Napojení senzorů a akčních členů (aktuátorů) robotických pohyblivých aplikací nebo rychlé rozšíření stávajících systémů o nové funkce bez nutnosti zásahu jejich odstávky a zásahu do jejich kabeláže představuje v průmyslu stále častější situaci. Proto by se hodil spolehlivý průmyslový protokol bezdrátové komunikace, který by byl plně kompatibilní s již existujícím a zavedeným standardem. Proto vzniklo rozšíření IO-Link  komunikace o její bezdrátovou variantu oficiálně pojmenovanou jako IO-Link Wireless.

Co je to IO-Link Wireless?

IO-Link Wireless je globální bezdrátový komunikační standard kritický pro automatizaci výroby založený na standardu IO-Link IEC 61131-9 a definovaný jako systémové rozšíření již zavedené základní technologie IO-Link. Jedná se o komunikační technologii určenou k nahrazení kabelů pro dálkové ovládání senzorů / akčních členů a monitorování v tovární automatizaci. Klíčovými vlastnostmi bezdrátové technologie IO-Link jsou vysoká spolehlivost, nízká latence, škálovatelnost, deterministická komunikace, schopnost jednat s vysokou hustotou klientů a robustnost.

IO-Link Wireless je rozšíření IO-Link pouze na fyzické úrovni a definuje bezdrátovou síť komunikace mezi senzory, akčními členy a regulátory (PLC) ve výrobě prostředí automatizace. Zatímco výkon, funkčnost a možnosti jsou srovnatelné s řešeními založenými na kabelech, eliminace kabelů zajišťuje zejména větší flexibilitu, větší robustnost a lepší škálovatelnost. IO-Link Wireless tak poskytuje komunikaci jedné Master jednotky až se 40 uzly (senzory nebo pohony) deterministickou latencí 5 ms a chybovostí přenosu PER lepší než 10^-9 a současně podporuje i možnost zahrnout bateriové napájení. Jeden z klíčových funkcí IO-Link Wireless je plná zpětná kompatibilita s kabelové řešení IO-Link.

Blokové porovnání kabelové a bezdrátové varianty IO-Link ukazuje vzájemnou kompatibilitu.

Oblasti použití IO-Link Wireless

Bezdrátovou technologii IO-Link lze integrovat do nejrůznějších aplikací. Na jedné straně je cílem snížit počet použitých kabelů a na druhé straně obecně se vyhnout kabeláži, například v drsném průmyslovém prostředí nebo v obtížně přístupných oblastech závodu:

• Robotické aplikace - napojení různých mobilních nebo pohybujících se částí robota.
• Výrobní linky - snadné a flexibilní rozšíření či přestavění struktury stroje nebo topologie linky bez dlouhých přerušení výroby a nutných manuálních zásahů a úprav.
• Hygienická oblast - snadné oddělení vysoce hygienických částí strojů a linek a jejich snadnější čištění a sanitace.

Příklady použití bezdrátového IO-Link.

Hlavní výhody a vlastnosti IO-Link Wireless

• Kompatibilní se stávající specifikací IO-Link, komunikace typu Master/Gateway -> Device (Slave).
• Výkon, funkčnost a kapacita jsou srovnatelné s řešeními vázanými na kabely.
• Standardizovaná technologie nezávislá na výrobci.
• Použití standardní 2,4 GHz ISM bezdrátového komunikačního pásma.
• Max. doba cyklu přenosu dat: < 5 ms.
• Přenosový výkon: ≤ 10 dBm (10 mW) EIRP.
• Dosah komunikace: 20 m v jedné Master zóně / 10 m s použitím více zón.
• Přenos cyklických dat (data procesu) i acyklických dat (data na vyžádání).
• Až 5 rádiových kanálů na každou IO-Link Wireless Master jednotku a až 8 zařízení na kanál = až 40 zařízení na každou IO-Link Wireless Master jednotku.
• Možnost použití až 3 IO-Link Wireless Master jednotek v jedné zóně = až 120 IO-Link Wireless zařízení v jedné zóně.
• Párovací služba: spárujte IO-Link Wireless zařízení (Device) s příslušnou IO-Link Wireless Master jednotkou.
• Skenovací služba: přidání do systému „nespárovaná“ zařízení.
• Žádné omezení rychlosti pohybu zařízení v jedné zóně.
• Řízený roaming zařízení mezi různými master jednotkami.
• Automatické přepínání na volná nevyužitá frekvenční pásma (Frequency-hopping).
• Chybovost přenosu PER (Packet Error Rate): 10^-9.
• Mechanismus černé listiny (blacklist) k zajištění koexistence s jinými bezdrátovými systémy.

Bližší popis systému IO-Link Wireless

IO-Link Wireless byl navržen jako deterministický protokol. Je založen na časových a frekvenčních slotech a zaručuje, že každý datový paket bude doručen s omezeným zpožděním. Neexistuje žádná nejistota, stejně jako u jiných bezdrátových protokolů, ohledně příchodu paketu. Nízká latence a deterministické propojení vytvářejí spolehlivou alternativu pro kabel se všemi výhodami bezdrátového připojení.

Bezdrátový systém IO-Link Wireless obvykle sestává bezdrátové jednotky či brány IO-Link Wireless Master / Gateway a bezdrátových zařízení IO-Link Wireless Device / Remote Hub, fungující jako Slave jednotky. Device zařízení mohou to být senzory, akční členy, čtečky RFID, ventily, spouštěče motorů nebo jednoduché vzdálení I / O moduly (Remote IO Hub). Již standardní IO-Link Wireless systém zahrnuje technické nástroje pro konfiguraci a parametrizaci senzorů / aktuátorů .

Jedna tzv. bezdrátová komunikační zóna IO-Link Wireless může obsahovat až 3 komunikační master jednotky (brány), kde každá může prostřednictvím každého z 5 rádiových kanálů komunikovat až s 8 IO-Link Wireless zařízeními (senzory či akčními prvky).

Každá IO-Link master jednotka (Gateway) podporuje až 40 bezdrátových IO-Link Wireless zařízení (Device) rozdělených do 5 přenosových rádiových kanálů. Každý z těchto 5-ti kanálů podporuje komunikaci až s 8 bezdrátovými zařízeními. Všechny kanály definované IO-Link Wireless masterem komunikují současně na různých frekvencích, což poskytuje optimální využití přenosového média. Bezdrátová IO-Link zóna podporuje použití až 3 master jednotek a tedy v rámci jedné zóny lze současně komunikovat až 120 bezdrátovými IO-Link Wireless zařízeními.

Jsou definovány následující základní datové typy:

• Process data - periodická procesní data s délkou až 32 bajtů, které se vyměňují při každém komunikačním cyklus.
• Status data - cyklicky odesílané hodnoty stavových dat informující, zda jsou procesní data jsou platná nebo neplatná.
• Parameter & diagnostic data - parametry a diagnostická data reprezentující např. identifikační informace, nastavení, varování a chyby, které jsou odesílány acyklicky (tj. na vyžádání).

Bezdrátová fyzická vrstva IO-Link Wireless

Protože na vyšších úrovních OSI komunikačního modelu je IO-Link Wireless shodný s klasickou drátovou IO-Link komunikací, je hlavní rozdíl na první fyzické přenosové vrstvě OSI modelu. Zde za účelem splnění požadavku vysoké přenosové spolehlivosti v průmyslovém prostředí a také zajištění zpětné kompatibility s kabelovou IO-Link verzí, byla spolehlivost / chybovost přenosu byl u IO-Link Wireless cíleně definována na stejné úrovni jako kabelového IO-Link standardu, tedy na PER (Packet Error Rate) hodnotu 10^-9 .

Proto byla z pohledu modulace přenášeného signálu zvolena technologie úzkopásmového GFSK klíčování (Gaussian Frequency Shift Keying) se šířkou pásma 1 MHz. Tato modulace má vysoký výkon i účinnost a dobrou odolnost proti interferencím, ale také odolnost proti tlumení pásma. Stejná modulace si již využívá i u jiných bezdrátových přenosových protokolů, jako Bluetooth a 802.15.4, ale v případě IO-Link Wireless dosahuje lepších přenosových parametrů kvůli odlišnému schématu děleného vícenásobného přístupu na přenosový kanál (Division Multiple Access). Například jiné bezdrátové standardy, jako jsou Wi-Fi, Bluetooth a Zigbee, ukazují PER až o 6 řádů nižší (~ 10^-3). Navíc je nutné dodržovat pro bezlicenční 2,4 GHz ISM pásmo normami definovaný maximální RF přenosový výkon 10 mW a v mnoha případech toto ISM pásmo trpí dost velkým komunikačním zatížením právě koexistencí s dalšími komunikačními protokoly.

Proto pro zajištění tohoto požadovaného vysoce spolehlivého přenosu v IO-Link Wireless využívá kombinovanou F / TDMA deterministickou metodu přístupu ke sdílenému médiu s frekvenčním a časovým dělením (Frequency / Time Division Multiple Access). DownLink (DL) zprávy z IO-Link Wireless masteru do IO-Link Wireless device zařízení a UpLink (UL) zprávy ze zařízení k hlavní Master jednotce jsou zde vyměňovány v poloduplexním režimu v přesně definovaném / vymezeném časovém rámci. Nejdříve v rámci jednoho radiového kanálu vysílá Master jednotka DL data v rámci časového slotu délky 416 mikrosekund současně ke všem Device (Slave) jednotkám. Každé z 8 komunikujících device zařízení v daném rádiovém přenosovém kanálu následně pak má pro své vysílání dat přidělený časový slot délky 96 mikrosekund vzájemně oddělené 8 mikrosekundovou mezerou, což představuje celkový vysílací Uplink časový rámec délky 832 mikrosekund.

Popis komunikačního rámce protokolu IO-Link Wireless.

Aby bylo dosaženo vylepšeného chování při koexistenci různých komunikačních bezdrátových technologií, které v bezlicenčním pásmu také komunikují, využívá IO-Link Wireless dvou pomocných mechanismů, přeskakování frekvence (Frequency-hopping) a dynamická černá listina (black list), která umožňuje provoz s nízkou mírou chyb paketů i v průmyslovém prostředí. Pokud jde o reálnou rychlost odezvy, byla přímo specifikována doba každého přenosového cyklu na max. 5 ms pro všech až 120 uzlů (senzorů / akčních členů / zařízení). V každém 5 ms cyklu jsou pro každé zařízení podporovány dva opakované cyklické přenosy dat v různých frekvenčních kanálech, aby se minimalizoval vliv rušení. Algoritmus přeskakování frekvence minimalizuje problém útlumu kanálu a zlepšuje chování při komunikaci mezi více Master jednotkami.

Také bylo definováno několik konceptů ke snížení spotřeba energie, aby bylo také možné do systému přidávat i zařízení s velmi omezenými energetickými zdroji, jako je například dlouhodobě napájená zařízení z baterie. Jednou z funkcí IO-Link Wireless je podpora roamingu zařízení mezi PLC, který umožňuje pohyb bezdrátových zařízení mezi buňky základnových stanic tak, aby zařízení komunikace během procesu předání nebyla přerušena.

Závěr

Spolehlivá bezdrátová síť pro průmyslové aplikace dlouho chyběla. Výhody použití bezdrátového připojení pro průmysl automatizační aplikace jsou určitě lákavé dost z hlediska flexibility, vyšší mobilita a snadnějšího rychlého rozšíření či změny konfigurace výrobních procesů a linek . Chybějící kabeláž také zjednodušuje návrh topologie dopravníkových linek tam, kde je nutný snadný přístup obsluhy či přepravních prostředků, jako paletových či vysokozdvižných vozíků. Senzory i akční členy na robotických ramenech pak sice lze propojit kabeláží, ale ta bývá při rychlých pohybech velmi namáhána a její kvalitní a pružné provedení může stát daleko větší náklady než bezdrátové propojení. Nevýhod a nebo náročnost použití bezdrátových sítí v průmyslových aplikacích pak spočívá v možné mnohem horší spolehlivosti. Bezdrátový protokol IO-Link však byl již s ohledem na tyto podmínky přímo navržen, takže jeho budoucímu velkému rozšíření by nic nemělo stát v cestě .

Odkazy:

• Dokument o technologii IO-Link Wireless: https://io-link.com/share/Downloads/At-a-glance/IO-Link_Wireless_Expos%c3%a9_eng_2018.pdf
• Dokument "IO-Link Wireless Flyer": https://io-link.com/share/Downloads/At-a-glance/IO-Link_Wireless_Flyer_eng_2018.pdf
• Webové stránky společnosti Coretigo o technologii IO-Link Wireless: https://www.coretigo.com/technology/
• Webové stránky společnosti Kunbus o technologii IO-Link Wireless: https://www.kunbus.com/io-link-wireless.html