IO-Link 1.0 대 IO-Link 1.1

수십 년에 걸쳐 산업용 I/O에서 널리 사용되어 온 IO-Link는 최근 몇 년간 그 활용이 급격히 증가했습니다. DigiKey 기사 “IO-Link 1.0 및 1.1 비교”에서 설명했듯이, 국제 전기 기술 위원회 IEC 61131-9 개방 표준(IO-Link 상표명)은 자동화 부품에 사용이 간편한 연결을 부여합니다. 필드 장치 또는 2차라고 하는 소형 센서 및 액추에이터를 IO-Link 컨트롤러 허브 또는 1차 및 나머지 자동화 설치에 연결하는 단일 드롭 디지털 통신 인터페이스(SDCI)입니다. IO-Link의 이점 중 하나는 이러한 연결에 일반 비차폐 케이블(3개 ~ 5개 가닥의 도체 연선, 최대 20m)을 사용할 수 있다는 것입니다.

이 기사에서는 IO-Link 버전 1.1에 새로 추가된 세 가지 기능에 대해 더 자세히 설명합니다.

• IO-Link 1.1을 이용하면 공장 직원이 장치 파라미터 수를 저장하고 다시 사용할 수 있도록 데이터 백업 가능
• IO-Link 1.1을 통해 포트당 32바이트까지 데이터 폭 처리 가능
• IO-Link 1.1은 IO-Link 1.1 기본 장치에서 230.4kbaud 데이터 전송률 허용

그림 1: IO-Link 통신을 통해 R.A JONES는 성능, 유지 관리 및 레시피를 통한 파라미터 변경을 위해 센서를 보다 면밀하게 모니터링할 수 있습니다. 이는 혁신 엔지니어 관리자인 Nate Smith에 따른 것입니다. 실제로 IO-Link는 자동화에서 현장 장치(보조)와의 통신을 위한 선도적인 산업 표준으로 빠르게 자리 잡고 있습니다. (이미지 출처: R.A JONES)

파라미터 할당 서버로서의 IO-Link 1.1

IO-Link 부품의 제어 통합은 각 IO-Link 부품과 관련된 표준화된 IO 장치 설명(IODD) 파일을 활용하는 구성 소프트웨어를 통해 수행됩니다. 이러한 IODD 파일(부품의 모델, 작동 범위, 진단 기능을 지원하는 데이터 및 HMI 및 GUI에 표시하기 위한 기호를 저장하는 파일)은 자체 웹 사이트 및 ioddfinder.io-link.com을 통해 IO-Link V1.0 및 V1을 지원하는 부품 제조업체에서 제공하는 .xml 파일입니다.

IO-Link 1.1의 새로운 기능은 일부 IO-Link 1.1 기본 장치가 IODD 파일 및 상호 보완 데이터를 로컬로 저장하는 기능으로, 이를 통해 네트워크의 다른 장치에 파라미터 할당 서버 기능을 제공합니다. 이러한 기능이 있기 전(및 레거시 IO-Link 설치 시)에는 새로운 또는 교체용 현장 장치로 교체해야 하는 최종 사용자는 먼저 해당 장치를 구성해야 했는데, 일반적으로 PC의 USB 포트에 연결하고 소프트웨어를 통해 수동으로 설정을 실행해야 했습니다.

1.1의 이러한 측면의 또 다른 이점은 최종 사용자가 (대부분의 경우에) 서로 다른 제조업체의 비교 가능한 IO-Link 에지 장치를 핫스왑하여 기본적으로 교체 가능한 장치를 보다 쉽게 ​​액세스할 수 있도록 한다는 점입니다. 이는 대량 생산 라인에서 고장나거나 손상된 센서를 긴급 교체하는 데 특히 유용합니다.

더 빠른 IO-Link 1.1 통신 속도 관련 세부 사항

1.1에 새로 추가된 다른 IO-Link 기능은 COM3입니다. 이는 보다 고급 현장 장치 기능을 지원하는 속도를 가진 통신 모드입니다. COM3 SDCI 통신의 데이터 전송률은 최대 230.4kbit/초(여기서도 230.4kbaud)로 지정됩니다. 즉 최신 IO-Link iteration(1.1.3)에는 '표준의 속도가 현대 자동화 환경에서는 충분하지 않다'는 IO-Link에 대해 마지막까지 해결하기 어려웠던 문제를 해결하기 위한 개선 사항이 포함됩니다.

보다 구체적으로, 1.1.3은 이 주제에 대한 이전 DigiKey 기사에서 설명한 주기적으로 전송된 프로세스 데이터에 대한 실시간 통신을 지원하는 주기 시간을 부여할 수 있으며, 어떤 경우에는 밀리 초 미만 주기에까지도 적용됩니다. 실시간 대역폭에 대해 전송되는 프로세스 데이터(초당 킬로바이트(kbit/초))는, 기본 장치가 통신 방향 전환이 지연된다는 메시지를 장치에서 요청하는 데 걸리는 시간, 현장 장치가 응답하는 데 걸리는 시간 및 다른 통신 방향 전환 지연에 따라 다릅니다.

IO-Link 부품이 이러한 통신을 실행하는 방법을 이해하려면 물리적 마이크로 컨트롤러 회로(일부 경우 독립형 IC)에 대한 배경 지식이 있으면 도움이 됩니다. 기본 및 보조 현장 장치 내에는 전송을 위해 데이터를 패킷으로 묶거나 프레임하는 범용 비동기식 송수신기(UART)라는 회로가 있습니다. 이러한 프레임의 길이는 11비트로 1비트는 시작을 전달하는 데 사용되고, 8비트(IO-Link 사양 및 공식 자료에서는 옥텟이라고도 함)는 실제 프로세스 데이터를 전달하는 데 사용되며, 2비트는 패리티 및 중지를 통신하는 데 사용됩니다.

그림 2: Maxim Integrated의 MAX14827AATG+는 IO-Link 장치에 통합하기 위한 저전력 이중 구동기 IO-Link 트랜시버입니다. 3선 UART 인터페이스를 통해 마이크로 컨트롤러 UART와의 IO-Link 연결이 가능하고, 다중화 UART/SPI를 통해 공유 UART 및 SPI 기능을 위한 하나의 직렬 마이크로 컨트롤러 인터페이스를 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

IO-Link 1.1.3 사양(2019년 6월)의 표 9에 따르면 각 비트를 전송하는 데 IO-Link COM3 배열 4.34µsec가 걸립니다. 그 시간에 더해 1차 및 2차 패킷 간 지연(각각 최대 4.34µsec 및 3배) 및 통신 방향 스위치 지연이 있는 경우 4.34µsec ~ 43.0µsec의 시간으로 인해, 최악의 경우 밀리 초 미만의 데이터 전송 속도가 발생하는데 이는 까다로운 산업 응용 분야에도 충분한 수준입니다.

실시간 대역폭에 매우 큰 영향을 미치는 요소는 IO-Link 네트워크용으로 선택된 메시지 시퀀스 유형입니다. 서로 다른 시퀀스 유형은 다양한 양의 비주기적 또는 온디맨드 데이터 전송량을 수용합니다. 따라서 IO-Link 배열의 실시간 대역폭을 예측하려면 계산 시 시스템 메시징에서 허용하는 프로세스 데이터와 비순환 데이터를 모두 고려해야 합니다. 일부 유형은 고정 프로세스 및 비순환 온디맨드 옥텟 값을 정의하는 반면, 어떤 유형은 제조업체 또는 사용자가 프로세스 데이터 옥텟을 1과 32사이로 설정하고 비순환 데이터 옥텟을 1, 2, 8 또는 32로 설정할 수 있습니다. 간단히 말해 더 적은 데이터를 이동해야 하는 시스템은 주기 시간이 더 빠릅니다.

위의 모든 요인을 분석하면 전송된 프로세스 데이터(kbit)로 정의된 실시간 대역폭이 계산된 총 주기 시간(kbit/초)으로 나뉩니다. 예를 들어 단 하나의 비순환 데이터 옥텟(1·8용)과 32개의 프로세스 데이터 옥텟(32·8용)이 있으면 주기 시간은 몇 밀리초를 약간 넘으며 대역폭은 100kbit/초를 초과합니다.

모든 새로운 IO-Link 1.1 기본 장치는 COM3 및 이 데이터 속도를 활용하는 자동화 구성 요소를 지원하며 연결된 보조 장치가 사용하는 속도에 자동으로 적응합니다. 실제로는 일반적으로 다양한 주기 시간을 가진 현장 장치를 하나의 기본 장치에서 실행하여 다양한 정교한 수준의 센서 및 액추에이터를 사용할 수 있을 뿐만 아니라 점진적인 설계 업그레이드도 가능합니다. COM3의 230.4kbaud 데이터 전송률을 사용하는 액추에이터(일반적으로 이 기사의 다음 섹션에서 다룰 클래스 B 포트 배열 사용)에는 공압 밸브, 선형 실린더 및 매니폴드와 스텝 모터를 기반으로 하는 소형 현장 장치를 포함한 유체 동력 및 전기 기계 부품이 포함됩니다. COM3을 가장 일반적으로 사용하는 센서에는 위치 및 변위 센서는 물론 색상, 온도 및 압력 센서 등이 있으며, 이들 모두 공정 제어에서 가장 자주 사용됩니다. 일부 기계식 스위치도 이 COM3 통신 모드를 활용합니다.

그림 3: Panasonic의 지능형 HG-C1000L 계열 센서는 IO-link의 COM3 연결을 사용하여 원격 모니터링 및 예방적 유지 보수 루틴을 지원합니다. 온보드 센서 논리는 정상, 오류, 주의 및 경보 상태를 감지할 수 있습니다. 또한 필요한 경우 센서 설정 및 작동을 신속하게 원격으로 재구성할 수 있습니다. (이미지 출처: Panasonic Industrial Automation Sales)

IO-Link 1.1 물리적 연결(데이터 포트 포함)

이제 IO-Link의 데이터 폭(프로세스 데이터의 경우 포트당 32바이트)을 고려하세요. IO-Link 기본 장치에서 활성화된 모든 포트는 디지털 입출력을 처리하거나 반이중 모드에서 UART를 사용하여 IO-Link 포인트로 실행되도록 설정되어 데이터 비트가 단일 비트 시퀀스로 전송 및 수신됩니다. 일반적인 4개 또는 8개 포트 IO-Link 기본 장치는 여러 현장 장치에 직접 연결되거나 중간 허브 역할을 할 수 있으며 전송 폭은 이 IO-Link 기본 장치에 따라 다릅니다. 일반적인 IO-Link 현장 장치로의 연결에는 공급 컨덕터 L+ 및 M과 C/Q₁ 컨덕터가 포함되며 후자는 파라미터화, 구성 및 진단을 위한 데이터뿐만 아니라 프로세스 데이터도 전달합니다.

그림 4: IO-Link를 갖춘 SICK 압력 센서(4핀 또는 5핀 M12를 통한 연결 허용)와 같은 지능형 센서는 수동적 재프로그래밍과 관련된 다운타임 및 오류를 방지할 수 있습니다. 이는 기계의 PLC를 통해 파라미터 기반 편집과 재구성이 가능하기 때문입니다. IO-Link 커넥터의 L+ 및 M 및 C/Q₁ 연결을 확인하세요. (이미지 출처: SICK)

여기서 약간의 복잡한 문제는 IO-Link 사양이 1차 및 2차에서 A급 및 B급 포트를 모두 허용한다는 것입니다. IEC 60947-5-2에 정의된 A급 포트는 IEC 61076-2-101에 정의된 A-코드 M12 커넥터와 혼동되어서는 안 됩니다. DigiKey 기사 “IO-Link의 기초”에서 IO-Link와 관련한 유비쿼터스 M12 커넥터에 대해 자세히 알아보세요. 다시 말해서, IO-Link 커넥터 2핀 및 5핀은 때때로 사용되는 반면(사용하는 방식은 다양함) 1핀, 3핀, 4핀은 항상 사용됩니다(후자의 경우에만 다양하게 사용됨). A급 배열(4핀 M5, M8 또는 M12 커넥터 기반)은 액추에이터 구동을 위한 더 많은 I/O 변형과 고전류 출력을 허용합니다. 대조적으로, B급 배열은 항시 5핀 M12 연결을 사용합니다.

등급에 관계없이 암 커넥터 리셉터클은 기본 현장 장치, 수 커넥터 핀은 보조 현장 장치에 위치합니다.

프로세스 데이터를 위한 포트당 32바이트는 최첨단 IO-Link 연결 센서 및 액추에이터에 사용되는 최대 값입니다. 실제로 스위치와 같은 매우 간단한 IO-Link 보조 장치의 데이터 폭은 1비트에 불과할 수 있습니다. 설정된 데이터 폭이 응용 제품에 충분하지 않은 경우 일부 IO-Link 기본 장치는 단편화된 프로세스 데이터 전송을 허용합니다. IO-Link의 다른 데이터 용량 확장 체계에는 양방향 IO-Link 및 스위칭 통신을 위한 4핀 컨덕터의 다중 사용은 물론 4핀 IO-Link 데이터에 병렬로 실행되는 이중 채널 데이터 전송이 포함됩니다. 후자의 경우 2핀 컨덕터는 장치별 I/O 또는 스위칭 신호(항상 상태 모니터링과 연관되지는 않음)를 전달할 수 있으며 IO-Link 채널을 해제하여 보완 신호를 전달할 수 있습니다. 이러한 IO-Link 이중 채널 데이터 전송을 통해 원격 PLC(주기 시간 포함)와 관련된 지연 없는 실시간 통신이 가능하며, 이는 기계 또는 장치 상태에 대한 즉각적인 분석 및 응답이 필요한 응용 제품을 지원합니다.

결론

IO-Link 버전 1.1에 새로 추가된 세 가지 기능에는 (장치 파라미터 저장 및 재사용을 위한) 데이터 백업이 포함됩니다. 데이터 폭을 포트당 32바이트로 처리하고 기본 장치에서 230.4kbaud 데이터 전송 속도를 처리할 수 ​​있습니다. 이러한 기능은 산업 자동화 부문에서의 IO-Link 1.1 채택을 가속화했습니다.