An toàn IO-Link – với giao diện chính được chuẩn hóa 

Sự tăng trưởng nhanh chóng của IO-Link tiếp tục không suy giảm. Đến cuối năm 2017, đã có hơn 8 triệu nút đăng ký và con số này được dự đoán sẽ tăng nhanh trong những năm tới. Đây là lý do tại sao cộng đồng IO-Link đã được tham gia một cách có hệ thống với giao tiếp an toàn chức năng trong vài năm qua, bắt đầu bằng một nghiên cứu và sau đó theo chiều sâu với các yêu cầu của thị trường. Hơn 20 công ty nổi tiếng trong lĩnh vực an toàn chức năng đã tham gia vào phiên bản 1.0 của đặc tả kỹ thuật “IO-Link Safety – System Extensions”, xuất hiện vào tháng 4 năm 2017. Khái niệm truyền thông an toàn đã được xác nhận trước đó bởi TÜV -SÜD Hiệp hội kiểm tra kỹ thuật tại Đức.

Chuyện gì đã xảy ra kể từ đó?

Chương trình nghị sự của nhóm có ba chủ đề chính: tính khả thi của khái niệm trong các kiến trúc thiết bị IO-Link khác nhau, Giao diện chính được chuẩn hóa (SMI) theo yêu cầu của khách hàng và đặc tả kiểm tra (bao gồm thiết bị kiểm tra).

Tự động hóa an toàn chức năng cổ điển

Để hiểu rõ hơn, công nghệ của IO-Link Safety và một vài lợi thế đáng kể được trình bày ở đây. Điểm khởi đầu là kết nối cổ điển của các thiết bị an toàn đơn giản với I/O từ xa tại một fieldbus với một Hồ sơ truyền thông an toàn chức năng (FSCP) như được hiển thị bên trái trong hình 1.

Hình 1 – Các mô-đun an toàn chức năng trên I / O từ xa

Tùy thuộc vào cảm biến hoặc loại thiết bị truyền động, FS AI (đầu vào tương tự), FS AO (đầu ra analog), FS DI (đầu vào số) hoặc FS DO (đầu ra kỹ thuật số) là cần thiết để thực hiện các giải pháp an toàn hiện đại. Như đã xảy ra với IO-Link cơ bản, phạm vi của các mô-đun I/O được giảm xuống thành một kiểu duy nhất với IO-Link Safety (chủ FS), như trong hình 1.

Cho đến bây giờ, chức năng an toàn trong tự động hóa đã được đặc trưng bởi các chức năng chuyển đổi như “khẩn cấp-off” và “dừng khẩn cấp” và các cảm biến nhị phân tương ứng như công tắc, rào cản ánh sáng và máy quét laser đã được phổ biến rộng rãi. Với IO-Link Safety, có thể thu thập một cách an toàn các phép đo tương tự khác và sau đó cho phép bộ điều khiển an toàn quyết định có tắt hay dừng an toàn hay không..

Tại sao IO-Link an toàn?

Nói chung, các loại ứng dụng này cũng có thể được thực hiện trên cấp fieldbus với một FSCP sử dụng các thiết bị trường an toàn. Hiện tại, đã có hơn 10 FSCP với các đầu mối khu vực trên thế giới. Đối với các nhà sản xuất thiết bị, chi phí phát triển cho các giao diện truyền thông sẽ lớn hơn các chi phí cho công nghệ an toàn thực tế nếu họ đang phấn đấu để tiếp thị trên toàn thế giới.

Hình 2 cho thấy giải pháp với IO-Link Safety. Một thiết bị FS phổ dụng với IO-Link Safety tương thích với tất cả các FSCP nếu có ít nhất một FS master cho FSCP này x. Vì thường có các nhà sản xuất chuyên biệt giải quyết việc sử dụng các thạc sĩ IO-Link trên các fieldbus cụ thể, nên các chuyên gia này sẽ tự động cam kết với phiên bản chính của FS. Các nhà sản xuất thiết bị FS sau đó có thể tập trung hoàn toàn vào nhiệm vụ an toàn của thiết bị của họ.

Hình 2 – Thiết bị Universal FS cho tất cả các FSCP

Sẽ mất một thời gian để thị trường này được thành lập. Chiến lược di chuyển của IO-Link Safety sẽ làm cho việc này trở nên dễ dàng hơn. Lịch sử ban đầu của IO-Link liên quan đến quá trình chuyển đổi từ chế độ SIO (chế độ chuyển đổi) sang chế độ giao tiếp IO-Link. Điều này có nghĩa là một thiết bị có thể được kết nối hoặc trong chế độ chuyển đổi sang một mô-đun DI cổ điển hoặc trong chế độ giao tiếp với IO-Link chính mới.

OSSDs

Cảm biến chuyển mạch an toàn cũng được gọi là OSSD (thiết bị cảm biến chuyển mạch đầu ra). Những tín hiệu này liên quan đến các tín hiệu dự phòng ban đầu có nguồn gốc từ các đầu ra relay và được chuyển đổi theo thời gian chống hóa trị để phát hiện lỗi cáp. Khi quá trình chuyển đổi sang các giải pháp điện tử diễn ra, một sự thay đổi cho các tín hiệu chuyển mạch tương đương cũng xảy ra, như một điều kiện chống đối không còn khả thi trong trường hợp mất điện. Các xung kiểm tra ngắn gọn, được so le được thiết bị đọc lại và được đánh giá hiện đang phục vụ để phát hiện các lỗi.

Đây là lý do tại sao nó được quyết định giới hạn vô số các giải pháp xung hiện tại cho IO-Link Safety thành một loại “C” giải pháp “1” bao gồm một số lượng rất lớn các trường hợp thị trường và được xác định trong giấy vị trí CB24I của Hiệp hội các nhà sản xuất điện và điện tử Đức (ZVEI). Điều này là dễ dàng có thể, vì chiều dài cáp tối đa cho phép với IO-Link là 20 mét. IO-Link Safety được kỳ vọng sẽ cung cấp hoạt động rất ổn định và đơn giản hóa cho người dùng nhờ vào việc loại bỏ các thiết lập thời gian lọc và sai lệch (đáng kinh ngạc của hai tín hiệu). Giải pháp là OSSD.

Với IO-Link Safety, tín hiệu OSSD thứ hai được gán cho pin 2 của phích cắm M12. Bài tập này tuân thủ các thông số kỹ thuật của Sáng kiến Tự động hóa của ngành công nghiệp ô tô Đức (AIDA)).

Giao tiếp an toàn IO-Link

Đối với chế độ giao tiếp, nguyên tắc “Kênh đen” đã thử và được thử nghiệm như được minh họa trong hình 3 đã được chọn cho IO-Link Safety. Một lớp truyền thông an toàn được đặt ở trên cùng của ngăn giao tiếp hiện tại của IO-Link master (“master”) và thiết bị IO-Link (“device”). Ngoài việc xử lý các nhiệm vụ quản lý, lớp này bao gồm máy trạng thái giao thức cho việc tiếp nhận và truyền dữ liệu an toàn (PDU an toàn) bao gồm dữ liệu quy trình an toàn và mã bảo mật bổ sung. Giao thức có trách nhiệm kiểm tra việc tiếp nhận kịp thời dữ liệu mới bắt nguồn từ người gửi chính xác và không được thay đổi gì.

IO-Link Safety sử dụng hai định dạng giao thức. Một định dạng dành cho khối lượng dữ liệu nhỏ tối đa 3 octet với mã bảo mật tương ứng ngắn, trong khi một định dạng khác cho tối đa 25 octet có mã bảo mật dài hơn.

Hình 3 – Nguyên tắc “Kênh đen” của IO-Link Safety

Hình 3 cũng cho thấy kết nối của lớp truyền thông IO-Link Safety của FS master với lớp FSCP cấp cao hơn của fieldbus. Trong quá trình triển khai, cả hai lớp có thể được triển khai dưới dạng phần mềm, ví dụ: trong một đơn vị dư thừa duy nhất.

Giao diện chính được chuẩn hóa (SMI)

Trong năm qua, các khách hàng lớn đã yêu cầu cải thiện hài hòa hành vi của IO-Link master và phê duyệt để vận hành các Master từ nhiều nhà sản xuất khác nhau trên một công cụ chính. Khi IO-Link được thiết kế và chỉ định cách đây vài năm, có các fieldbus chuyên biệt, và chỉ một vài trong số này dựa trên Ethernet. Vào thời điểm đó, một giải pháp không thể giải quyết được do thiếu kiến thức giám sát. Điều này đã thay đổi. Các busbus dựa trên Ethernet đã trở thành quy tắc và trải nghiệm đã đạt được trong “docking” IO-Link với các fieldbus.

Hình 4 trình bày các lớp trên cùng của một bản gốc (trong trường hợp này, một bản gốc FS) bao gồm trình quản lý cấu hình, lưu giữ dữ liệu tham số, truyền thông tuần hoàn, đơn vị chẩn đoán và trao đổi dữ liệu quy trình theo chu kỳ.

SMI chỉ định các dịch vụ được chuẩn hóa cho từng đơn vị này, có thể được gọi từ cổng. Cổng này đảm bảo thích ứng với các giao thức người dùng tương ứng. Đối với FS PLC, đây là fieldbus với FSCP của nó. Đối với công cụ chính của FS, đó là giao thức người dùng định nghĩa Ethernet.

IO-Link Safety đã phải mở rộng SMI tiêu chuẩn cho trình quản lý cấu hình do các tham số an toàn, ví dụ. Trình phân tách / soạn nhạc để trao đổi dữ liệu quy trình theo chu kỳ là một tính năng đặc biệt. Ở đây, PDU an toàn được tách ra khỏi dữ liệu quy trình liên quan đến không an toàn trong thông báo hoặc thành phần IO-Link đã nhận trước khi gửi.

Hình 4 – Giao diện chính được chuẩn hóa (SMI))

SMI cho IO-Link Safety có tầm quan trọng rất quan trọng. Nhờ các thông số kỹ thuật SMI cho chủ FS hiện đã được chi tiết, các đánh giá an toàn có thể được chuyển lên từ cấp độ triển khai đến mức đặc tả, giúp việc triển khai thực hiện dễ dàng hơn đáng kể.

Bộ phát triển hay nhà cung cấp công nghệ?

Cộng đồng IO-Link ở vị trí may mắn là động lực cần thiết đằng sau bộ phát triển cho IO-Link Safety. Trong số các công ty thành viên được gọi là nhà cung cấp công nghệ, có thể cho vay hỗ trợ ngay từ giai đoạn thiết kế của một thiết bị và cung cấp các thành phần công nghệ (ngăn xếp).

Đặc điểm kiểm tra và kiểm tra giao thức

Do các cải tiến này, các trường hợp thử nghiệm trong đặc tả thử nghiệm phải được mở rộng. Ngay từ giai đoạn thiết kế, cả hai máy trạng thái giao thức được mô phỏng bằng máy tính với mục tiêu tạo ra các mẫu thử cho một trình kiểm tra giao thức tự động. Các mẫu thử hiện đang được tối ưu hóa để ngăn chặn thời gian thử nghiệm dài.

Xa hơn nữa trên phiên bản 1.1

Việc tích hợp SMI vào phiên bản 1.1 của đặc tả an toàn IO-Link đã được thực hiện. Này hiện đang chịu một sự xem xét quốc tế kéo dài vài tháng và có thể được tải về từ www.io-link.com. Không có gì lớn đã thay đổi với chính giao thức đó.

Đồng thời, các đánh giá khái niệm bổ sung đang được thực hiện tại các phòng thí nghiệm thử nghiệm. Xuất bản dự kiến trong vài tháng tới.

Tiến sĩ Wolfgang StripfHead của nhóm dự án “IO-Link Safety”

Internet of Things Công nghiệp Giao thức

Internet of Things công nghiệp ProtocolsStandards và Nghị định thư cho IIoT:

Một cái nhìn về cách thức các giao thức truy cập dữ liệu mở như Profinet có thể được sử dụng để cung cấp dữ liệu cho việc triển khai Internet of Things.

Các công nghệ đằng sau Internet công nghiệp of Things (IIoT) đã tồn tại trong nhiều năm. Xem xét ba thuật ngữ này thường được sử dụng trong các cuộc thảo luận IIoT:

• Truy cập từ xa… Đó là tin tức cũ.
• Máy – đến – máy… Đã ở đó, làm điều đó.
• Cloud… Thực sự chỉ là một tên khác cho máy chủ ngoài trang web.

Những công nghệ này từ lâu đã tồn tại chủ yếu là các giải pháp độc quyền và đã làm việc tốt cho nhiều người dùng. Điều gì đang thay đổi là khái niệm Internet of Things (IIoT) công nghiệp đang thúc đẩy ngành công nghiệp tự động hóa để đảm bảo khả năng tương tác lớn hơn cho các sản phẩm của mình. Và điều đó có nghĩa là đã đến lúc tìm tiêu chuẩn để áp dụng cho các công nghệ này và ứng dụng của chúng.

Khi các tiêu chuẩn tồn tại, sự đổi mới được thúc đẩy; công nghệ đột phá xuất hiện; và mọi thứ trở nên rẻ hơn, thông minh hơn và dễ sử dụng hơn. Các giao thức chuẩn sẽ cho phép ngay cả những nhà sản xuất nhỏ nhất cũng thấy được lợi ích từ IIoT. Điểm mấu chốt để hiểu được điều này sẽ xảy ra như thế nào để nhận ra phong trào IIoT không phải là về chính “những thứ” đó là về dữ liệu.

Một ví dụ tuyệt vời về điều này có thể được nhìn thấy trong những gì đang xảy ra với các mạng fieldbus. Các mạng kế thừa này nhanh chóng, hiệu quả, đáng tin cậy, cực kỳ mạnh mẽ và được áp dụng rộng rãi. Tuy nhiên, có một xu hướng ngày càng tăng trên thị trường để di chuyển ra khỏi fieldbus và hướng tới Ethernet công nghiệp. Lý do đằng sau hành động này là rõ ràng: truy cập dữ liệu.

Internet công nghiệp so với Ethernet công nghiệp

• Nếu Internet công nghiệp là “cái gì”, thì Ethernet công nghiệp là “làm thế nào”. Khi các thiết bị phức tạp hơn được đưa ra thị trường, hai yếu tố vẫn không thay đổi:
• Sự cần thiết phải kiểm soát xác định; và
• Mong muốn tăng truy cập dữ liệu.

Sản xuất tiên tiến hiện đại đã bắt đầu thúc đẩy sự gia tăng toàn cầu của Ethernet (mà xảy ra là một giao thức tiêu chuẩn hóa) để mang lại sự phong phú của nó xuống cấp trường. Với Ethernet công nghiệp ngày càng được thiết lập trên toàn ngành, Ethernet công nghiệp có thể được tận dụng để kích hoạt Internet công nghiệp.

Để hiểu làm thế nào điều này có thể được thực hiện, nhìn vào thời gian mà trên đó hai hoạt động. Ethernet công nghiệp (ví dụ: Profinet) có liên quan đến khung thời gian phụ thứ hai. Bước trở lại từ khung thời gian phụ thứ hai (đến một khung thời gian dài hơn), Ethernet công nghiệp trở thành Internet công nghiệp. Sự biến đổi này xảy ra khi dữ liệu thứ cấp chi tiết phát triển thành thông tin khi được xem / phân tích trong một khung thời gian dài hơn.

Thông tin bắt đầu dưới dạng dữ liệu

Nếu không có quyền truy cập vào dữ liệu hoạt động, không có IIoT. Giả sử bạn đang tìm cách truy cập dữ liệu từ mạng Ethernet công nghiệp của bạn, bạn sẽ làm gì với nó?

Để bắt đầu, hãy đệm nó. Những bit và byte nhỏ xung quanh các thiết bị ở cấp trường làm ít để thông báo quyết định kinh doanh của riêng mình. Nhưng những mẩu dữ liệu đó có thể được theo dõi (sử dụng truy cập từ xa), được thu thập (trong một nhà sử học), được lưu trữ (trong đám mây), và được kiểm tra bằng cách sử dụng Big Data hoặc các hệ thống thông minh nghiệp vụ. Nói chung, tất cả dữ liệu phụ thứ hai đó sẽ trở thành thông tin có thể được sử dụng để thúc đẩy việc ra quyết định.

Profinet và IIoT

Gần như mỗi tuần, chúng tôi được hỏi: Làm thế nào để Profinet phù hợp trong Internet of Things công nghiệp. Từ khóa trong câu hỏi này là “phù hợp”. Một giao thức Ethernet công nghiệp như Profinet chỉ là một phần của chiếc bánh. Mối quan tâm chính của nó là kiểm soát xác định, truy cập dữ liệu và tối đa hóa thời gian hoạt động của sản xuất.

Đây cũng là một mạng mở, có nghĩa là các ứng dụng khác (ví dụ: HTTP, SNMP, ARP, TCP / IP, v.v.) có thể chạy liên tục trên cùng một dây như Profinet. Bởi vì giao thức đảm bảo trao đổi dữ liệu theo thời gian thực, khách hàng có thể sử dụng bất kỳ ứng dụng nào họ thấy phù hợp. Nhưng thực tế vẫn là các giao thức khác có thể sẽ được yêu cầu đưa thông tin đến các hệ thống ở cấp doanh nghiệp.

Ví dụ, OPC UA là một giao thức chuẩn để di chuyển thông tin. Người ta có thể dễ dàng hình dung một hệ thống mà giao thức Profinet được sử dụng để kiểm soát và truy cập dữ liệu và các giao thức như OPC UA được sử dụng cho thông tin.