Capteur-Actionneur Communication Réseaux

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
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.

 

jauto113p26-29techno

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