IO-Link 1.0からIO-Link 1.1への移行
著者 Lisa Eitel(リサ・アイテル) 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 提供
2020-11-03
マルツ掲載日：2021-03-08
産業用I/Oで数十年にわたって広く使用されてきましたが、近年、IO-Linkの採用が劇的に増加しています。Digi-Keyの記事「IO-Link1.1とその用途」で説明されているように、国際電気標準会議IEC 61131-9オープン規格(IO-Link)は、オートメーションコンポーネントに使いやすい接続性を提供します。
これは、フィールドデバイス(またはセカンダリ)と呼ばれる小型のセンサやアクチュエータをIO-Linkコントローラハブ(またはプライマリ)に接続し、オートメーション設備の残りの部分に接続するシングルドロップデジタル通信インターフェース(SDCI)です。
IO-Linkの利点の1つは、これらの接続に一般的な非シールドケーブル(3～5本の導体ストランドで20mまでの長さ)を使用できることです。この記事では、バージョン1.1で新しい3つのIO-Linkの機能について、より詳しく説明します。
・IO-Link 1.1では、プラントの担当者がデバイスのパラメータを保存して再利用できるように、データのバックアップを行うことが可能
・IO-Link 1.1では、1ポートあたり32バイトまでのデータ幅を処理可能
・IO-Link 1.1では、IO-Link 1.1のプライマリから230.4kボーのデータレートを実現することが可能
図1：IO-Link通信により、R.A JONESは手順を介してパフォーマンスやメンテナンス、パラメータの変更などのためのセンサをより詳細に監視することができます。これは、イノベーションエンジニアマネージャーのNate Smith氏の考えです。実際、IO-Linkは、オートメーションにおけるフィールドデバイス(セカンダリ)との通信のための主要な産業用規格に急速になりつつあります。(画像提供：R.A JONES)
パラメータ割り当てサーバとしてのIO-Link 1.1
IO-Linkコンポーネントの制御統合は、各IO-Linkコンポーネントに関連付けられた標準化されたIOデバイス記述(IODD)ファイルを活用する構成ソフトウェアを介して行われます。
これらのIODDファイル(診断機能、HMIとGUIのディスプレイのシンボルをサポートするためにコンポーネントのモデル、動作範囲、データを格納)は.xmlファイルで、コンポーネントメーカーが自社のウェブサイトやioddfinder.io-link.comを介してIO-Link V1.0とV1.1をサポートするために提供されています。
IO-Link 1.1の新機能は、いくつかのIO-Link 1.1プライマリがIODDファイルと補完データをローカルに保存し、ネットワーク上の他のデバイスのためにパラメータ割り当てサーバ機能を提供する機能です。
この機能の前は(そしてレガシーIO-Link設備では)、新しいフィールドデバイスに交換する必要があるエンドユーザーは、最初にそのデバイスを構成しなければなりませんでした。構成は通常、PCのUSBポートに接続し、ソフトウェアを介して手動でセットアップを実行することで行われていました。
1.1のもう1つの利点は、エンドユーザーが(多くの場合)異なるメーカーの同等のIO-Linkエッジデバイスをホットスワップできるようになったことです。これにより、基本的に交換可能なデバイスの選択範囲が広がり、よりアクセスしやすくなります。これは、大量生産ラインで故障したセンサや破損したセンサを緊急に交換する際に特に役立ちます。
IO-Link 1.1通信速度の高速化
1.1で新たに追加されたもう1つのIO-Linkの機能はCOM3で、これはより高度なフィールドデバイスの機能をサポートするレートを持つ通信モードです。COM3 SDCI通信のデータレートは、最大230.4キロビット/秒(230.4kボー)と規定されています。
つまり、最新のIO-Linkイテレーション(1.1.3)は、IO-Linkの最後の懸念点として根強く残っていた、最新のオートメーションには速度が不十分であるという問題を解決するための改良が加えられています。
具体的には、1.1.3は、このテーマに関する以前のDigi-Keyの記事で説明した周期的に送信されるプロセスデータのリアルタイム通信をサポートするサイクルタイムを提供できます。場合によっては、1.1.3は、サブミリ秒のサイクルタイムも提供することができます。
リアルタイム帯域幅で送信されるプロセスデータ(キロバイト/秒)は、プライマリがデバイスからメッセージを要求するのにかかる時間、通信方向スイッチの遅延、フィールドデバイスが応答するのにかかる時間、および別の通信方向スイッチの遅延に依存します。
IO-Linkコンポーネントがどのようにこれらの通信を実行するかを理解するには、物理的なマイクロコントローラ回路(場合によってはスタンドアロンIC)の背景を知っておくと便利です。プライマリとそのセカンダリフィールドデバイス内には、ユニバーサル非同期レシーバトランスミッタ(UART)と呼ばれる回路があり、UARTはデータをパケットに束ねたり、フレーム化して送信します。
これらのフレームは11ビットの長さで、1ビットがスタートの通信に使用され、8ビット(IO-Linkの仕様書や公式文献ではオクテットとも呼ばれています)が実際のプロセスデータを送信するために使用され、さらに2ビットがパリティとストップの通信に使用されます。
図2：Maxim IntegratedのMAX14827AATG+は、IO-Linkデバイスに統合するための低電力デュアルドライバIO-Linkトランシーバです。3線式UARTインターフェースにより、マイクロコントローラUARTとのIO-Link接続が可能になり、多重化されたUART/SPIにより、1つのシリアルマイクロコントローラインターフェースを使用してUARTとSPI機能を共有することができます。(画像提供：Maxim Integrated)
2019年6月のIO-Link1.1.3仕様の表9によると、IO-Link COM3の配置では、各ビットを送信するのに4.34マイクロ秒かかります。この時間に加えて、プライマリとセカンダリの両方のパケット間の遅延(それぞれ最大4.34マイクロ秒とその3倍)と、通信方向スイッチ遅延(4.34マイクロ秒から43.0マイクロ秒)を加えると、ワーストケースのサブミリ秒のデータ伝送レートになり、これは要求の厳しい産業用アプリケーションにはまだかなり十分なレートです。
ワイルドカード(リアルタイム帯域幅に劇的な影響を与えます)は、IO-Linkネットワークで選択されるメッセージシーケンスタイプです。異なるシーケンスタイプは、さまざまな量の非周期的またはオンデマンドのデータ送信に対応します。
したがって、IO-Linkの配置のリアルタイム帯域幅を推定するためには、計算ではシステムメッセージングで許可されているプロセスデータと非周期データの両方を考慮しなければなりません。
いくつかのタイプでは、固定プロセスと非周期オンデマンドのオクテット値を定義していますが、他のタイプでは、サプライヤやユーザーがプロセスデータのオクテットを1から32の間に、非周期データのオクテットを1、2、8、32のいずれかに設定することを許可しています。手短に言えば、移動しなければならないデータ量が少ないシステムは、サイクルタイムが速くなります。
上記のすべての要素を分析すると、リアルタイムの帯域幅が得られます。これは、送信されたプロセスデータ(のみ)(キロビット)を計算された総サイクルタイム(キロビット/秒)で割ったもので定義されます。たとえば、非周期データオクテットが1つのみ(1·8)で32個のプロセスデータオクテット(32·8)の場合、サイクルタイムは数ミリ秒強で、帯域幅は100キロビット/秒を超えます。
すべての新しいIO-Link 1.1プライマリはCOM3をサポートし、このデータレートを利用するオートメーションコンポーネントは、その接続されたセカンダリが使用するレートに自動的に適応します。
実際、さまざまなサイクルタイムを持つフィールドデバイスを1つのプライマリで動作させて、さまざまな高度なレベルのセンサやアクチュエータを使用できるようにすることは一般的で、インクリメンタル設計のアップグレードも可能です。
COM3の230.4kボーのデータレートを使用するアクチュエータ(通常は、この記事の次のセクションで説明するクラスBポート配置)には、流体動力のほか、空気圧バルブ、リニアシリンダ、マニホールドなどの電気機械コンポーネントや、ステップモータをベースとした小型のフィールドデバイスが含まれます。
COM3を最も一般的に使用するセンサには、位置センサ、変位センサ、色センサ、温度センサ、圧力センサなどがありますが、これらはすべてプロセス制御で最も一般的なものです。一部のメカニカルスイッチもまた、このCOM3通信モードを利用しています。
図3：PanasonicのインテリジェントHG-C1000Lシリーズ センサは、IO-LinkのCOM3接続を使用して、リモートモニタリングと予防保全ルーチンをサポートします。オンボードのセンサロジックは、正常、エラー、注意、アラーム状態を検出することができます。これらのセンサはまた、保証されている場合に迅速かつ遠隔的にセンサの設定および動作を再構成するための手段を提供します。(画像提供：Panasonic Industrial Automation Sales)
IO-Link 1.1の物理的接続(データポートを含む)
1ポートあたり32バイトまで処理できるIO-Linkのデータ幅について考えてみましょう。IO-Linkプライマリのすべてのアクティブ化されたポートは、デジタル出力と入力を処理するように設定されているか、半二重モードでUARTを使用してIO-Linkポイントとして動作します(したがって、データのビットはシングルビットシーケンスで送受信されます)。
一般的な4ポートや8ポートのIO-Linkプライマリは、複数のフィールドデバイスに直接接続したり、中間ハブとして機能したりする場合があり、伝送幅はこのプライマリに依存します。一般的なIO-Linkフィールドデバイスへの接続には、供給導体(L+とM)、C/Q1導体があり、後者はプロセスデータやパラメータ化、構成、診断のためのデータを送信します。
図4：IO-Linkを備えたSICK圧力センサのようなインテリジェントセンサ(4ピンや5ピンのM12を介して接続可能)は、手動での再プログラミングに伴うダウンタイムやエラーを回避することができます。これは機械のPLCを介してパラメトリックな編集と再構成が可能であるためです。IO-LinkコネクタのL+とM、C/Q1接続に注目してください。(画像提供：SICK)
ここで少し複雑なのは、IO-Link仕様がプライマリとセカンダリでクラスAとクラスBの両方のポートを許可していることです。IEC 60947-5-2で定義されているクラスAポートは、IEC 61076-2-101で定義されているAコードのM12コネクタと混同してはいけません。
IO-LinkのコンテキストでのユビキタスM12コネクタの詳細は、Digi-Keyの記事「IO-Linkの基礎とその使用方法：産業用IoTの実現」をご覧ください。手短に言えば、IO-Linkコネクタのピン2と5が使用されることがあります(使用方法はさまざまです)が、ピン1、3、4は常に使用されます(使用方法はピン4のみ異なります)。
クラスAの配置(4ピンのM5、M8、M12コネクタをベースにしています)は、より多くのI/Oバリエーションとアクチュエータを駆動するための高電流出力も実現します。対照的に、クラスBの配置は常に5ピンM12接続です。
クラスに関係なく、メスコネクタレセプタクルはプライマリフィールドデバイスに配置され、オスコネクタピンはセカンダリフィールドデバイスに配置されます。
データ処理での1ポートあたり32バイトは、最先端のIO-Link接続センサやアクチュエータに使用される最大値にすぎません。そして実際には、スイッチのような非常にシンプルなIO-Linkセカンダリのデータ幅は、わずか1ビットの可能性があります。
設定されたデータ幅がアプリケーションにとって不十分な場合、いくつかのIO-Linkプライマリは、プロセスデータを分割して送信することができます。IO-Linkの他のデータ容量拡張スキームには、双方向のIO-Linkとスイッチング通信のためのピン4導体の複数の使用や、ピン4 IO-Linkデータと並行して実行されるデュアルチャンネルのデータ送信が含まれています。
後者の場合、ピン2導体は、デバイス固有のI/Oやスイッチング信号(多くの場合状態監視に関連していますが、常にそうであるとは限りません)を伝送でき、IO-Linkチャンネルを解放して相補的な信号を伝送できます。このようなIO-Linkデュアルチャンネルデータ送信は、リモートPLCに関連する遅延(サイクルタイムを含む)なしにリアルタイム通信を可能にし、機械やデバイスの状態の迅速な分析と応答を必要とするアプリケーションをサポートします。
まとめ
バージョン1.1に新しく追加された3つのIO-Link機能には、データのバックアップ(デバイスパラメータの保存と再利用のため)、1ポートあたり32バイトまでのデータ幅を処理する機能、プライマリからの230.4kボーのデータ伝送レートが含まれています。これらの機能は、産業用オートメーションのためのIO-Link 1.1の採用を加速させています。
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