IO‑Link:産業オートメーションのボトルネックを克服

インダストリー 4.0 は、高レベルの自動化と、コントローラーとフィールド デバイス間のリアルタイムの双方向データ フローに依存しています。スマート センサーとアクチュエーターは現在どこにでも普及しており、これらのデバイスが産業オートメーション システム内で通信するための標準化された方法である IO‑Link プロトコルが誕生しました。

これまで、フィールド デバイスは並列に配線されており、柔軟性に欠け、コストがかかり、拡張が困難なセットアップでした。フィールドバス技術により状況は改善されましたが、それでもシールドが必要であり、信号レベルが低くなってしまいました。 IO‑Link は、既存のフィールドバス ネットワークとシームレスに統合する、シンプルでシールドのないポイントツーポイント インターフェイスを提供することで、これらの問題点を解消します。

Future Market Insights によると、世界の IO-Link 市場は 2022 年の 483 億ドルから 2032 年までに 731 億ドルに成長し、年間平均成長率 26% を記録すると予測されています。

IO‑Link とは何ですか?

IO‑Link コンソーシアムによって 2006 年に発表された IO‑Link は、産業環境における I/O 通信のための IEC‑61131‑9 国際標準です。主な機能は次のとおりです。

• 双方向、デジタル、ポイントツーポイント通信。シングルドロップ通信インターフェイス（SDCI）とも呼ばれます。
• フィールドバスの中立性:IO‑Link マスターは Profibus、Profinet、Devicenet、Ethernet/IP、EtherCAT、CC‑Link、または CC‑LinkIE の上に配置できるため、設計者はプラントに最適なバックボーンを自由に選択できます。
• 長さ 20m までの標準のシールドなしケーブル（3 線、4 線、または 5 線）、24 V で動作し、スイッチング信号または符号化信号を伝送します。
• 各デバイスは、通信プロファイルと構成可能なパラメータを保存する一意の IO-Device description (IODD) によって識別されます。
• サポートされるボーレートは 4.8、38.4、230.4kbaud です。

図 1:一般的な 3 ピン IO-Link ピン構成 (出典:Sonu Daryanani)。

• プロセス値やステータス フラグを含む定期的またはイベント駆動型のデータは、マスターでいつでもクエリできます。

IO-Link の利点

その利点を説明するために、油圧シリンダー システムと梱包ラインという 2 つの現実世界のアプリケーションを考えてみましょう。

1.油圧シリンダ制御

図 2:IO‑Link を使用した油圧シリンダ制御 (出典:BalluffInc.)。 IO‑Link は、Balluff の構成可能なアナログ コンバータを介して、温度、流量、その他のアナログ信号の正確な測定と調整を可能にします。これらのデバイスは、RTD、熱電対、その他のアナログ入力をデジタル値に変換し、短絡、温度異常、断線の診断を提供します。

アナログ データは通常、総トラフィックの約 10% を占め、従来はシールド付きケーブルと高価なマルチチャネル モジュールが必要でした。 IO‑Link のノイズ耐性のあるポイントツーポイント配線では、シンプルな非シールド ケーブルで十分であり、配線コストと試運転コストの両方を削減します。

「IO‑Link は、配線の簡素化、パラメータの迅速なダウンロード、ベンダー間で機能する統一インターフェイスを通じてコスト削減を実現します」と、Balluff の自動化スペシャリストである Shishir Rege 氏は述べています。

図 3 に示すように、インターロックやスイッチなどの安全装置も統合できます。

図 3:IO‑Link を介した安全センサーの統合 (出典:BalluffInc.)。

2.包装の自動化

包装ラインでは、迅速な切り替え、高解像度の位置決め、堅牢な診断が求められます。 Sensata Technologies の IO‑Link センサー（アブソリュート エンコーダー (AHx5、THx5)、インクリメンタル エンコーダー (DHx5)、ホール効果位置センサー (ACW4、TCW4) など）は、プラグアンドプレイ構成とリアルタイム モニタリングを提供します。

図 4:IO‑Link を使用したパッケージング自動化の概略図 (出典:SensataTechnologiesInc.)。

図 5:THM5 マルチターン エンコーダー (出典:SensataTechnologiesInc.)。

「IO‑Link のプラグアンドプレイ機能は、高速診断と 230.4kbaud での 1ms サイクル タイムを組み合わせることで、ダウンタイムを大幅に削減し、柔軟性を向上させます」と、Sensata のエンコーダのエンジニアリング マネージャー、Jean‑Marc Hubsch 氏は述べています。

IO‑Link システム拡張機能

IO‑Link ワイヤレス

IO‑Link ワイヤレスは有線プロトコルを反映していますが、2.4 GHz 帯域で動作するため、モバイルまたは非固定フィールド デバイスに最適です。マスターは最大 5 つのチャネルをホストでき、それぞれが 8 台のデバイスをサポートするため、高 EMI 環境ではマスターあたり 40 台のデバイス、セルあたり 120 台のデバイスが可能になります。

IO‑Link の安全性

IO‑Link Safety は、機能安全 (FS) 通信を使用してプロトコルを拡張します。安全対応デバイス (出力スイッチング センシング デバイス、OSSD) は、標準の 3 ピン構成のピン 2 を活用して冗長信号を介して接続でき、認定された安全機能を提供します。

結論

IO‑Link は、複数のメーカーのスマート センサーを統合する単一の標準化されたインターフェイスを提供し、リモートでのリアルタイムの構成と診断を可能にします。 IO‑Link は、シールド要件を排除し、配線の複雑さを軽減し、ワイヤレスや安全性などの将来の拡張機能をサポートすることで、さまざまな分野でのインダストリー 4.0 の導入を加速します。

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