Интерфейс IO-LINK в системах промышленной автоматизации

Появление и развитие технологии IO-Link обусловлено потребностью рынка в недорогих цифровых и аналоговых сенсорах и актуаторах (исполнительных устройствах), способных обмениваться данными диагностики и настройки с контроллером с помощью дешевой цифровой связной технологии при сохранении обратной совместимости с используемыми в настоящее время цифровыми сигналами входа/выхода DI/DO. В роли контроллера может выступать персональный компьютер (ПК) или программируемый логический контроллер (ПЛК, PLC). Объединенными усилиями ведущих производителей сенсоров и средств автоматизации создан интерфейс IO-Link, спецификация которого учитывает вышеупомянутые требования. Как и в случае других промышленных приложений, технология IO-Link выигрывает от расширения масштаба внедрения микроконтроллеров, встраиваемых в цифровые/аналоговые сенсоры и актуаторы.
В настоящее время технология IO-Link проходит стандартизацию как стандарт IEC 61131-9, который в свою очередь является частью стандартов из серии о программируемых контроллерах и связанных с ними периферийных устройствах. Внутри стандарта IEC 61131-9 технология IO-Link обозначается как цифровой интерфейс с одним ответвлением (Single-drop Digital Communication Interface, SDCI)¹.

В настоящее время сенсоры и актуаторы чаще всего соединены с промышленной шиной через модули входа/выхода, встроенные в так называемую удаленную периферию входа/выхода. Концептуально технология IO-Link определяет обобщенный интерфейс связи цифровых или аналоговых сенсоров и актуаторов с ведущим (центральным) устройством, причем ведущее устройство может иметь функцио­нальность шлюза, образуя тем самым удаленный узел входа/выхода  на шине. При помощи мастер-функции IO-Link периферийные устройства превращаются в отображаемые устройства на шине.
На рисунке 1 показано место технологии IO-Link в иерархии промышленной сети. Все контроллеры по шине соединены с ПЛК/хостом или сервером параметров. Сам интерфейс IO-Link определяется как система «ведущий–ведомый», в которой уровень управления (ведущий IO-Link) соединяется с сенсорами и актуаторами (ведомый IO-Link). В такой сети интерфейс IO-Link ведущего устройства обнаруживает, идентифицирует и управляет устройствами, подключенными к его портам.

Рис. 1. Место технологии IO-Link в системе автоматизации

На самом низком, физическом, уровне топология представлена соединением «точка — точка» от каждого устройства к центральному устройству по 3-проводному кабелю на расстояние до 20 м. Поэтому в отличие от классических шинных систем IO-Link — не шина, а параллельное соединение. Благодаря использованию стандартизованного надежного уровня сигнала 24 В (dc) физический интерфейс IO-Link обратно совместим с обычными сигналами входа/выхода, определяемыми стандартом IEC 61131-2. Связь осуществляется посредством импульсной модуляции сигнала, основанной на стандартном UART. Информация передается на скоростях 4,8 Кбит/с, 38,4 Кбит/с и 230,4 Кбит/с. Типичный цикл передачи данных IO-Link занимает 2 мс.
На уровне приложений (см. рис. 2) IO-Link различает рабочие данные автоматизируемого процесса, параметрические данные (объекты чтения/записи) и события (ошибки, предупреждения, уведомления). Рабочие данные, по умолчанию, передаются циклически. Параметрические данные и события передаются по запросу. Эта надстройка, добавляющая данные диагностики и настройки к среде, в которой ранее были доступны только рабочие данные, обеспечивает одно из ключевых преимуществ данной технологии.

Рис. 2. Передача объекта на уровне приложений

С точки зрения протокола, стандарт IO-Link определяет различные пакеты данных для разных типов передаваемой информации. Например, формат диагностических данных отличается от формата рабочих данных. Связь между ведущим и ведомым устройствами осуществляется в режиме «точка–точка», при этом ведущее устройство сначала посылает сообщение-запрос, а затем ведомое устройство посылает ответное сообщение. Ведомое устройство формирует кадр, включающий выходные данные в определенном формате, и добавляет 6 бит контрольной суммы. Эти элементы пакуются в соответствии с типом кадра. Ведущее устройство извлекает данные, используя обратную процедуру с учетом контрольной суммы, что является частью идеи контроля целостности данных протокола IO-Link.
Средствами IO-Link передача параметров осуществляется напрямую от ПЛК к сенсорам/актуаторам, а данные диагностики в свою очередь отсылаются обратно. Таким образом осуществляется хранение параметров и поддержка обслуживания распределенной автоматизированной системы. Средства IO-Link позволяют связывать устройства с описаниями их портов входа/выхода и осуществлять их настройку.
Интерфейс IO-Link имеет еще ряд нововведений, позволяющих улучшить характеристики оборудования и снизить стоимость обслуживания:
оптимизированная по стоимости передача: устройства с IO-Link осуществляют преобразование физического сигнала в «цифру» в самом устройстве и передают рабочие данные вместе с параметрами и диагностическими данными по одной линии. Способность работать с неэкранированными кабелями позволяет обойтись без специальных модулей DI, DO, AI или AO, а также без ассортимента различных кабелей, что приводит к снижению стоимости на всех стадиях жизненного цикла;
обратная совместимость: благодаря трем описанным выше режимам работы IO-Link полностью обратно совместим с существующими соединениями. Именно поэтому возможно одновременное использование существующих аналоговых и цифровых сенсоров и актуаторов с сенсорами, оснащенными интерфейсом IO-Link. Кроме того, кластеры сенсоров и актуаторов с IO-Link можно формировать как функциональные модули;
улучшенная диагностика и возможность быстрой смены при обслуживании: поскольку соединение представляет стандартный интерфейс для доступа кo всем устройствам на шине, современные диагностические средства выполняют полный анализ возможных причин отказов и позволяют быстро выявить ошибку. Благодаря централизованному хранению параметров ведомых IO-Link-устройств при обcлуживании можно быстро определить параметры ведомого устройства;
легкость интеграции в существующую шинную архитектуру: как уже говорилось, спецификация соединения обеспечивает заданный интерфейс связи по шине, не вмешиваясь в ее работу;
сокращение расходов на кабели и уменьшение ошибок: ранее параллельное соединение обычных бинарных сенсоров требовало довольно сложной кабельной системы. Использование IO-Link существенно упрощает ситуацию, т.к. сигнал передается по простой трехпроводной линии. Множественные входы через IO-Link-соединения связаны с ведущим IO-Link-устройством, которое обрабатывает эти связи на следующем уровне иерархии, что также снижает риск ошибки.
В следующем разделе описываются два реальных примера на основе технологии IO-Link, подчеркивающие ее преимущества и убеждающие в удобстве для разработчика.

На рисунке 3 изображена исход­ная плата малогабаритного IO-Link-приложения на основе микросхемы 4 × 7 BGA нового семейства контроллеров IO-link для ведомых устройств. Это интегральное решение для соединения с любой IO-Link-сетью разработано компанией Renesas Electronics совместно с ELMOS и TMG-Karlsruhe. На печатной плате размером 6×30 мм размещен полнофункциональный контроллер IO-Link с дополнительным конфигурируемым вторым каналом. Плату можно подключать к ведущему IO-Link- устройству стандартным кабелем M12.

Рис. 3. Исходный проект Slave-приложения с двухканальным IO-Link

С точки зрения разработчика, рассматриваемое ведомое приложение IO-Link на одной микросхеме отвечает всем требованиям спецификации IO-Link со всеми преимуществами по размерам и стоимости. Встроенными являются такие функции как защита от подключения обратной полярности, интегрированный регулятор питания 5 В, таймер включения, функция обнаружения перегрузки по току с выбором уровня порога отключения. Для полной поддержки разработки имеются исходные схемы и верифицированный программный стек IO-Link-соединения.
Таким образом, для связи с ведущим приложением IO-Link все готово как в плане оборудования, так и в плане программного обеспечения. Разработчик может дополнить имеющиеся сенсоры функциональностью IO-Link без больших расходов и без изменений аппаратной части имеющегося сенсора. Кроме того, с точки зрения качества разработки такое интегрированное решение обеспечивает существенное преимущество, поскольку общая функциональность уже проверена и подтверждена.

На рисунке 4 показан 14-портовый модуль IO-Link для приложений ведущего устройства от той же группы разработчиков. Распределенное интегральное решение существенно уменьшает площадь, необходимую для многоканального ведущего приложения. Благодаря встроенному протоколу, основанному на SPI, который используется каждым двухканальным субмодулем, разработка облегчается в части программного обеспечения. Со стороны драйвера хоста SPI все каналы IO-Link выглядят как одно устройство SPI. Разработчики могут легко подключать любой микроконтроллер в качестве модуля более высокого уровня через протокол на основе UART. Этот центральный контроллер может исполнять программу приложения и тем самым разгружать стек функций ведущего устройства.
Связь между ведущей и ведомой сторонами IO-Link-соединения осуществляется посредством единого масштабируемого интегрированного решения, позволяющего сосредоточиться на разработке необходимого приложения без погружения в аппаратные и  программные проблемы.

Рис. 4. Исходный проект приложения с 14 портами IO-Link

_____________

¹ Single-drop Digital Communication Interface for small sensors and actuators (SDCI) представляет собой коммуникационный интерфейс в системах автоматизации для подключения интеллектуальных датчиков и приводов в стандарте IEC 61131-9. В нем к каждому порту может быть подключено только одно устройство.