Tecnologia IO-Link

Prefácio

IO-Link é a primeira tecnologia de I/O para comunicação com sensores e atuadores a ser adotada como norma internacional (IEC 61131-9). O objetivo da Comunidade da Empresa IO-Link é desenvolver e comercializar a tecnologia IO-Link.

Finalidade da documentação

Essa descrição do sistema dá uma visão geral da tecnologia de I/O da IO-Link.
Ela apresenta a interação dos vários componentes de um sistema IO-Link e serve para melhorar o conhecimento geral do IO-Link.

Audiência alvo da descrição da aplicação

Esta descrição do sistema é destinada aos seguintes indivíduos envolvidos com os sistemas de automação:

• Engenheiros mecânicos e de planta.
• Integradores de Sistema.
• Proprietários da planta.
• Especialistas que não são de automação, por exemplo, engenheiros de projeto.

Informações Adicionais referentes ao IOLink

Informações adicionais sobre o IO-Link podem ser encontradas na Internet: www.io-link.com

1. BENEFÍCIOS DO IO-LINK

O sistema IO-Link oferece os seguintes benefícios para a conexão de sensores/atuadores complexos e inteligentes:

• Padrão aberto de acordo com a norma IEC 61131-9.
  • Dispositivos podem ser integrados da mesma maneira em todos os sistemas fieldbus e sistemas de automação usados comumente.
• Atribuição de parâmetros suportada por ferramenta e gerenciamento central de dados.
  • Configuração e comissionamento rápidos.
  • Criação fácil de documentação da planta atualizada, incluindo sensores e atuadores.
• Cabeação simples e padronizada e uma variedade bastante reduzida de interfaces para sensores e atuadores.
  • Interface uniforme padronizada para sensores e atuadores independente da complexidade (chaveamento, medição, binário multi canal, sinal misto, etc.)
  • Variações e inventário reduzidos.
  • Comissionamento rápido.
  • Espaço necessário reduzido.
  • Qualquer combinação de dispositivos IOLink e sensores/atuadores sem IO-Link no IO-Link mestre.
• Comunicação consistente entre sensores, atuadores e controlador.
  • Acesso a todos os dados de processo, dados de diagnóstico, e informações de dispositivo.
  • Acesso a dados específicos de dispositivo.
  • Suporta diagnóstico remoto.
• Informações consistentes de diagnóstico até o nível de sensor/atuador.
  • Trabalho de troubleshooting reduzido.
  • Riscos de falha minimizados.
  • Manutenção preventiva e otimização da manutenção e programação de manutenção.
• Mudança dinâmica de parâmetros de sensor/atuador pelo controlador ou pelo operador na HMI.
  • Paradas reduzidas para mudança de produto.
  • Maior diversidade de produto da maquina.
• Atribuição automática de parâmetros para substituição de dispositivo durante a operação
  • Paradas reduzidas.
  • Dispositivo pode ser substituído por pessoal não treinado sem ferramentas adicionais.
  • Prevenção de ajustes incorretos.
• Identificação integrada de dispositivo.
  • Identificação de dispositivos integrados.
  • Garantia da maquina assegurada durante a substituição de dispositivo.

2. VISÃO GERAL DO SISTEMA

2.1 VISÃO GERAL DO IO-LINK

Componentes

Um sistema IO-Link consiste dos seguintes componentes básicos:

• IO-Link mestre.
• Dispositivo IO-Link (por exemplo, sensores, leitores RFID, válvulas, partida de motores, módulos I/O).
• Cabos padrão não blindados com 3 ou 5 condutores.
• Ferramenta de engenharia para configurar e atribuir parâmetros do IO-Link.

O IO-Link mestre estabelece a conexão entre os dispositivos IO-Link e o sistema de automação.
Como um componente de um sistema de I/O, o IO-Link mestre é instalado no gabinete de controle ou como um I/O remoto, com o gabinete com padrão de proteção IP65/67, diretamente no campo. O IO- Link mestre comunica-se com vários fieldbuses ou com barramentos backplane específicos do produto. Um IO-Link mestre pode ter várias portas IO-Link (canais). Um dispositivo IO-Link pode ser conectado a cada porta (comunicação ponto a ponto). Neste caso, o IOLink é uma comunicação ponto a ponto e não um fieldbus.

A engenharia do sistema IO-Link é executada em paralelo com a engenharia do sistema de automação geral e pode ser encaixada e combinada com essa engenharia.

2.2 INTERFACE IO-LINK

O IO-Link é uma conexão serial, bidirecional ponto a ponto para transmissão de sinais e energia em muitas redes, fieldbuses, ou backplane buses.

Tecnologia de conexão em IP65/67

Para a tecnologia de conexão em IP65/67, uma possibilidade que foi definida é um plug conector M12, no qual os sensores usualmente têm um plug de 4 pinos e os atuadores um plug de 5 pinos. IO-Link mestres geralmente têm um soquete M12 de 5 pinos.

A designação dos pinos é especificada de acordo com a norma IEC 60974-5-2 da seguinte maneira:

• Pino 1: 24 V
• Pino 3: 0 V
• Pino 4: Linha de chaveamento e comutação (C/Q)

Esses 3 pinos são usados para a comunicação do IO-Link e fornecem uma corrente máxima de 200 mA ao dispositivo (veja Figura 3).

Tipos de portas em IP65/67
A especificação distingue dois tipos de portas para o IO-Link mestre:

Porta Classe A (Tipo A)
Neste tipo, as funções dos pinos 2 e 5 não são especificadas. O fabricante define essas funções. O Pino 2 usualmente é atribuído a um canal digital adicional.

Porta Classe B (Tipo B)
Este tipo proporciona uma tensão de alimentação adicional e é adequada para a conexão de dispositivos que tenham uma demanda de potência maior. Neste caso, os pinos 2 e 5 são usados para uma tensão de alimentação adicional (galvanicamente isolada).
Para usar essa tensão de alimentação adicional é necessário um cabo condutor padrão de 5 fios.

Cabo de conexão
Os dispositivos são conectados ao mestre usando cabos padrão não blindados com 3 ou 5 condutores com comprimento de até 20 m. A blindagem não é necessária. Além disso, não é necessário seguir instruções específicas para a passagem dos cabos.

2.3 PROTOCOLO IO-LINK

Modos de operação
As portas IO-Link do mestre podem funcionar nos seguintes modos:

• IO-Link:
  • No modo “IO-Link”, a porta é usada para comunicação IO-Link.
• DI:
  • No modo “DI”, a porta funciona como uma entrada digital.
• DQ:
  • No modo “DQ”, a porta funciona como uma saída digital.
• Deactivated:
  • O modo “Deactivated” pode ser usado para portas não utilizadas.

Taxa de transmissão
São especificadas três taxas de transmissão (baud rates) para o modo IO-Link na Especificação IOLink V1.1:

• COM 1 = 4,8 kbaud
• COM 2 = 38,4 kbaud
• COM 3 = 230,4 kbaud (opcional de acordo com a Especificação V1.0)

Um dispositivo IO-Link suporta somente uma das taxas de transmissão definidas. De acordo com a Especificação V1.1, o IO-Link mestre suporta todas as taxas de transmissão e se adapta automaticamente à taxa de transmissão suportada pelo dispositivo.

Tempo de Resposta do sistema IO-Link

O tempo de resposta do sistema IO-Link fornece informações sobre a frequência e velocidade da transmissão de dados entre o dispositivo e o mestre. O tempo de resposta depende de vários fatores. O arquivo IODD de descrição do dispositivo contém um valor para o ciclo mínimo do dispositivo. Esse valor indica os intervalos de tempo nos quais o mestre pode endereçar o dispositivo. O valor tem uma grande influência no tempo de resposta. Além disso, o mestre tem um tempo de processamento interno que é incluído no cálculo do tempo de resposta.

Em um mestre podem ser configuradosdispositivos com diferentes tempos de ciclo mínimo. O tempo de resposta difere de acordo com esses dispositivos. Isto é, o tempo de resposta de diferentes dispositivos em um mestre pode variar significativamente.

Ao configurar o mestre, você pode especificar um tempo de ciclo fixo além do tempo de ciclo mínimo do dispositivo armazenado no arquivo IODD. O mestre então endereça o dispositivo baseado nessa especificação. Assim o tempo de resposta típico para um dispositivo resulta do tempo de ciclo efetivo do dispositivo e o tempo de processamento interno típico do mestre.

Qualidade de transmissão
O IO-Link é um sistema de comunicação muito robusto. Esse sistema de comunicação opera com 24 V. Se as transmissões falham, o frame é repetido mais duas vezes. Somente após a falha da segunda tentativa o IO-Link mestre reconhece uma falha de comunicação e informa o controlador de nível superior.

Tipos da dados
Há disponíveis quatro tipos básicos de dados:

• Dados de processo → Dados cíclicos
• Status de valor → Dados cíclicos
• Dados de dispositivo → Dados acíclicos
• Eventos → Dados acíclicos

Dados de processo
Os dados de processo dos dispositivos são transmitidos em um frame de dados no qual o tamanho dos dados de processo é especificado pelo dispositivo. Dependendo do dispositivo, são possíveis dados de processo de 0 a 32 bytes (para cada entrada e saída). A consistência da transmissão não é fixa e portanto depende do mestre.

Estado de Valor (Value status)
Cada porta tem um estado de valor (PortQualifier). O estado de valor indica se os dados de processo são válidos ou inválidos. O estado de valor pode ser transmitido ciclicamente com os dados de processo.

Dados de dispositivo
Dados de dispositivo podem ser parâmetros, dados de identificação, e informações de diagnóstico. Eles são permutados de forma acíclica e mediante a solicitação do IO-Link mestre. Dados de dispositivo podem ser escritos no dispositivo (Write) e também podem ser lidos do dispositivo (Read).

Eventos
Quando ocorre um evento, o dispositivo assinala a presença do evento ao mestre. O mestre então lê o evento. Eventos podem ser mensagens de erro (por exemplo, curto circuito) e avisos ou dados de manutenção (por exemplo, incrustação, sobreaquecimento). Mensagens de erro são transmitidas do dispositivo para o controlador ou o HMI via IOLink mestre. O IO-Link mestre pode também transmitir eventos e status por si mesmo. Exemplos desse tipo de eventos são fios interrompidos ou falhas de comunicação. A transmissão dos parâmetros do dispositivo ou eventos ocorre independentemente da transmissão cíclica dos dados de processo. Essas transmissões não influenciam nem atrapalham uma à outra.

Startup do I/O system
Se a porta do mestre estiver configurada para IOLink mode, o IO-Link mestre tenta se comunicar com o dispositivo IO-Link conectado. Para isso, o IO-Link mestre envia um sinal (wake up pulse) e espera que o dispositivo IO-Link responda. O IO-Link mestre inicialmente tenta se comunicar na taxa de transmissão mais alta. Se não tiver sucesso, o IO-Link mestre então tenta se comunicar na próxima taxa de transmissão mais baixa. O dispositivo sempre suporta apenas uma taxa de transferência de dados definida. Se o mestre recebe uma resposta, a comunicação se inicia. Em seguida, há a permuta de parâmetros de comunicação. Se necessário, os parâmetros salvos no sistema serão transmitidos ao dispositivo. Então, começa a troca cíclica de dados de processo e status de valores.

2.4 PERFIS DE DISPOSITIVO

Para padronizar a maneira como o programa usuário no controlador acessa os dispositivos, são definidos perfis de dispositivo para o IO-Link. Os perfis de dispositivo especificam a estrutura de dados, o conteúdo dos dados e a funcionalidade básica. Como resultado, consegue-se uma visão uniforme de usuário e um acesso idêntico pelo programa no controlador, para uma variedade de dispositivos diferentes que estão em conformidade com o mesmo perfil de dispositivo.

Perfis para o IO-Link
Atualmente, é definido o “Smart Sensor Profile” para o IO-Link. Esse perfil é particularmente adequado para sensores de medição, isto é, sensores que transmitem valores medidos além dos pontos de comutação.

2.5 IODD E ENGENHARIA

Descrição de dispositivo IODD
Há disponível para cada dispositivo uma descrição de dispositivo eletrônico – o arquivo IODD (IO Device Description). O arquivo IODD armazena uma variedade de informações para a integração do sistema:

• Propriedades de comunicação
• Parâmetros de dispositivo com intervalo de valores e valor padrão
• Dados de identificação, processo e diagnóstico
• Dados de dispositivo
• Descrição de texto
• Ilustração do dispositivo
• Logotipo do fabricante

A estrutura do IODD é a mesma para todos os dispositivos de todos os fabricantes. A estrutura do IODD é sempre representada da mesma maneira pelas ferramentas de configuração IOLink dos fabricantes. Isso garante o mesmo funcionamento de todos os dispositivos IO-Link independente do fabricante. Para dispositivos que suportam as funcionalidades V1.0 e V1.1, há disponível duas versões diferentes do IODD.

Ferramenta de configuração IO-Link
Para configurar o sistema IO-Link inteiro, são necessárias ferramentas de configuração. As ferramentas de configuração IO-Link mestre dos fabricantes são capazes de ler os IODDs. As tarefas principais da ferramenta de configuração IO-Link incluem:

• Atribuição dos dispositivos às portas do mestre
• Atribuição de endereços (endereços de I/O dos dados de processo) às portas dentro da área de endereçamento do mestre
• Atribuição de parâmetros aos dispositivos IOLink

Além disso, os dispositivos conectados devem ter recursos de diagnóstico.

Isso permite à ferramenta de configuração IO-Link fornecer uma representação transparente do sistema IO-Link até o nível de campo.

2.6 DIFERENÇAS ENTRE AS ESPECIFICAÇÕES V1.0 E V1.1

Especificação
A definição técnica do sistema IO-Link está descrita em uma especificação da IO-Link Company Community. A versão 1.0 da Especificação foi preparada na primeira etapa. Como resultado de desenvolvimentos posteriores e com a adição de funções ao sistema IO-Link, foi preparada a Versão 1.1.

As adições importantes na Versão 1.1. são:

• Função de servidor de atribuição de parâmetros (armazenamento de dados)
• Taxa de transmissão de dados de 230,4 kbaud é obrigatória para o IO-Link mestre
• Tamanho dos dados de processo por porta até 32 bytes

Combinação de dispositivos IO-Link
Em principio, é possível qualquer combinação de mestres e dispositivos. No entanto, devem ser observados os limites do sistema em particular (por exemplo, tamanho máximo do dado de usuário do mestre).

Se forem combinados dispositivos IO-Link de uma especificação IO-Link diferente, deve-se observar o seguinte:

• Somente dispositivos IO-Link compatíveis com a V1.0 podem ser operados no IO-Link mestre compatível com a V1.0.
• Dispositivos IO-Link compatíveis com V1.0 e V1.1 podem ser operados no IO-Link mestre compatível com V1.1.
• A função servidor de atribuição de parâmetro e a taxa de transmissão de dados de 230,4 kbaud do IO-Link mestre compatível com V1.1 somente podem ser usadas se essas funções forem também suportadas pelo dispositivo IOLink.

3. INTEGRAÇÃO NO SISTEMA DE AUTOMAÇÃO

3.1 CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA IO-LINK

O sistema IO-Link é configurado em várias etapas. Na primeira etapa, o IO-Link mestre é integrado no sistema de automação e configurado. Na segunda etapa, são atribuídos os parâmetros de dispositivo IO-Link.

Integração no sistema de automação
Na configuração do sistema de automação ou fieldbus, o sistema IO-Link é representado pelo IO-Link mestre e integrado usando a descrição de dispositivo apropriada (por exemplo, o arquivo GSD para PROFINET). O próprio IO-Link mestre pode ser um nó fieldbus ou um módulo de um tópico de formatação de um sistema IO modular que está conectado ao fieldbus.. Em ambos os casos, o número de portas, o intervalo de endereçamento, e as propriedades do módulo estão descritas na descrição de dispositivo do IOLink mestre. No entanto, neste ponto não há nenhuma outra informação sobre o sistema IOLink, por exemplo, sobre os dispositivos IO-Link serem conectados.

Exemplo de configuração em STEP 7 TIA Portal
A figura a seguir mostra uma configuração PROFINET na qual são integrados os dispositivos PROFINET com IO-Link mestres.

Ferramenta de Configuração do IO-Link
Para representar a arquitetura do sistema completamente e de forma transparente até o dispositivo IO-Link e para configurar o sistema IOLink em detalhe e atribuir seus parâmetros, é necessária a ferramenta de configuração (IO-Link configuration tool) do IO-Link mestre. A ferramenta de configuração mostra todos os IOLink mestres do fabricante relevante configurados na automação. Após selecionar um IO-Link mestre, você pode atribuir os dispositivos IO-Link desejados às suas portas IO-Link. Para isso, você seleciona os dispositivos apropriados (ou seus IODDs) do catálogo de dispositivos e arrasta-os para a porta do IO-Link mestre.

Exemplo de configuração
A Figura 9 mostra a configuração de um IO-Link mestre em uma ferramenta de configuração IOLink.

É mostrada uma variedade de informações nessa visualização da ferramenta de configuração:

• Fieldbus de nível superior e visão geral ou estrutura do IO-Link mestre de nível inferior (árvore da esquerda)
• Informações detalhadas do IO-Link mestre selecionado
• Configuração atual das portas do IO-Link do IO-Link mestre selecionado
• Informações detalhadas do dispositivo IO-Link selecionado
• Device catalog com os IODDs dos dispositivos IO-Link de diferentes fabricantes (árvore da direita)

Intervalos de endereços das portas
Além de atribuir os dispositivos IO-Link às portas IO-Link mestre, é possível também mudar os intervalos de endereçamento atribuídos antes às portas. Dentro desses intervalos de endereçamento, o IO-Link mestre transmite os valores de processo que ele recebe do dispositivo IO-Link e os coloca disponíveis ao sistema de automação de nível superior.
O intervalo de endereçamento pode ser ajustado na aba “Addresses”.

Atribuindo os parâmetros de dispositivo
Para adaptar os dispositivos para a tarefa da aplicação específica são necessárias configurações específicas de parâmetros. Os parâmetros possíveis e seus valores de ajuste estão contidos no IODD do dispositivo. Após a seleção do dispositivo apropriado na árvore de projeto (árvore da esquerda), podem ser atribuídos os parâmetros de dispositivo na aba “Parameters”.

Exemplo de atribuição de parâmetro
A Figura 10 mostra o formato da tela de atribuição de parâmetros de um dispositivo IO-Link. Partindo das configurações já atribuídas mostradas na figura, os valores podem ser alterados dentro de intervalos definidos e salvos. A configuração do sistema IO-Link e os parâmetros dos dispositivos estão disponíveis para o sistema IO-Link e também ao projeto geral de automação. Você tem a opção de salvar e imprimir a configuração e os parâmetros.

3.2 ACESSO DE DADOS DO SISTEMA DE AUTOMAÇÃO E DISPOSITIVO HMI

Troca cíclica de dados
Para trocar dados cíclicos de processo entre um dispositivo IO-Link e um controlador, os dados IOLink do IO-Link mestre são colocados nos intervalos de endereçamento que antes foram definidos. O programa do usuário no controlador acessa os valores de processo usando esses endereços e os processa. A troca cíclica de dados do controlador para o dispositivo IO-Link (p.ex., atuador IO-Link) é executada de forma reversa.

Troca acíclica de dados
A troca acíclica de dados, como por exemplo, parâmetros ou eventos de dispositivo, é feita usando um índice específico e um intervalo de sub-índice. O controlador os acessa usando mecanismos de sistema (p/ex.,no caso de funções online como as leituras de status). O uso do índice e dos intervalos de sub-índice possibilita um acesso destinado aos dados do dispositivo (p/ex., para reatribuir os parâmetros de dispositivo ou parâmetros mestre durante a operação).

Planejando o programa do usuário
Além de configurar e atribuir parâmetros do sistema IO-Link e sua integração na automação geral, também é necessário escrever o programa de usuário do controlador. Os fabricantes do dispositivo do controlador oferecem blocos de função IO-Link para ajudar os usuários na programação dos acessos acíclicos.

3.3 SUBSTITUIÇÃO DE UM DISPOSITIVO DURANTE A OPERAÇÃO

A substituição de um dispositivo durante a operação é um cenário frequente e não deve causar tempos de parada prolongados na planta. Deve ser possível para o pessoal de operação sem conhecimento ou ferramentas especiais substituir dispositivos rapidamente e sem erros.

Função servidora de atribuição de parâmetro

Os parâmetros de dispositivo ajustados durante a engenharia com a ferramenta de configuração (configuration tool) são transferidos para o dispositivo. O dispositivo salva esses parâmetros em memória não volátil.

Os parâmetros do dispositivo são então copiados no mestre. Quando o dispositivo é substituído, o mestre automaticamente deixa esses parâmetros disponíveis novamente para o novo dispositivo. A substituição de dispositivo é suportada dessa forma já que os parâmetros do novo dispositivo são atribuídos automaticamente pelo IO-Link mestre.

Se os parâmetros são alterados a qualquer instante através da ferramenta de configuração ou pelo controlador/HMI, os parâmetros modificados são salvos no dispositivo assim como no mestre.

Para usar a função servidora de atribuição de parâmetros, a IO-Link Specification V1.1 tem que ser implementada no mestre e dispositivos. Mestre e dispositivos de acordo com a IO-Link Specification V1.0 não podem usar essa função. Nesse caso, é recomendado salvar os parâmetros de dispositivo no sistema de automação de nível superior.

4. GLOSSÁRIO

Dados acíclicos	Dados transmitidos do controlador somente após uma solicitação (por ex., dados de parâmetros, dados de diagnóstico).
COM1-3	Taxa de transmissão de dados IO-Link
Dados cíclicos	Dados transmitidos pelo controlador automaticamente e a intervalos regulares (dados de processo, estados de valores).
DI	Entrada digital
DQ	Saída digital
Arquivo GSD	As propriedades de um dispositivo PROFINET são descritas em um arquivo GSD (Generic Station Description), que contém todas as informações necessárias para a configuração.
HMI	Human Machine Interface (Interface Homen-Máquina) do sistema de automação
IEC 61131-9	Norma Internacional que trata dos assuntos básicos de controladores programáveis. A Parte 9 descreve o IO-Link sob a designação de Single-drop digital communication interface for small sensors and actuators (SDCI).
IODD	Descrição eletrônica dos dispositivos (IO Device Description)
Dispositivo IO-Link	Dispositivo de campo que é monitorado e controlado por um IO-Link mestre.
IO-Link mestre	Representa a conexão entre um fieldbus de nível superior e os dispositivos IO-Link. O IO-Link mestre monitora e controla os dispositivos IO-Link.
Parameter Assignment Server	Um IO-Link mestre de acordo com a IO-Link Specification 1.1 pode agir como um servidor de atribuição de parâmetros para o dispositivo IO-Link.
Porta	Uma porta é um canal de comunicação IO-Link.

Descrição do Sistema IO-Link – Tecnologia e Aplicação

Versão Julho 2013
Número 4.392

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