Use o IO-Link para aumentar a flexibilidade, a disponibilidade e a eficiência nas fábricas da Indústria 4.0

O suporte à coleta e à análise de dados, que são as marcas registradas da Indústria 4.0, pode frequentemente exigir mudanças na linha e no processo que incluem a adição, a remoção ou a reprogramação de sensores digitais, atuadores, indicadores e outros dispositivos. Isso pode ser difícil de implementar de forma eficiente em protocolos de rede antigos de automação com suas diversas características. As instalações da Indústria 4.0 precisam de outra camada de conectividade e flexibilidade entre as redes instaladas e a crescente massa de sensores, atuadores e indicadores localizados.

Para enfrentar esses desafios, o IO-Link foi desenvolvido como um padrão aberto que pode conectar sinais de dispositivos como sensores, atuadores e indicadores a redes de nível mais alto, como Ethernet IP, Modbus TCP/IP e PROFINET, e, a partir daí, a controladores lógicos programáveis (CLPs), dispositivos de interface homem-máquina (IHM), sistemas de controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA) e à nuvem. A conectividade serial IO-Link é padronizada como IEC 61131-9 com cabos não blindados de padrão simples de três ou cinco fios, definidos na IEC 60974-5-2. Os projetistas de sistemas de automação descobrirão que o IO-Link é particularmente adequado para dar suporte à rápida implementação e à configuração remota, ao monitoramento e ao diagnóstico de dispositivos conectados necessários para as fábricas da Indústria 4.0.

Este artigo analisa os recursos e os benefícios do IO-Link e examina a estrutura e a operação das redes IO-Link, incluindo o uso de vários tipos de dispositivos IO-Link para a criação de redes locais de sensores, atuadores e indicadores para dar suporte à Indústria 4.0. Ele apresenta exemplos reais de dispositivos mestres IO-Link, hub e conversor de dados da Banner Engineering que os projetistas podem usar para implantar com eficiência massas de dispositivos de borda da Indústria 4.0.

Onde o IO-Link se encaixa?

O IO-Link fornece uma rede de nível inferior que captura dados de sensores, atuadores e indicadores distribuídos, conecta-se a conversores que convertem os dados para o formato IO-Link e, em seguida, distribui esses dados para dispositivos mestres ou hub IO-Link, conforme necessário, para conexão com redes de fábrica de nível superior, como Ethernet, Modbus e PROFINET (Figura 1).

Figura 1: O IO-Link fornece uma solução completa para conectar sensores, atuadores e dispositivos antigos e outros (à esquerda) com SCADA, IHM e a nuvem existentes (à direita) em redes da Indústria 4.0. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Os principais atributos do IO-Link incluem o seguinte:

• Padrão aberto
• Oferece suporte à rápida integração, configuração e comissionamento de dispositivos locais para acelerar as trocas e permitir maior flexibilidade com necessidade mínima de suporte prático de técnicos
• Compatibilidade com as redes de automação existentes
• Comunicações bidirecionais robustas que podem ser síncronas ou assíncronas para maximizar a eficiência da comunicação
• Suporte de diagnóstico remoto até o nível do dispositivo
• A capacidade de alterar dinamicamente os parâmetros do sensor ou do atuador para acelerar a otimização do processo
• Identificação integrada de dispositivos e reatribuições automáticas de parâmetros para maximizar a disponibilidade

Como conectar dispositivos IO-Link

Os dispositivos em uma rede IO-Link são conectados usando cabos não blindados de três ou cinco condutores com até 20 metros (m) de comprimento. A norma IEC 60947-5-2 define as atribuições dos pinos do mestre e do dispositivo. Os conectores machos são atribuídos ao dispositivo, e os conectores fêmeas são usados para o mestre. Os conectores podem ser M5, M8 ou M12 com até cinco pinos. No mestre, uma corrente contínua de 24 volts (VCC) de até 200 miliamperes (mA) é fornecida entre os pinos 1 e 3 para funcionar como uma fonte de alimentação opcional para dispositivos. O pino 4 é definido como uma entrada digital (DI) ou saída digital (DO) com base na norma IEC 61131-2 e oferece suporte à retrocompatibilidade com dispositivos antigos, de acordo com a norma IEC60947-5-2.

Há duas classes de portas mestras, A e B. Nas portas de classe A, os pinos 2 e 5 não são conectados (NC) e, nas portas de classe B, esses pinos podem ser configurados como DI, DO, não conectados (NC) ou podem fornecer uma fonte de alimentação adicional. Na maioria das instalações industriais, são usados conectores de desengate rápido M12. Um resumo das atribuições dos pinos, conforme definido na norma IEC 60974-5, é mostrado na Figura 2:

• Pino 1: +24 VCC, 200 mA no máximo (L+)
• Pino 2: E/S digital (somente PNP)
• Pino 3: 0 volts (L-)
• Pino 4: E/S digital (NPN, PNP ou push-pull) e comunicação IO-Link
• Pino 5: Pino central NC (opcional)

Figura 2: O IO-Link é uma solução simples para fornecer conectividade de alimentação e dados a dispositivos na borda, como sensores e atuadores. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Por que IO-Link?

O IO-Link contribui para melhorias substanciais no desempenho das redes da Indústria 4.0 usando a instalação ou substituição simples de dispositivos com fiação padronizada, confiável e de baixo custo. Além disso, ele foi projetado para simplificar a integração de sensores isolados em redes existentes. Os benefícios do IO-Link incluem:

A disponibilidade de dados é ativada usando o IO-Link para conectar dispositivos isolados e ilhas de automação em uma rede unificada. Os dados ao nível de sensor nem sempre estão disponíveis ou são fáceis de adquirir. Com o IO-Link, os dados se tornam fáceis de adquirir e podem estar disponíveis em tempo real para otimizar os processos e dar suporte à manutenção proativa de máquinas e sensores. O IO-Link suporta três tipos de dados primários que podem ser categorizados como dados cíclicos, que são transmitidos automaticamente em uma programação regular, ou dados acíclicos, que são transmitidos mediante solicitação ou conforme necessário:

• Dados do processo: refere-se a informações como leituras de sensores que o dispositivo transmite ao mestre, bem como informações do mestre para controlar as operações do dispositivo, como a iluminação de segmentos específicos em um acessório de torre luminosa. Os dados do processo podem ser cíclicos ou acíclicos.
• Dados do serviço: inclui informações sobre o dispositivo e às vezes é chamado de dados do dispositivo. Os dados de serviço incluem valores de parâmetros do dispositivo, descrição do dispositivo, modelo e número de série. Ele é acíclico e pode ser lido ou gravado em um dispositivo conforme necessário.
• Dados de eventos: inclui o tratamento de erros e mensagens de erro, como configurações de parâmetros excedidas ou avisos de manutenção, como uma lente suja em um sensor de imagem. Eles são transmitidos de forma acíclica sempre que ocorre um evento de disparo.

A configuração remota permite que os operadores e técnicos de rede leiam e alterem os parâmetros do dispositivo por meio do controle de software, sem precisar ir fisicamente a cada dispositivo individual. Os parâmetros do sensor podem ser alterados dinamicamente conforme necessário para refinar os processos existentes, acelerar as mudanças de produtos e processos, dar suporte à personalização em massa e minimizar a paralisação da máquina e da linha.

A substituição simplificada de dispositivos é possibilitada pela capacidade de configurar dispositivos remotamente. A função de substituição automática de dispositivo (ADR) no IO-Link pode fornecer ajustes automáticos de parâmetros e reatribuições para dispositivos substituídos. Com o ADR, os operadores de rede podem importar valores de parâmetros existentes para um dispositivo de substituição ou atualizar os parâmetros conforme necessário para garantir modificações e manutenção rápidas e precisas da rede.

O diagnóstico estendido aproveita os recursos de comunicação cíclica e acíclica do IO-Link para fornecer aos operadores de rede informações abrangentes sobre o status operacional de cada dispositivo na fábrica. A capacidade de diagnosticar remotamente a operação do dispositivo pode acelerar a identificação de dispositivos que estão se deteriorando ou operando fora das especificações. Isso permite uma programação mais eficiente da manutenção ou da substituição de dispositivos.

A fiação padronizada e simples é um dos principais recursos do IO-Link. Diferentemente de outros protocolos de rede, os dispositivos, conversores, hubs e mestres IO-Link são todos conectados usando cabos não blindados simples e de baixo custo e conectores de desengate rápido. A arquitetura mestre-escravo do IO-Link simplifica ainda mais os requisitos de fiação e elimina as preocupações com a configuração da rede.

Primeiros passos: mestre/controlador IO-Link

Os projetistas de sistemas de automação que adicionam ou ampliam o uso do IO-Link podem começar selecionando um mestre (ou controlador) IO-Link, como o DXMR90-4K da Banner Engineering, que consolida dados de várias fontes, fornece processamento de dados locais e permite a conectividade com a rede de nível superior (Figura 3).

Figura 3: O dispositivo mestre IO-Link DXMR90-4K pode combinar dados de quatro fontes locais e se conectar a uma rede de nível superior. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

As quatro portas do DXMR90-4K suportam comunicações simultâneas com até quatro dispositivos IO-Link. Ele suporta coleta de dados, processamento de borda e conversão de protocolo para conexão com Ethernet industrial ou Modbus/TCP, e pode transferir dados para servidores da Web. Outras características do DXMR90-4K incluem:

• Carcaça compacta e leve que economiza espaço e simplifica a implementação
• A classificação IP67 elimina a necessidade de um gabinete de controle separado, contribuindo para reduzir os custos de instalação
• Facilita a consolidação de cabos que minimizam a complexidade e o peso do cabeamento, o que pode ser particularmente importante em aplicações como a robótica
• Controlador lógico interno expansível usando regras de ação e programação ScriptBasic que suporta altos níveis de flexibilidade

Para instalações mais simples, os projetistas podem recorrer a dispositivos como o mestre IO-Link de duas portas R45C-2K-MQ para conexões Modbus.

Hubs IO-Link

Quando vários sensores ou atuadores precisam ser conectados a um único mestre de E/S, os projetistas podem usar um hub IO-Link para agregar sinais de sensores e atuadores e transmiti-los a um mestre IO-Link por meio de um único cabo. Por exemplo, o R90C-4B21-KQ apresenta quatro portas de entrada e se conecta ao mestre usando um conector M12 padrão (Figura 4). É um conversor compacto de dispositivo bimodal (PNP ou NPN) para IO-Link que conecta entradas discretas e envia o valor para um mestre IO-Link. Ele apresenta:

• Modos de atraso que incluem atraso de LIGAR/DESLIGAR, um disparo de LIGAR/DESLIGAR/re-engatilhável, LIGAR/DESLIGAR, esticador de pulso e totalizador
• As métricas de medição incluem contagem, eventos por minuto e duração
• O espelhamento discreto permite que os sinais (entrada e saída) sejam espelhados em qualquer uma das quatro portas
• As E/Ss discretas podem ser configuradas independentemente como NPN ou PNP
• Design robusto sobremoldado com classificação IP68

Figura 4: O hub R90C-4B21-KQ pode consolidar as comunicações de quatro dispositivos e conectá-los a um dispositivo mestre IO-Link. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Conversores de sinal IO-Link

Vários tipos de conversores estão disponíveis para redes IO-Link para conectar sensores e outros dispositivos que podem usar uma variedade de tipos de sinais, como sinais discretos PNP ou NPN, sinais analógicos de 0 a 10 VCC e transdutores de corrente. Os exemplos de conversores de sinal IO-Link incluem:

• Conversor IO-Link R45C-K-IIQ para entrada ou saída de corrente analógica (Figura 5)
• Conversor R45C-K-UUQ para entrada ou saída de tensão analógica
• Conversor R45C-K-IQ para saída de corrente analógica
• Conversor R45C-K-UQ para saída de tensão analógica

Figura 5: O conversor IO-Link R45C-K-IIQ pode conectar um dispositivo mestre a dispositivos locais usando entradas e saídas analógicas. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Os conversores IO-Link em linha também estão disponíveis com o tamanho aproximado de uma única pilha AA. Esses conversores podem lidar com vários tipos de sinais e convertê-los em IO-Link, Modbus ou outros protocolos. Por exemplo, o S15C-I-KQ é um conversor analógico de corrente para IO-Link que se conecta a uma fonte de corrente de 4 a 20 mA e envia o valor para um mestre IO-Link. O tamanho reduzido desses conversores simplifica a inclusão de sensores antigos em redes com protocolos padrões para monitoramento ambiental ou de processos. Suas classificações IP68 permitem que sejam amplamente implementados em ambientes industriais.

Conclusão

O IO-Link fornece a conectividade necessária para coletar os dados necessários para otimizar o desempenho das fábricas da Indústria 4.0, conectando dispositivos antigos e outros dispositivos de borda com a rede principal Ethernet IP, Modbus TCP/IP ou PROFINET. Ele oferece suporte a altos níveis de disponibilidade de dados, diagnósticos estendidos, configuração remota e substituição simplificada de dispositivos, agilizando o processo e as mudanças de linha usando a conectividade padronizada na IEC 61131-9 com cabos não blindados de padrão simples de 3 ou 5 fios definidos na IEC 60974-5-2.

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