar elos fracos em uma máquina ou fábrica — para informar mudanças operacionais de nível empresarial, decisões de compra e projetos de máquinas cativas no futuro.

Aplicação IO-Link 2 de 3: controle e automação avançados

Figura 4: Um sistema IO-Link envolvido em controles avançados inclui um IO-Link primário (controlador), como o Omron NX-ILM400 mostrado aqui, e vários sensores habilitados para IO-Link, fontes de alimentação e dispositivos mecatrônicos conectados a esse primário. Os sistemas IO-Link para tais aplicações tipicamente acoplam o IO-Link primário e dispositivos a um PLC ou outro sistema de automação. (Fonte da imagem: Omron)

Controle e automação são outras funções de aplicação suportadas pelo IO-Link. Quando uma instalação IO-Link suporta funções que executam sem intervenção de pessoal, o IO-Link primário frequentemente se conecta a um sistema host ou CLP de nível superior que processa os dados recebidos e, em seguida, direta ou indiretamente comanda os atuadores no projeto para as respostas coordenadas apropriadas. Tal controle automatizado requer que o sistema IO-Link se conecte a um controlador de nível superior através de protocolos e cabeamento padronizados de fieldbus ou Ethernet. Na verdade, a maioria dos primários IO-Link tem portas de fieldbus ou Ethernet para tais conexões.

Os dispositivos em aplicações de controle avançado envolvendo sistemas IO-Link se integram em uma das três formas:

• Eles se conectam diretamente ao computador host ou ao PLC
• Eles se conectam a um IO-Link primário e se comunicam através do protocolo IO-Link
• Eles utilizam comunicações compatíveis com IO-Link e conectam-se a um IO-Link primário através de um hub IO-Link

Este último atua essencialmente como um intermediário para conectar dispositivos não IO-Link ao primário.

Um benefício adicional dos sistemas IO-Link com conectividade de fieldbus e comunicações Ethernet é que as conexões de longa distância são permitidas — o que, por sua vez, permite que os instaladores localizem os primários IO-Link em um gabinete de controle ou na parte externa da máquina, se isso fizer mais sentido para uma determinada aplicação.

Considere como os primários IO-Link beneficiam aplicações avançadas de montagem, servindo como controladores de baixo nível capazes de processar tanto sinais digitais quanto analógicos. Aqui, os primários podem:

• Aceitar os dados gerados pelos codificadores lineares IO-Link nos eixos de um estágio XY
• Processar esses dados como um gateway
• Enviar os dados processados do dispositivo de campo IO-Link para o PLC ou outro controlador do sistema

Aplicação IO-Link 3 de 3: inteligência de dispositivo

Figura 5: A interface de conexão IO-Link é muito pequena e pode caber na maioria dos dispositivos de campo compactos. Aqui é exibido um sensor de proximidade Balluff BUS004Z com conectividade IO-Link. (Fonte da imagem: Balluff)

A terceira aplicação do IO-Link é tornar os dispositivos inteligentes. Especialmente comuns em projetos de sensores que se assemelham a opções de sensores legados sem (ou mais modestos) programação, estes dispositivos habilitados para IO-Link- podem receber instruções, monitorar e executar rotinas de autoteste — e gerar dados. Como o IO-Link também permite que os dispositivos forneçam mais do que dados básicos de dois valores (sim-não ou êxito-falha), a comunicação de valores precisos também é possível. Por exemplo, tarefas de automação de processo se beneficiam dos sensores de temperatura IO-Link que vão além de informar o estado de alta ou baixa temperatura, informando continuamente o valor exato da temperatura de uma zona ou volume monitorado.

Outro benefício do IO-Link para dispositivos de campo inteligentes é a forma como suas conexões físicas são compactas. Isso contrasta com as conexões físicas das interfaces fieldbus e Ethernet, que às vezes podem ser grandes demais para caber em microdispositivos de campo.

Os componentes inteligentes IO-Link também podem ser controlados com precisão. Por exemplo, em vez de controles básicos de desligar e ligar, um atuador pode ser comandado para desligar uma vez que um cenário satisfaça um conjunto de condições.

Dispositivos de entrada como pushbutton da RAFI podem aproveitar as funções IO-Link para suportar características de dispositivos inteligentes — incluindo luzes indicadoras codificadas por cores.

Há algumas ressalvas quanto ao uso do IO-Link para aplicações de dispositivos inteligentes. Embora exista uma forma sem fio de IO-Link em desenvolvimento, ela ainda é um protocolo de comunicação com fio — portanto, ainda está sujeita a todas as limitações de cabeamento rígido. Para manter a integridade dos dados, o cabeamento IO-Link primário-para-dispositivo não deve exceder 20 m. Além disso, como o protocolo IO-Link só pode transmitir até 32 bytes de dados por ciclo, ele é insuficiente para uso com dispositivos de campo como câmeras, que podem gerar muitos MB de dados por minuto.

Conclusão

Os usos dos sistemas IO-Link são abundantes para complementar os protocolos existentes que sustentam os controles e sistemas de coleta de dados virtualmente ilimitados. A adoção tem sido estimulada pela simplicidade dos sistemas IO-Link — compreendendo apenas um IO-Link primário e seus dispositivos e seus cabos de três ou cinco fios com conectores. A instalação plug-and-play e a relação custo-benefício são outras vantagens do IO-Link.

Os esforços do consórcio IO-Link de empresas membros garantiram ampla compatibilidade entre controladores, dispositivos e atuadores de vários fabricantes, o que deu aos engenheiros de projeto a mais ampla seleção de equipamentos para seus casos específicos de uso.