IO-Linkを利用してインダストリ4.0工場の柔軟性、可用性、効率を向上
著者 Jeff Shepard(ジェフ・シェパード) 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 提供
2023-07-11
マルツ掲載日：2023-10-16
インダストリ4.0の特徴であるデータ収集と分析をサポートするには、デジタルセンサ、アクチュエータ、インジケータ、その他のデバイスの追加、削除、再プログラミングを含むラインやプロセスの変更が頻繁に必要になります。
これは、さまざまな特性を持つレガシーのオートメーションネットワークプロトコル全体で効率的に実装することが困難な場合があります。インダストリ4.0の設備には、設置されたネットワークと、増え続けるローカライズされたセンサ、アクチュエータ、インジケータとの間に、もう1つのレイヤのコネクティビティと柔軟性が必要です。
これらの課題に対処するため、IO-Linkは、センサ、アクチュエータ、インジケータなどのデバイスからの信号を、Ethernet IP、Modbus TCP/IP、PROFINETなどの上位ネットワークに接続し、そこからプログラマブルロジックコントローラ(PLC)、ヒューマンマシンインタフェース(HMI)デバイス、監視制御とデータ取得(SCADA)システム、クラウドに接続できるオープン規格として開発されました。
IO-Linkシリアルコネクティビティは、IEC60974-5-2で定義された単純な非シールドの3線または5線標準ケーブルで、IEC61131-9として標準化されています。オートメーションシステムの設計者は、IO-Linkがインダストリ4.0の工場に必要なコネクテッドデバイスの迅速な展開とリモート設定、監視、診断のサポートに特に適していることに気づくでしょう。
この記事では、IO-Linkの機能と利点をレビューし、インダストリ4.0をサポートするセンサ、アクチュエータ、インジケータのローカルネットワークを構築するためのさまざまなタイプのIO-Linkデバイスの使用など、IO-Linkネットワークの構造と操作について見ていきます。
設計者がインダストリ4.0のエッジデバイスを効率的に大量導入するために使用できる、 Banner Engineering のIO-Linkマスター、ハブ、データコンバータデバイスの実例を紹介します。
IO-Linkの適合箇所
IO-Linkは、分散したセンサ、アクチュエータ、インジケータからデータを取得し、データをIO-Linkフォーマットに変換するコンバータに接続し、Ethernet、Modbus、PROFINETなどの上位レベルの工場ネットワークに接続するために、必要に応じてIO-Linkハブまたはマスターデバイスにデータを分配する下位レベルのネットワークを提供します(図1)。
図1：IO-Linkは、レガシーおよびその他のセンサ、アクチュエータ、デバイス(左)と、既存のSCADA、HMI、クラウド(右)をインダストリ4.0ネットワークで接続するための完全なソリューションを提供します。(画像提供：Banner Engineering)
IO-Linkの主な特徴は、以下の通りです。
・オープン規格
・ローカルデバイスの迅速な統合、設定、試運転をサポートし、技術者による実践的なサポートの必要性を最小限に抑えながら、切り替えを迅速化し、柔軟性を向上させます。
・既存のオートメーションネットワークとの互換性
・通信効率を最大化するための同期または非同期可能な堅牢な双方向通信
・デバイスレベルまでの遠隔診断サポート
・センサおよびアクチュエータ用パラメータの動的変更によるプロセス最適化の促進機能
・統合されたデバイス識別と自動パラメータ再割り当てによる可用性の最大化
IO-Linkデバイスの接続方法
IO-Linkネットワークのデバイスは、最長20mまでの3芯または5芯のシールドなしケーブルで接続されます。IEC60947-5-2はマスターとデバイスのピン割り当てを定義しています。オスコネクタはデバイスに割り当てられ、メスコネクタはマスターに使用されます。コネクタはM5、M8、またはM12で、最大5ピンです。
マスターでは、最大200mAの直流24VDCがピン1と3の間に供給され、デバイスのオプション電源として機能します。ピン4は、IEC61131-2に基づきデジタル入力(DI)またはデジタル出力(DO)として定義され、IEC60947-5-2に基づきレガシーデバイスとの下位互換性をサポートします。
マスターポートのクラスにはAとBがあります。クラスAポートでは、ピン2とピン5は接続されていません(NC)。クラスBポートでは、これらのピンは、接続されていません(NC)がDI、DOとして定義されているか、または追加の電源として構成することができます。ほとんどの産業用設備では、M12クイックディスコネクトコネクタが使用されています。IEC60974-5で定義されているピン配置の概要を以下の図2に示します。
・ピン1：+24VDC、最大200m(L+)
・ピン2：デジタルI/O(PNPのみ)
・ピン3：0ボルト(L-)
・ピン4：デジタルI/O(NPN、PNP、プッシュプル)およびIO-Link通信
・ピン5：センターピンNC(オプション)
図2：IO-Linkは、センサやアクチュエータのようなエッジデバイスに電源とデータコネクティビティを提供するシンプルなソリューションです。(画像提供：Banner Engineering)
IO-Linkである理由
IO-Linkは、標準化され、信頼性が高く、低コストの配線で、デバイスの設置や交換を簡単に行うことができ、インダストリ4.0ネットワークの大幅な性能向上に貢献しています。さらに、独立したセンサの既存ネットワークへの統合を簡素化するよう設計されています。IO-Linkの利点は以下の通りです。
データの可用性は、IO-Linkを使用して、独立したデバイスやオートメーションの島を統合ネットワークに接続することで可能になります。センサレベルのデータは常に入手できるとは限らず、取得するのも容易ではありません。IO-Linkを使えば、データの取得が簡単になり、リアルタイムで利用できるようになるので、プロセスを最適化し、機械やセンサのプロアクティブ保全をサポートすることができます。
IO-Linkは3つの主要なデータタイプをサポートしており、定期的なスケジュールで自動的に送信される周期的データと、要求時または必要に応じて送信される非周期的データに分類することができます。
プロセスデータ
これは、デバイスがマスターに送信するセンサの読み取り値のような情報、およびタワー型照明器具の特定のセグメントを点灯するようなデバイスの動作を制御するためのマスターからの情報を指します。プロセスデータには、周期的なものと非周期的なものがあります。
サービスデータ
これはデバイスに関する情報を含み、デバイスデータと呼ばれることもあります。サービスデータには、デバイスのパラメータ値、デバイスの説明、モデルおよびシリアル番号が含まれます。これは非周期的で、必要に応じてデバイスから読み出したり、デバイスに書き込んだりすることができます。
イベントデータ
これにはエラー処理が含まれ、パラメータ設定が超過しているなどのエラーメッセージや、画像センサのレンズが汚れているなどのメンテナンス警告が含まれます。トリガとなるイベントが発生するたびに、非周期的に送信されます。
リモート設定により、ネットワークオペレータや技術者は、個々のデバイスに物理的に出向くことなく、ソフトウェア制御によってデバイスのパラメータを読み取り、変更することができます。センサパラメータは必要に応じて動的に変更することができ、既存のプロセスを改良し、製品やプロセスの変更を短縮し、マスカスタマイゼーションをサポートし、機械やラインのダウンタイムを最小限に抑えることができます。
リモートでデバイスを設定できるため、デバイス交換の簡素化 が可能となります。IO-Linkの自動デバイス交換(ADR)機能は、交換されたデバイスの自動パラメータ調整や再割り当てを行います。ADRを使用すれば、ネットワークオペレータは、既存のパラメータ値を交換デバイスにインポートしたり、必要に応じてパラメータを更新したりすることができ、迅速かつ正確なネットワークの修正と保守を行うことができます。
拡張診断は、IO-Linkの周期的および非周期的通信機能を利用して、ネットワークオペレータに工場内の各デバイスの動作状態に関する広範な情報を提供します。デバイスの動作を遠隔で診断できるため、劣化しているデバイスや仕様外の動作をしているデバイスの特定を迅速に行うことができます。これにより、メンテナンスやデバイス交換のスケジュールをより効率的に立てることができます。
標準化されたシンプルな配線は、IO-Linkの重要な特徴です。他のネットワークプロトコルとは異なり、IO-Linkデバイス、コンバータ、ハブ、マスタはすべて、シンプルで低コストのシールドなしケーブルとクイックディスコネクトコネクタを使って接続されます。IO-Linkのマスタースレーブアーキテクチャは、配線の要件をさらに簡素化し、ネットワーク構成の懸念を排除します。
はじめにIO-Linkマスター/コントローラ
IO-Linkの使用を追加または拡張するオートメーションシステムの設計者は、Banner EngineeringのDXMR90-4KのようなIO-Linkマスター(またはコントローラ)を選択することから始めることができます。このコントローラは、複数のソースからのデータを統合し、ローカルでデータ処理を行い、上位ネットワークへの接続を可能にします(図3)。
図3：DXMR90-4K IO-Linkマスタデバイスは、4つのローカルソースからのデータを結合し、上位レベルのネットワークに接続できます。(画像提供：Banner Engineering)
DXMR90-4Kの4ポートは、最大4台のIO-Linkデバイスとの同時通信をサポートします。データ収集、エッジ処理、産業用EthernetやModbus/TCPへの接続のためのプロトコル変換をサポートし、ウェブサーバへのデータ転送も可能です。DXMR90-4Kのその他の特徴は以下の通りです。
・コンパクトで軽量な筐体により、省スペース化と配備の簡素化を実現
・IP67準拠のため、制御盤を別途設置する必要がなく、設置コストの削減に貢献
・ロボットのようなアプリケーションでは特に重要な、ケーブル配線の複雑さと重量を最小限に抑える統合ケーブル配線が可能
・アクションルールとScriptBasicプログラミングを使用した拡張内部論理コントローラによる柔軟性の高いサポート
よりシンプルなインストールには、Modbus接続用の2ポートIO-Link Master R45C-2K-MQのようなデバイスを利用できます。
IO-Linkハブ
多数のセンサやアクチュエータを1つのIOマスタに接続する必要がある場合、設計者はIO-Linkハブを使用してセンサやアクチュエータの信号を集約し、1本のケーブルでIO-Linkマスタに送信することができます。例えば、R90C-4B21-KQは、4つの入力ポートを備え、標準のM12コネクタを使用してマスターに接続します(図4)。
これは小型なバイモーダル(PNPまたはNPN)から IO-Linkデバイスへのコンバータで、ディスクリート入力を接続し、その値をIO-Linkマスターに送信します。特長は以下の通りです。
・ON/OFFディレイ、ON/OFF/リトリガブルワンショット、ON/OFF、パルスストレッチャー、トータライザーを含むディレイモード
・測定指標には、カウント、1分あたりのイベント数、期間が含まれます。
・ディスクリートミラーリングにより、4つのポートのいずれかに信号(入出力)をミラーリング可能
・ディスクリートI/Oは、NPNまたはPNPとして個別に設定可能
・堅牢なオーバーモールドIP68適合設計
図4：R90C-4B21-KQハブは4台のデバイスの通信を統合し、IO-Linkマスターデバイスと接続できます。(画像提供：Banner Engineering)
IO-Link信号コンバータ
IO-Linkネットワークでは、ディスクリートPNPまたはNPN信号、アナログ0～10VDC信号、電流トランスデューサなど、さまざまな信号タイプを使用するセンサやその他のデバイスを接続するために、さまざまなタイプのコンバータが利用できます。IO-Link信号コンバータの例としては、以下のようなものがあります。
・R45C-K-IIQ IO-Link - アナログ電流入出力コンバータ(図5)
・アナログ電圧入出力用R45C-K-UUQ コンバータ
・アナログ電流出力用R45C-K-IQ コンバータ
・アナログ電圧出力用R45C-K-UQ コンバータ
図5：R45C-K-IIQ IO-Linkコンバータは、アナログ入出力を使ってマスターデバイスとローカルデバイスを接続できます。(画像提供：Banner Engineering)
IO-Linkインラインコンバータもあり、単三電池1本分の大きさです。これらのコンバータはさまざまな信号タイプを扱い、IO-Link、Modbus、その他のプロトコルに変換することができます。例えば、S15C-I-KQは、アナログ電流をIO-Linkに変換するコンバータで、4～20mAの電流源に接続し、その値をIO-Linkマスターに出力します。
これらのコンバータは小型であるため、プロセスや環境モニタリング用の標準プロトコルを備えたネットワークにレガシーセンサを追加するのが簡単です。そのIP68等級は、産業環境での幅広い展開を可能にします。
まとめ
IO-Linkは、レガシーデバイスやその他のエッジデバイスをメインのEthernet IP、Modbus TCP/IP、またはPROFINETネットワークに接続することで、インダストリ4.0工場のパフォーマンスの最適化に必要なデータを収集するためのコネクティビティを提供します。
IEC 60974-5-2で定義されたシンプルな非シールド3線や5線の標準ケーブルとIEC 61131-9で標準化されたコネクティビティを使用して、高レベルのデータ可用性、拡張診断、リモート設定機能、および簡素化されたデバイス交換をサポートし、プロセスおよびラインの変更を短縮します。
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