IO-Link, Industria 4.0 y el internet de las cosas (IoT)

por el 9 de septiembre del 2020 en Detección Blog

En el pasado ha habido diferentes revoluciones industriales, desde la invención de la máquina de vapor, el ferrocarril y el telégrafo de la primera revolución industrial, pasando por el motor de combustión interna, la electricidad y la radio en la segunda, hasta llegar a la tercera revolución industrial, la era de la comunicación, con la microelectrónica, la informática, la comunicación por satélite o la energía nuclear, entre otras muchas tecnologías. Se considera como la cuarta revolución industrial a la transformación digital de la industria con el objetivo de alcanzar una industria inteligente también llamada Industria 4.0.  Es decir, se busca conseguir una mayor optimización de los recursos a través de una automatización progresiva del proceso productivo. Estamos hablando de mejorar las herramientas de planificación de la producción, de robótica colaborativa, de visión artificial, realidad virtual, realidad aumentada, inteligencia operativa y como no, el Internet de las cosas (Internet of ThingsIoT).  En definitiva, una mayor automatización de procesos, con una mayor recopilación de datos (Big data), que nos permitan a su vez mejorar nuestra capacidad de análisis para poder tomar decisiones más eficientes y optimizar recursos. Esto implica disponer de más sensores y a su vez de obtener más información de cada uno de los sensores. En todo ello, el IO-Link toma un papel crucial en la modernización de la industria, desde el punto de vista de ofrecer una mayor capacidad de configuración y flexibilidad de nuestros sensores en la automatización de procesos, aportando un mayor volumen de datos hasta ahora inaccesibles. Desde CONTAVAL buscamos siempre estar a la última en nuevas tecnologías de automatización para poder asesorar con las mejores soluciones a nuestros clientes. Veamos entonces qué es y qué nos aporta IO-Link.

Figura 1. Ejemplo de la arquitectura del sistema con IO-Link

¿Qué es IO-Link?

IO-Link es la primera interfaz de comunicación punto a punto estandarizada a nivel internacional para el ámbito de los sensores y actuadores inteligentes especificada por la norma IEC 61131-9. Es decir, se trata de un protocolo de comunicación serie abierto que permite el intercambio bidireccional de datos entre sensores/actuadores y ordenadores o PLCs industriales.

En otras palabras, permite enviar datos al sensor, como por ejemplo parámetros de configuración, desde nuestro sistema, incluso con el sensor en funcionamiento, optimizando nuestros tiempos productivos, y a su vez, obtener información en tiempo real del estado de nuestro sensor, señal, calidad de la señal, sobrecalentamiento, horas de funcionamiento, etc.

Se trata de un protocolo de comunicación independiente del bus de campo utilizado, nuestro sensor se conectará a un maestro IO-link capaz de transmitir los datos a distintas redes o buses de campo tales como DeviceNet, PROFINET o EtherNet/IP, gracias a que se trata de un estándar abierto.

Además, IO-Link es también considerado un estándar de conexión.

Figura 2. Estándar de conexión.

IO-Link no requiere de un cableado especial o complicado. Por el contrario, los dispositivos con comunicación IO-Link se conectan utilizando los mismos cables sin blindaje utilizados en las entradas/salidas digitales convencionales.

Cable de 3 hilos convencional, 2 para la alimentación del sensor y 1 para la salida que se puede utilizar como comunicación IO-Link o como salida digital estándar (SIO) como se puede apreciar en la Fig. 3.

Figura 3. Esquema de conexión IO-Link, puerto tipo A.

 

Además, el conexionado se puede clasificar como puerto de clase A (Fig. 3) o de clase B dependiendo de si requiere una alimentación auxiliar (Fig. 4)

Figura 4. Puerto tipo B

Multitud de fabricantes han apostado por está tecnología de comunicación , estamos hablando que más de 260 marcas se han asociado a este protocolo de comunicación abierto y que tan solo en unos pocos años se han suministrado más de 11 millones de dispositivos con esta tecnología.

Figura 5. Número de dispositivos IO-Link vendidos.

Así pues, las preguntas que cabe hacerse son: ¿Por qué IO-link es cada vez más demandado?, ¿Qué ofrece IO-Link respecto a los sensores convencionales?, ¿Qué inversión requiere el uso de esta tecnología?, vamos a intentar responder estás y más preguntas frecuentes.

Ventajas del IO-Link

  1. Menos cableado.

Un aspecto importante de IO-Link, que ya se ha planteado en cierta manera anteriormente, es que no precisa de cableados complicados o especiales, IO-Link permite disponer de un mismo tipo de cable para multitud de sensores o actuadores, lo cual permite reducir costes de inventario además de una disminución importante en los tiempos de conexionado. Además, el conexionado mediante maestros IO-Link también ayuda a disminuir el número de cables a instalar.

  1. Más datos.

Hagamos una pequeña analogía, ¿Qué pasaría si nuestra impresora personal conectada a nuestro PC únicamente nos dijera que está imprimiendo o que no está imprimiendo? No sabríamos si la impresora le falta tinta, no sabríamos si le falta papel, si se ha sobrecalentado, etc.

Algo parecido venía ocurriendo con nuestros sensores o actuadores, únicamente nos daban una señal tras haberlo configurado manualmente y no teníamos más información. ¿Por qué no conocer más datos de nuestros equipos? Gracia a IO-Link ya no sabemos únicamente qué hace el sensor (señal binaria digital o analógica), sino que además podemos saber como de bien lo está haciendo nuestro sensor (calidad de la señal, errores o alertas tales como validez de la señal, alarmas de sobrecalentamiento, lente sucia, o valores que nos ayuden al mantenimiento preventivo como horas de funcionamiento, información del dispositivo como número de serie o modelo, etc.)

  1. Configuración remota.

Siguiendo con el ejemplo de la impresora, cuando la conectamos al ordenador, bien se nos descarga un “driver” automáticamente o lo instalamos manualmente en el sistema para disponer de todas las funciones de la impresora. Algo similar ocurre con IO-Link, lo que llamaríamos “driver” en este caso se trata de un archivo denominado IODD que una vez instalado en nuestro sistema nos permite hacer uso de todas las funciones de nuestro sensor, similar a los ya conocidos archivos GSD.

Con IO-Link ya no es necesario acceder físicamente al sensor para realizar cambios de parámetros o configuración, una vez conectado podemos realizar cualquier cambio en remoto, incluso con el sensor en funcionamiento.

  1. Inmunidad a interferencias.

Las señales analógicas normalmente requieren en la mayoría de los casos de cables apantallados para proteger la señal frente a interferencias. Este no es el caso de IO-Link, como ya se ha comentado IO-Link utiliza cables estándar sin apantallar, gracias a que transmite su comunicación a través de una trama de señales digitales de 24 V inmunes a interferencias. Es decir, con IO-Link nos podemos olvidar de trabajar con diferentes tipos de entradas analógicas y digitales. A través de la comunicación IO-Link vamos a poder acceder a estos mismos valores de señal analógica mediante la comunicación digital de 24V.

Además, se pueden obtener señales con mayor precisión al no perderse información por el camino en las conversiones analógico-digitales, como queda representado en la Fig. 6.

Figura 6. Esquema de conversión de señales.

  1. Sustitución sencilla de sensores

Una vez instalado y configurado el dispositivo IO-Link, la información de configuración queda guardada bien en el maestro IO-Link o en el PLC. De esta manera tras sustituir un sensor averiado tan solo será necesario reemplazarlo físicamente, la configuración del sensor será cargada de forma automática en el nuevo sensor.

  1. Protección contra manipulaciones.

Una de las funciones útiles para la seguridad de sus dispositivos es la de bloqueo de sus opciones de configuración físicas. De está manera nadie en planta podrá modificar parámetros del sensor sin su consentimiento.

  1. Identificación rápida.

Se identifica de forma remota la ID del sensor, marca, modelo… de esta manera se evita la necesidad de ir en busca físicamente del sensor para poder obtener información sobre el mismo, el cual en ocasiones puede estar inaccesible o en zonas de difícil acceso. De esta manera se evitan perdidas de tiempo en tareas no productivas.

  1. Diagnóstico de sensores.

Una mayor información permite una toma de decisiones más eficiente. Gracias a IO-Link se pueden consultar datos de diagnóstico de los equipos durante su funcionamiento, visibilidad de errores, el estado de la salud de cada sensor. Esto nos permite disponer de una mejora en mantenimiento predictivo/preventivo.

¿Qué necesita IO-Link para funcionar?

Existen diferentes posibilidades para el uso de dispositivos IO-Link dependiendo de los requerimientos de cada aplicación. Una de las opciones es realizar una configuración vía IO-Link del sensor, aunque luego se haga uso de sus salidas físicas digitales o analógicas. Aquellos dispositivos que antes no disponían de IO-Link, ahora ven incrementadas sus funcionalidades y en ocasiones algunas aplicaciones complejas se ven simplificadas gracias a configuraciones avanzadas de este tipo de sensores mediante IO-Link. Una forma sencilla de realizar estás configuraciones es mediante adaptadores (Fig. 7) que permiten una conexión directa de un sensor con nuestro PC portátil o “tablet”.

Figura 7. Adaptador para comunicación IO-Link.

En el caso de configuraciones más avanzadas en las que se requieran modificaciones de parámetros más frecuentes y un monitoreo continuo de las señales, errores o alarmas de diagnóstico; requeriremos de maestros IO-Link (Fig. 8) y PLCs.

Estos maestros traducen la información aportada por lO-Link a los formatos adecuados para ser leída por los buses de campo. También pueden conectarse en los maestros aguas abajo diferentes distribuidores o “hubs” IO-Link para una adaptación flexible de la instalación, siendo posible la conexión en un único maestro IO-Link de hasta 496 entradas/salidas.

Figura 8. Maestros IO-Link Siemens, Omron e IFM.

Otra ventaja a la hora de apostar por IO-Link es que actualmente prácticamente todas las marcas de fabricantes de hardware de control de procesos han modernizando sus módulos de entradas y salidas con comunicación IO-Link, de tal forma que no es necesaria una gran inversión para empezar a utilizar dispositivos IO-Link, bastará con usar este tipo de módulos que combinan tanto entradas y salidas digitales convencionales con entradas y salidas IO-link, haciendo además innecesario el uso de salidas/entradas analógicas. En la Fig.10 se muestran algunos ejemplos de esquemas de comunicación con IO-Link.

Velocidad de comunicación IO-Link

A menudo se escucha que, a pesar de sus muchas ventajas, IO-Link es demasiado lento cuando se trata de la velocidad de tiempo de ciclo. Sin embargo, el protocolo IO-Link está diseñado para la comunicación en tiempo real. Por tanto, se garantiza que parte de los datos, los llamados datos de proceso, se transmiten en un determinado tiempo de ciclo.  Por otro lado, además de los datos cíclicos, el protocolo también posibilita la transmisión de datos acíclicos, que contienen información de configuración, alarmas y mantenimiento. Estos últimos no son críticos para el usuario.

Por tanto, se puede asegurar como se explica en diferentes estudios [5],[6],[7] que la transmisión de datos cíclicos o de proceso cumple con los requisitos necesarios para una comunicación eficaz en tiempo real.

Es más, incluso la comunicación IO-Link inalámbrica o “Wireless” cumple con unas altas prestaciones, con tiempos de latencia inferiores a la comunicación HART.

Figura 9. Comparación de la velocidad de comunicación IO-Link inalámbrica.

Conclusión

Por todas sus ventajas podemos decir que IO-Link es una herramienta fundamental en la Industria 4.0 desde muchos puntos de vista: aumento de la producción, flexibilidad de producción, ahorro de cableado, ahorro de tiempo de sustitución, instalación y configuración de equipos, ya sean sensores o actuadores, mejoras de mantenimiento predictivo/preventivo, mayor información de la eficiencia de nuestro sistema productivo, acceso remoto a la configuración y estado de cualquier sensor/actuador, amplio abanico de dispositivos IO-Link debido a la gran cantidad de fabricantes,  etc. En definitiva, un aliado indispensable en la mejora continua de procesos y una mayor automatización, permitiendo estar conectados a cualquier dispositivo (IoT) y anticiparnos a cualquier problema que pueda suponer una parada de producción, o simplemente permitiendo realizar funciones a nuestros dispositivos que hasta ahora no eran posibles.

Referencias

  1. IO-Link Community, IO-Link Interface and System, Version 1.1.3, June 2019, Order No. 10.002 (available at <http://www.io-link.com>)
  2. IO-Link Community, IO-Link Test, Version 1.1.2, July 2014, Order No. 10.032 (available at <http://www.io-link.com>)
  3. IO-Link Community, IO-Link Product Quality Policy, Version 1.1, December 2018, Order No. 10.132 (available at <http://www.io-link.com>)
  4. IO-Link Community, IO Device Description (IODD), Version 1.1, August 2011, Order No. 10.012 (available at <http://www.io-link.com>)
  5. Vagaš, A. Galajdová and D. Šimšík, «IO-Link Field Parameterization for Data Collection Based on RFID Technology,» 2020 Cybernetics & Informatics (K&I), Velke Karlovice, Czech Republic, 2020, pp. 1-6, doi: 10.1109/KI48306.2020.9039799.
  6. Heynicke, R., Krush, D., Cammin, C., Scholl, G., Kaercher, B., Ritter, J., … & Rentschler, M. (2018). IO-Link Wireless enhanced factory automation communication for Industry 4.0 applications. Journal of Sensors and Sensor Systems7(1), 131.
  7. Rentschler, Markus & Ladurner, Wolfram & Kaptur, Ralf & Zigman, Eran & Wolberg, Dan & Blonskey, Ofer & Ritter, Jochen & Kärcher, Bernd & Gaggero, Pascal & Heynicke, Ralf & Scholl, Gerd. (2018). IO-Link Wireless: The new Standard for Factory Automation.
  8. Stripf, W. (2015). IO-Link (single-drop digital communication system) for sensors and actuators. Industrial Communication Technology Handbook,.

Figura 10. Ejemplos de esquemas de conexionado IO-Link.

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