IO-LINK, un protocole communicant pour les objets industriels

L’un des piliers de la 4e révolution industrielle repose sur les capteurs et les actionneurs sélectionnables et configurables au travers du réseau industriel. Protocole normalisé par la commission électrotechnique internationale (ceI), IO-Link permet une communication point-à-point robuste et une agilité technique habituellement absente des bus de terrain.


iO-Link est un protocole de communication sériel conçu pour relier des capteurs et des actionneurs à un système d’automatisation central en traversant une interface dédiée : le maître IO-Link. Ce dernier autorise des fonctions évoluées comme la gestion centralisée des paramètres, la surveillance des terminaisons, la reconfiguration automatique en cas de remplacement d’un équipement, etc. Un maître IO-Link peut proposer plusieurs ports IO-Link (souvent 4 ou 8 canaux, parfois 12 ou même 16) mais un seul périphérique IO-Link peut être connecté à chaque port. Il est possible de connecter un concentrateur (hub)à l’un des ports mais à seule fin, d’y relier des dispositifs tout-ou-rien (interrupteurs) qui se comporteront comme un seul indicateur de position on/off. Par conséquent, IOLink est un protocole de communication point-à-point et non un bus de terrain.

Le maître IO-Link communique avec un contrôleur qui peut être un automate programmable, un PC industriel, une IHM ou un système d’acquisition et de contrôle de données (Scada) au travers d’un réseau tel que Ethernet/IP, Modbus TCP ou encore, Profinet. L’ingénierie du système IO-Link s’effectue parallèlement à l’ingénierie du système d’automatisation général et peut même lui être intégré.

Pour résumer, un système IO-Link se compose des composants suivants : un maître IO-Link, différents dispositifs jouant le rôle de terminaisons (capteurs, lecteurs RFiD, vannes, démarreurs de moteur, Parmi les nombreux avantages de ce protocole, on remarquera que les périphériques IO-Link peuvent être intégrés et pilotés de la même manière quel que soit le réseau industriel et le ou les systèmes d’automatisation utilisés. Le logiciel d’ingénierie IO-Link est en mesure d’affecter des paramètres de fonctionnement aux capteurs et aux actionneurs ; toutes ces données étant mémorisées dans le système. Si par exemple, un capteur tombe en panne, il suffit de le remplacer par un modèle équivalent pour qu’il soit automatiquement reconfiguré à l’instigation du master IO-Link après identification. En effet, le protocole donne accès aux de processus, aux données de diagnostic et aux informations générales permettant d’identifier les périphériques.

Bien sûr, cette capacité de gestion des terminaisons à distance permet aussi à l’opérateur de changer dynamiquement les paramètres de fonctionnement d’un capteur ou d’un actionneur sans intervenir physiquement sur le site où il est déployé. Mieux, cette reconfiguration peut aussi être automatisée par exemple, au moyen d’un logiciel de MES, d’un Scada ou directement depuis un automate en implémentant les fonctions ad hoc dans son programme.

Des périphériques auto-renseignés

Chaque équipement IO-Link – capteurs ou actionneurs – contient sous forme numérique, des informations qui le caractérisent. Ce descripteur qui permet de renseigner le master IO-Link sur les possibilités des terminaux qui lui sont connectés, est appelé IODD (pour In/Out Device Description). L’IODD recèle différentes informations qui facilitent l’intégration du système : propriétés de la communication, paramètres de l’appareil avec plage de valeurs et valeur par défaut, identificateur, données de diagnostic, description de l’équipement ou encore, logo du fabricant. La structure de l’IODD est toujours la même quel que soit l’appareil considéré ou son fabricant.

L’interface IO-LINK, côté matériel

IO-Link est une connexion point-à-point bidirectionnelle en série permettant la transmission du signal de données et l’alimentation en énergie.

Le système de câblage standardisé facilite l’installation de l’infrastructure de communication comme les mises en service matérielles. L’interface normalisée est la même pour les capteurs comme pour les actionneurs indépendamment de leur complexité (commutation, mesure, canaux binaires multiples, signal mixte, etc.). Les appareils sont connectés au maître à l’aide de câbles standard à trois ou cinq conducteurs non blindés mesurant jusqu’à vingt mètres de long.

Pour supporter un indice de protection de classe IP65/67, les connecteurs M12 ont été retenus en tant que terminaisons avec en général, une prise à quatre broches pour les capteurs et à cinq broches pour les actionneurs. Il existe deux types de ports IO-Link appelés : type A et type B.

Dans le port de type A, les broches 2 et 5 ne sont pas attribuées, même s’il est généralement admis que la broche 2 véhicule un canal numérique additionnel. Sur un port de type B, les broches 2 et 5 sont utilisées pour véhiculer une tension d’alimentation supplémentaire, galvaniquement isolée.

Trois taux de transmission sont définis dans la version 1.1 des spécifications du protocole IO-Link : COM 1 à 4,8 kbits/s, COM 2 à 38,4 kbits/s et COM 3 à 230,4 kbits/s. Un périphérique IO-Link supporte un seul de ces débits. Selon la spécification V1.1, le maître IO-Link prend en charge tous les débits de transmission de données et s’adapte automatiquement à celui supporté par le périphérique.

Des transmissions robustes

Le temps de réponse du système IO-Link fournit des informations sur la fréquence et la vitesse de transmission de données entre le terminal et le maître. Le fichier de description du périphérique (IODD) indique son temps de cycle minimum. De cette valeur découlent les intervalles de temps auxquels le maître peut s’adresser audit périphérique et donc, le temps de réponse. Cela étant, des périphériques présentant différents temps de cycle peuvent être configurés sur un même maître.

Le succès d’IO-Link dans de nombreux secteurs industriels s’explique aussi par sa robustesse. En effet, les signaux de communication fonctionnent avec un niveau haut de 24 V, ce qui les met à l’abri de la plupart des interférences qui peuvent être générées par des machines. Si une transmission échoue, la trame est encore répétée deux fois. Ce n’est qu’après l’échec de la troisième tentative que le maître IO-Link reconnaît une panne de communication et remonte l’information au contrôleur de niveau supérieur.

Initialisation des communications et échanges standards

Au démarrage du système, le maître IO-Link tente de communiquer avec les périphériques connectés. A cette fin, il envoie un signal d’initialisation (wake-up pulse) et attend la réponse du périphérique. Le maître tente d’abord de communiquer avec le taux de transmission le plus élevé et, en cas, d’échec retente en descendant au palier inférieur. Dès que la communication est effective, il fixe les paramètres de communication et, si nécessaire, transmet au périphériques ses paramètres de fonctionnement tel qu’enregistré dans le système d’automatisation. Ensuite, l’échange cyclique des données de processus et d’état débute.

Le système IO-Link véhicule quatre types d’information : les données de processus et celles d’état qui sont transmises de manière cyclique ainsi que les données propres à l’équipement et enfin, celles liées à un événement, ces deux dernières ne répondant à aucun schéma déterminé.

Les données de process des périphériques sont transmises cycliquement dans une trame au sein de laquelle la taille du train de données dépend du périphérique lui-même. Selon l’appareil, ce train comptera de 0 à 32 octets pour chaque entrée et sortie.

Chaque port a un état (PortQualifier) qui indique si les données du processus sont valides ou non. Cette information peut être transmise cycliquement avec les données du processus.

Découplées des schémas cycliques, les données de périphériques peuvent être des paramètres, des identifiants et des informations de diagnostic. Elles sont échangées à l’instigation du maître IO-Link et elles peuvent être écrites sur l’équipement destinataire (write) ou lues à partir de ce dernier (read).

Lorsqu’un événement se produit sur un équipement, ce dernier le signale au maître IO-Link. Il peut s’agit d’un message d’erreur ou de panne (exemple, un court-circuit, une perte de connexion, etc.) ou d’une alerte (surchauffe, poussières, etc.), voire d’une information concernant la maintenance (détection d’un niveau d’usure). Les messages d’erreur sont transmis de l’appareil au contrôleur ou à l’IHM via le maître IO-Link.

Intégration dans le système d’automatisation

Un système IO-Link se configure en plusieurs étapes. Dans la première, le maître IO-Link est intégré dans le système d’automatisation et déclaré. Dans la deuxième étape, les paramètres du périphérique IO-Link sont affectés.

Dans la configuration du système d’automatisation ou du bus de terrain, le système IO-Link est représenté par le maître IO-Link et intégré à l’aide de la description appropriée du périphérique (par exemple, fichier GSD dans un réseau Profinet). Le maître IO-Link lui-même peut être l’un des nœuds du bus de terrain ou l’un des modules d’un système d’entrée-sortie connecté au bus de terrain. Dans les deux cas, le nombre de ports, la plage d’adresses et les propriétés du module sont décrits dans la description (IODD) du maître IO-Link. Cependant, à ce stade, il n’existe pas d’autres informations sur le système IO-Link, par exemple concernant les périphériques IO-Link à connecter.

L’outil de configuration du master IO-LINK

Afin de représenter l’architecture du système dans son intégralité et de manière totalement transparente, il est indispensable de disposer de l’outil de configuration logiciel, le plus souvent spécifique au master IO-Link utilisé. Ce dernier permet de reconnaître tous les périphériques IO-Link connectés et au besoin, de leur attribuer des paramètres de fonctionnement.

De plus cet outil, identifie tous les maîtres IO-Link présents dans le réseau d’automatisation et va donc permettre d’affecter tel ou tel périphérique à chacun de leurs ports sans avoir besoin de se déplacer in situ. Pour cela, il suffit de sélectionnez les périphériques choisis dans le catalogue de la solution ou leurs descripteurs IODD et de les glisser (drag & drop) sur le port du master IO-Link ciblé.

En plus d’affecter les périphériques IO-Link aux ports des masters IO-Link, le logiciel de configuration permet également de modifier les plages d’adresses assignées à des ports par défaut. Ces zones d’adressage servent au master IO-Link à transmettre les valeurs de processus issues d’un périphérique vers le système d’automatisation central.

Informations depuis un automate ou une Ihm

Afin d’échanger les données cycliques de process entre un périphérique IO-Link et un automate, le master IO-Link place les informations sur les plages d’adresses préalablement assignées ainsi que cela vient d’être détaillé. Le programme qui s’exécute sur l’automate scrute périodiquement ces adresses, récupère les valeurs qu’elles contiennent et les exploite. L’échange cyclique de données depuis l’automate vers une terminaison IO-Link comme u n actionneur, est effectué en sens inverse.

Les données acycliques, telles que les paramètres adressés à un périphérique ou les événements qu’il remonte, sont échangées à l’aide d’un index, voire d’une gamme d’index. Le contrôleur y accède à en utilisant des interruptions définies au niveau du système.

Les paramètres d’un capteur ou d’un actionneur IO-Link peuvent être modifiés même pendant le fonctionnement de l’installation. Ils modifient immédiatement le comportement de l’équipement concerné sur lequel ils sont sauvegardés de manière rémanente. Les paramètres peuvent être modifiés en s’appuyant sur l’outil d’ingénierie par exemple, lors de la mise en service de l’installation, par le programme s’exécutant sur l’automate en fonction par exemple, des changements de batch, manuellement par l’opérateur au travers de tout équipement assurant la fonction d’IHM ou directement sur la terminaison IO-Link si cette dernière est équipée d’un quelconque dispositif d’entrée (clavier, poussoir, rotacteur, etc.).

Les paramètres définis pendant l’ingénierie ou modifiés pendant les opérations de production peuvent également être sauvegardés dans le master IO-Link. Cet enregistrement est réalisé selon la configuration attribuée unitairement à chacun des ports de cet équipement. Un port peut être en mode « off » ce qui revient à ignorer les paramètres de la terminaison connectée, en mode « backup/restore » qui revient à effectuer une sauvegarde automatique après tout changement et à restaurer la dernière sauvegarde si la terminaison est réinitialisée ou si elle est changée et enfin, le mode « restore » qui ignore tout changement effectué sur la terminaison pour préserver une configuration de référence que seul détient le master IO-Link.

Le remplacement d’une terminaison pendant le fonctionnement de l’installation est une situation courante qui ne doit pas impacter significativement la production. Bien sûr, lorsqu’une sauvegarde est enregistrée sur le master IO-Link, le nouveau périphérique retrouve automatiquement ses paramètres de fonctionnement après sa mise en marche.

Le remplacement du master IO-Link en cours de production est une opération moins habituelle. Puisque cet équipement concentre ses propres paramètres d’exploitation ainsi que les données opérationnelles des périphériques qui lui sont connectés, toutes ces informations doivent impérativement être sauvegardées dans l’automate. Cette seule précaution permet de garantir une remise en service rapide d’un nouveau master IO-Link en cas de défaillance.

modules d’entrées-sorties dits, tout-ourien, etc.), de câbles standardisés à trois ou cinq conducteurs non blindés et d’un outil d’ingénierie pour configurer et affecter les paramètres de fonctionnement et de diagnostic.