Jste zde

IO-Link over SPE - dál, rychleji a i sběrnicově

Antonín Vojáček, 27. Červen 2021 - 21:05

Populární komunikační standard IO-Link se rozšiřuje na přenos po Ethernetu, přesněji řečeno jeho nově vzniklé dvoudrátové variantě Single-Pair Ethernet (SPE). Jaké možnosti a výhody to přinese?

Protokol IO-Link se neustále vyvíjí a snaží přizpůsobit novým požadavkům průmyslové automatizace. Po vzniku bezdrátové přenosové varianty IO-Link Wireless (viz článek Bezdrátová komunikace IO-Link Wireless) a provedení definujícím použití i pro bezpečnostní aplikace IO-Link Safety (viz článek IO-Link Safety komunikace pro bezpečnostní senzory a prvky) se aktuálně připravuje i varianta umožňující přenos po dvoudrátovém Ethernetu označovaná jako SPE (Single-Pair Ethernet). Proč vlastně je tato budoucí varianta perspektivní a jaké možnosti přináší?

Proč implementovat IO-Link na SPE?

IO-Link patří mezi jeden z aktuálně nejrozšířenějších průmyslových standardů pro komunikaci se senzory a jednoduchými akčními prvky na tzv. posledních připojovacích metrech. Obvykle se využívá mezi samotnými senzory nebo spínanými ventily a nejbližší lokální distribuovanou řídicí jednotkou, která je napojena na hlavní řízení přes nějakou sofistikovanější průmyslovou sběrnici. Využívá se zde faktu, že jednoduchost IO-Link umožňuje poměrně snadnou integraci i do malých procesorů a softwarů jednotlivých malých "Smart" digitálních jednotek. Vyšší průmyslové sběrnice již obvykle vyžadují výkonnější hardwarové a softwarové prostředky, které by jinak levné průmyslové komponenty typu jednotlivých indukčních či optických senzorů výrazně prodražily, v mnoha případech i zvětšily jejich rozměry, což jistě není žádoucí. Nicméně dnes se již u mnoha aplikací naráží u IO-Link na některá nežádoucí omezení, zejména omezené připojovací vzdálenosti. To by pak mělo vyřešit připravované standardizované IO-Link rozšíření o využití SPE komunikace.

Základní topologie standardní komunikace IO-Link.

Jak je patrné z popisu SPE (Single-Pair Ethernet) specifikace v článku "SPE jako budoucnost průmyslové komunikace", fyzická vrstva 10Base-T1L poskytuje funkce, které jsou srovnatelné nebo překračující funkčnost stávající standardní fyzické vrstvy IO-Link. Mezi oblasti funkčního překrývání patří: jednoduchá kabeláž, napájení a dodávka dat přes stejný kabel, topologie typu hvězda, řízení výkonu zařízení z jednoho centrálního umístění, komunikace typu point-to-point. Díky tomuto funkčnímu překrytí je možné si představit systém, kde je fyzická vrstva IO-Link nahrazena SPE 10Base-T1L, při zachování funkčnosti a implementace základních technologií IO-Link, jako jsou komunikační kanály.

Nicméně při použití SPE s rozhraním s 10Base-T1S nebo APL, lze v IO-Link komunikaci realizovat i to, co nikdy doposud neměla a co jí v mnoha aplikacích může dost limitovat: liniovou - sběrnicovou topologii i použití v jiskrově nebezpečném prostředí.

Nové možnosti komunikace při použití technologie IO-Link over SPE.

Možné topologie komunikace IO-Link over SPE

Čistě jen změnou fyzické vrstvy standardního IO-Link protokolu na SPE může topologie propojení zůstat beze změny. Komunikační dosah zařízení s IO-Link over SPE rozhraním typu 10Base-T1L se však rozšiřuje až na 1000 metrů. V tomto stávající standardní IO-Link systém doplní použitím I/O modulů / rozbočovačů s IO-Link over SPE rozhraním. Další možností je použití převodníků z IO-Link over SPE na standardní kabeláž IO-Link, která by umožňovala použití standardních IO-Link zařízení připojených k IO-Link over SPE Master jednotce.

Možnosti použít SPE přenos pro prodloužení IO-Link komunikace až na 1000 m (ze standardních 20 m).

Mimo uvedené "jen prodloužení" IO-Link komunikace však SPE s 10Base-T1S rozhraním umožňuje i u IO-Link realizovat plně sběrnicovou komunikaci typu multi-drop nebo případně kaskádovou topologii. V prvním případě jsou Device jednotky připojeny na společnou sběrnici přes jeden port, podobně jako například u sběrnice RS-485, a každá z nich musí mít pro rozlišení vlastní nezaměnitelnou rozlišovací adresu (identifikátor). Master jednotka pak může kdykoliv libovolně adresovat každou z nich. V kaskádové topologii pak má každé zařízení dva ethernetové konektory a zařízení jsou navzájem propojena v sérii do "vláčku". Všechny ethernetové rámce v takové síti procházejí každým zařízením a jsou interpretovány každým zařízením (například podobně jako v CAN sběrnici). Zde pak nemusí mít Device jednotky nutně adresy, ale jen přesně definovanou dobu komunikace (časový slot).

Technologie IO-Link over SPE umožňuje i realizovat sběrnicovou kaskádní či multi-drop komunikaci mnoha Device jednotek na jednom Master portu.

Nakonec je tu ještě možnost rozšíření IO-Link s využitím SPE rozhraní typu APL (Advanced Physical Layer) místo 10Base-T1L. Díky tomu by bylo možné použít IO-Link komunikaci v oblastech s nebezpečím výbuchu, zatímco všechny funkce topologie standardu IO-Link i systému IO-Link over SPE zůstanou zachovány. Definice rozhraní typu APL umožňuje použití v aplikacích pro jiskrovou bezpečnost od Ex Zone 2 až po 0.

Možnost použít SPE fyzické rozhraní APL pro použití IO-Link komunikace i v aplikacích výbušného ATEX prostředí.

IO-Link integrace do SPE

K existujícím implementacím IO-Link Master a Device stacku bude nová fyzická / linková SPE vrstva primárně poskytovat funkce, které jsou do značné míry totožné se standardní fyzickou IO-Link vrstvou a bude zahrnovat stávající IO-Link funkce: ovládání napájení zařízení, zjištění připojení/odpojení zařízení nebo přenos IO-Link rámců mezi hlavní Master jednotkou a Device zařízeními.

V případě protokolu IO-Link over SPE se nahradí fyzická vrstva klasické IO-Link komunikace fyzickou a linkovou vrstvou SPE (Ethernetem).

Ethernetový rámec, kde do sekce užitečných dat lze vložit a přenášet IO-Link protokol v nezměněné podobě.

Všechny SPE ethernetové rámce se vyznačují 6-bajtovou zdrojovou a cílovou adresou, identifikací EtherType a 4-bajtovým kontrolním součtem. Pole "EtherType" je v ethernetovém rámci pole se dvěma oktety (2 bajty) používané k definování vyšších komunikačních protokolů zapouzdřené ethernetovým rámcem. Některé ze známých hodnot pro průmyslový Ethernet jsou například: 0x0800 pro IPv4, 0x8892 pro Profinet, nebo 0x88A4 pro EtherCAT.

Integrace IO-Link s Ethernetem souvisí se založením nového čísla "EtherType", které bude přiděleno speciálně pro použití komunity IO-Link a umožní tak integraci IO-Link stacku přímo do ethernetového paketu. Tento přístup poskytuje mnohem jednodušší implementaci než tradiční implementace ethernetových sběrnic, které se při komunikaci spoléhají na sadu internetového protokolu (TCP / IP, UDP / IP atd.). Lze jej tak implementovat do mikrokontrolérů s velmi malou pamětí a výpočetním výkonem, což je právě oblast levných senzorů a jednoduchých akčních prvků aktuálně využívající IO-Link. Při použití tohoto návrhového přístupu je kompletně nově nahrazena pouze fyzická vrstva standardního IO-Link protokolu. Zbytek implementace IO-Linku na vyšších vrstvách modelu se tak měnit již nemusí. Nicméně k zajištění přechodu na nový SPE přenos je nutná doplňující softwarová "výbava" označená jako "Ethernet-to-IO-Link Adapter". Tento vrstva vložená mezi IO-Link stack a ethernetovou linkovou vrstvu je určena k poskytování funkcí, které jsou aktuálně k dispozici ve standardní IO-Link fyzické vrstvě. Umožňuje se vyhnout změnám v IO-Link stacku Master i Device jednotek.

Pro navázání standardního IO-Link stacku na SPE fyzickou - linkovou vrstvu je nutné přidat přizpůsobující vrstvu "Ethernet-to-IO-Link Adapter".

IO-Link rámec v SPE

Aby to vyhovovalo standardní IO-Link specifikaci, musí existovat vzájemná korespondence mezi rámci IO-Linku a SPE (Ethernetu). IO-Link zapouzdření přenášené v užitečných datech ethernetového rámce (payload data), se skládá z hlavičky (Header) s pevnou délkou, která popisuje IO-Link rámec (IO-Link Frame), který se pak přenáší hned za ní. Ten lze tak přenášet zcela nepozměněný, bez jakýchkoli úprav jeho aktuální standardní podoby. Pokud mají výsledná zapouzdřená data menší velikost než minimální množství payload dat Ethernet sítě, může vrstva "Ethernet-to-IO-Link" adaptéru odpovídajícím způsobem k datům přidat výplň.

IO-Link rámec vložený do užitečných dat (payload data) ethernetového rámce se skládá z hlavičky (Header) a samotných dat IO-Link stacku.

Možnosti adresování Device jednotek

Základní point-to-point komunikace

Aktuální standardní IO-Link protokol je typu point-to-point. Adresy zařízení nejsou v rámci protokolu výslovně specifikovány. Zařízení však lze stále adresovat přímo z řídicího systému pomocí jedinečného Master identifikátoru a čísla fyzického portu, ke kterému je zařízení připojeno. Toto uspořádání sice umožňuje řídicímu systému identifikovat konkrétní IO-Link zařízení, ale je pouze jedno zařízení na jednom připojovacím portu. S větší celkovou datovou kapacitou ethernetového rámce (až 1 500 bytů) je možné využít tuto dodatečnou kapacitu k zavedení sekundárního adresování zařízení. To umožňuje adresování více zařízením připojeným současně na jeden IO-Link port. Zde je třeba však zopakovat, že zavedení jakéhokoli nového schématu adresování způsobí významné změny v návrhu IO-Link systému a stávajících mapování IO-Link na vyšší průmyslovou sběrnici. Adresy sekundárních zařízení lze přidat do hlavičky IO-Link over SPE rámce před užitečnou payload datovou částí.

Hlavička popisuje strukturu vložené IO-Link komunikace - jejího IO-Link stacku - zde v případě realizace jen klasické poin-to-point komunikace, kde na jednom portu Master jednotky je připojena jen jedna Device jednotka.

Přímé adresování Device jednotek na sběrnici

Jedním ze způsobů možné implementace sekundárního adresování je zavedení pojmu virtuální port. Virtuální port je jedinečná adresa používaná k rozlišení více zařízení, která jsou připojena k jednomu fyzickému portu na hlavní Master jednotce.

Příklad přímého adresování zařízení lze vidět v multi-drop topologii 10Base-T1S. Více zařízení sdílí stejné fyzické připojení k Master portu přes stejný kabel. Když řídicí systém potřebuje identifikovat konkrétní zařízení, může jej odlišit pomocí jedinečného hlavního identifikátoru, čísla fyzického Master portu a identifikátoru virtuálního portu zařízení. Je třeba poznamenat, že v případě přímého adresování zařízení opět existuje vzájemná korespondence mezi IO-Link rámcem a SPE ethernetovým rámcem, protože jeden ethernetový rámec zapouzdřuje opět jen jeden IO-Link rámec.

Multiple Device adresování jednotek na sběrnici

Další možností je využít tzv. Multiple Device agregaci. Zde IO-Link zařízení nejsou připojena přímo k Master portu, ale místo toho se mezi IO-Link Master jednotku připojenou k průmyslové sběrnici a IO-Link Device jednotku umístí prostřední komponenta infrastruktury - zvaná „agregátor“. Agregátor neběží z pohledu komunikace jako IO-Link Master jednotka. Komunikace s Device jednotkami však může využívat standard IO-Link, nebo IO-Link over SPE / APL. Agregátor kombinuje rámce IO-Link, které přijímá ze zařízení, do jednoho ethernetového rámce a odesílá tento rámec do hlavní jednotky. Po přijetí tohoto složeného rámce jej agregátor rozdělí na jednotlivé rámce IO-Link a odešle je do příslušného zařízení. Každý ethernetový rámec odeslaný mezi hlavní jednotkou a agregátorem obsahuje IO-Link rámce pro všechna zařízení připojená k agregátoru. Agregátor poskytuje cestu směrování mezi hlavní jednotkou a zařízeními a může nebo nemusí tyto rámce interpretovat. Proto agregátor bude založen na částečné funkčnosti zásobníku IO-Link Master. K adresování zařízení IO-Link připojených k agregátoru lze použít jak číslo virtuálního portu ze systému přímého adresování nebo agregační čísla fyzických portů.

Adresování jednotek v kaskádové topologii

V případě kaskádové topologie pak má každé zařízení dva ethernetové konektory a zařízení jsou navzájem za sebou propojena do jednoho "vláčku". Všechny ethernetové rámce v takové síti procházejí každým zařízením a jsou interpretovány každým zařízením. Před zahájením operace Master jednotka "objeví" a spočítá všechna zařízení v řetězci. Během tohoto procesu zjišťování se každé zařízení také naučí svou pozici v řetězci. To umožňuje hlavní jednotce předem přidělit místo pro IO-Link rámce každé Device jednotky v ethernetovém rámci. Tuto techniku lze chápat jako určitou formu Time Division multiplexu, kdy každé zařízení získá známý a předem přidělený časový úsek přenosu, což má za následek vysoký stupeň determinismu. V této topologii se nepoužívá žádné explicitní adresování zařízení. Adresování je implicitní a zařízení jsou v tomto případě "adresována" umístěním IO-Link rámce v SPE rámci: první IO-Link rámec je míněn pro první zařízení v řetězci, nejblíže k Master jednotce, druhý IO-Link rámec pro druhé zařízení atd., a poslední IO-Link rámec SPE rámci pro poslední Device jednotku. Zde opět samotný IO-Link rámec Device jednotky zůstává nezměněn, ale liší se jen jejich pozice/přenos v ethernetovém rámci.

Provedení hlavičky IO-Link over SPE v případě realizace sběrnicové topologie.

Řízení napájení u IO-Link over SPE

Řízení výkonu zařízení se provádí na vyžádání stacku IO-Link Master jednotky. "Ethernet-to-IO-Link" adaptér poskytuje nezbytné rozhraní mezi nízkoúrovňovým rozhraním řízení napájení Masteru a funkcemi SPE PoDL, které řídí napájení do ethernetového portu. Probuzení zařízení má formu zjišťování zařízení. Provádí se ve vrstvě "Ethernet-to-IO-Link" adaptéru a může se skládat z počáteční výměny zpráv a ověření mezi Master a Device jednotkou po spuštění jednotky. Po zapnutí a probuzení / zjišťování pak vrstva "Ethernet-to-IO-Link" adaptéru hlásí přítomnost komunikačního spojení do IO-Link stacku. Dále je možné postupovat podle pravidel uvedených ve specifikacích IO-Link protokolu.

Aplikační výhody zavedení IO-Link over SPE

Stávající maximální velikost IO-Link rámce je vynikajícím kompromisem mezi potřebami malých zařízení a požadovanou dobou cyklu procesních dat. S rychlejší fyzickou vrstvou, jakou je SPE, je možné zvětšit velikost IO-Link rámce a také zvětšit velikost procesních dat, aniž by to nepříznivě ovlivnilo dobu cyklu. To umožní přizpůsobení zařízení, která mají vyšší požadavky na šířku pásma procesních dat, jako jsou RFID nebo čtečky čárových kódů, pro použití IO-Linku. Vyšší šířka pásma také významně zrychlí některé základní funkce.

V dopravníkových aplikacích jsou obvykle vyžadovány delší vzdálenosti než 20 metrů. To lze vyřešit použitím převaděče IO-Link standardu na IO-Link over SPE nebo pomocí kaskádové topologie. Typickými aplikacemi jsou pásové dopravníky, např. v závodech na výrobu cementu nebo ve skladovacích a distribučních uzlech.

Hlavní vlastnosti a výhody technologie IO-Link over SPE:

Dosah: délka kabelu až 1 000 metrů
Rychlost: více než 20x rychlejší než COM2 (200x rychlejší se 100 Mbit ethernetem)
Aplikace:
- potenciální podpora pro aplikace regulačních smyček,
- jiskrově bezpečné aplikace s APL.
Kompatibilita: jednoduchost integrace IO-Link a stávající nástroje se nezmění
Škálovatelnost: možnost rozšíření topologie
Možnost realizace sběrnicové topologie více Device jednotek na jednom Master portu

Všechny aspekty datového modelu IO-Link zůstávají zachovány, což zajišťuje snadnou a bezproblémovou integraci se stávajícími nástroji a automatizačními systémy, a zároveň otevírá dveře široké škále nových aplikací.

Parametry jednotlivých variant fyzické vrstvy SPE využitelné pro IO-Link.

Budoucnost

"IO-Link over SPE" standardizace ještě není finálně dokončena, nicméně výše uvedené informace již byly vydány ve studii IO-Link komunity jako návrh možných řešení a teď probíhá diskuze s výrobci a aplikačními společnostmi průmyslových systémů na finálním provedení rozšíření IO-Link standardu. Předpoklad standardizace je v druhé polovině či ke konci tohoto roku.