IO-LINK - PRINCIPES DE BASE DE LA TECHNOLOGIE

« IO-link » est une interface standard de communication destinée au monde de l'automatisation industrielle qui a été conçue pour dialoguer au plus bas niveau avec des capteurs et des actionneurs. L'un de ses principaux objectifs est de simplifier, de faciliter, d'uniformiser et de normaliser l'accès à des capteurs et à des actionneurs programmables ( dits « intelligents » ou bien « smart » … autrement dit : programmables ) pour leur permettre une plus grande diffusion. Ces caractéristiques permettent une plus grande souplesse d'exploitation aux utilisateurs et aux équipes de maintenance tout en réduisant les coûts dès la conception d'une installation.

Ce système de communication numérique n'est pas à proprement parler un bus de terrain ni un réseau de capteurs et d'actionneurs, mais plutôt une extension qui comble un manque entre les réseaux de communication industriels et les entrées / sorties en apportant de nouvelles fonctionnalités comme des fonctions de diagnostic ou des fonctions de réglage dynamique avec les équipements de terrain, tout en bénéficiant d'un environnement standard. Un tel système est fondamentalement composé de quelques instruments, d'au moins un module maître et de câbles standards à deux ou trois fils afin de pouvoir établir une liaison de point à point entre le maître et chacun des autres équipements.

Une installation industrielle automatisée profite pleinement de toutes les capacités d'un tel système lorsque celui-ci est utilisé conjointement avec des capteurs ou des actionneurs qui disposent d'une interface qui lui est dédiée ( relativement aux fonctions implémentées par le constructeur de l'équipement ). Néanmoins, cette technologie est compatible avec n'importe quel capteur standard non « IO-link », ce qui laisse une grande souplesse à la gestion du parc des équipements, des systèmes et des réseaux de communication, et ce qui facilite les opérations de maintenance. Cette flexibilité, alliée à une grande compatibilité avec des technologies standards de transmission de données, permet une migration progressive vers le système « IO-link » puisqu'il lui est possible d'exploiter simultanément des instruments pourvus ou non de son interface de communication.

• La technologie est compatible avec n'importe quel équipement standard ( détecteurs 2 fils ou 3 fils etc ) en mode SIO c'est à dire en mode « entrées sorties standard ».
• IO-link est compatible avec les réseaux industriels, les bus de terrain ou les réseaux de capteurs et actionneurs les plus répandus.
• Le système permet de communiquer avec les équipements au niveau de terrain le plus bas.
• Les signaux sont transmis par modulation de la tension à travers une interface de communication asynchrone standard ( UART ) sur des câbles non blindés.
• Les échanges de données sont robustes. La communication se fait en point à point entre la station maître et chaque capteur ou actionneur ( les esclaves ).

  Une procédure de détection et de transmission des erreurs de communication est disponible en standard.

• Plusieurs vitesses de transmission sont disponibles pour une distance maximum de l'ordre de 20 mètres.
• Le temps de cycle moyen est d'environ 2 millisecondes.
• La transmission des données combine les signaux analogiques et binaires.
• Les données de paramétrage statiques et dynamiques sont stockées dans une mémoire permanente. Leur modification peut être réalisée et prise en compte en cours d'exploitation.
• Une seule interface est suffisante pour accéder à toutes les informations.
• Le câblage est simplifié et réduit, plus particulièrement pour tout ce qui concerne les signaux analogiques.

L'exploitation d'un réseau nécessite d'avoir au minimum à sa disposition :

• Un « module maître » ( qui fait aussi office de passerelle avec un contrôleur programmable ou avec un réseau industriel de communication ).
• Un « instrument » ( un capteur ou un actionneur standard, équipé ou non d'une interface de communication ).
• Un « fichier de description de l'instrument ( IODD ) », lorsque l'instrument est livré avec une interface IO-link, de telle façon que la station maître puisse en connaître les caractéristiques, ce qui lui permettra de l'exploiter au mieux.
• Un « câble standard » non blindé 2 fils ou 3 fils, selon la technologie de l'appareil connecté, pour raccorder ce dernier au module de la station maître.

Son rôle est d'établir directement la communication avec les instruments ( les esclaves ) et de servir de passerelle de communication avec ses éventuels partenaires externes. Il se comporte donc comme un gestionnaire, un intermédiaire et un « interprète ».

Fonctions.

• Il gère la communication et les échanges de données entre chacun de ses ports et chacun des instrument connecté.
• Il assure la fonction de passerelle pour s'interfacer avec des systèmes de plus haut niveau ( automate programmable, bus de terrain, réseau de capteurs et actionneurs, Ethernet, etc … ).

Les ports de communication.

Les ports sont les canaux de communication. Chaque port est associé à une et à une seule des connexions électriques de transmission des données parmi celles présentes sur son interface matérielle. Le terme de « port » est couramment employé pour désigner tout à la fois un canal de communication et l'emplacement de raccordement physique du signal électrique qui transmet les données et qui lui est associé.

• Le module doit comporter au moins un port.
• Chacun des ports ne peut être connecté qu'à un seul instrument.
• Une station maître peut accepter des types de port différents au sein d'un même module : digital, analogique, entrées, sorties etc … chaque équipement raccordé pouvant être équipé ou non d'une interface de communication, indépendamment de ses voisins.

Un module maître peut être une carte d'extension d'un automate programmable industriel ( API ) directement raccordée à son bus système, à l'instar d'une carte d'entrées / sorties classique. Dans ce cas, il sert d'interface entre le processeur de l'automate et chaque instrument esclave.

Pour chaque type de capteur ou d'actionneur connecté compatible IO-link, il faudra fournir son fichier de description d'équipement ( IODD ) aux environnements de développement et aux logiciels applicatifs utilisés au cours d'un projet.

Dans le cadre d'entrées / sorties distribuées, le module maître peut être connecté à un bus de terrain ( ModBus TCP, Profibus), à un réseau de capteurs et d'actionneurs (ASI, Interbus, DeviceNet) ou à un réseau industriel (Ethernet ).

Dans ce cas, le maître est aussi utilisé en tant qu'interface entre les équipements et le réseau de communication.

Cette interface agit et se comporte comme une passerelle embarquée dans la station maître.

Le nombre maximal de module maîtres ( les boîtiers de raccordement des entrées et des sorties ) dépend uniquement des caractéristiques du réseau utilisé.

Pour savoir comment communiquer avec eux, il est nécessaire d'importer le fichiers de description d'équipement ( IODD ) dans les applications de développement ou de maintenance pour chaque famille d'équipement utilisée.

Une station maître peut communiquer avec un capteur ou un actionneur selon deux modes de communication : le mode « SIO » et le mode « communication ».

Le mode SIO ( Entrées / sorties standards ) - qui est aussi appelé mode commuté ou switched mode - est le mode utilisé en permanence pour dialoguer avec les entrées sorties standard. Il est aussi utilisé pendant la mise sous tension du système pour procéder à son initialisation.

Le dialogue est unidirectionnel, et consiste à commuter le signal entre 0 volt et 24 volts selon l'état à transmettre ( comme une entrée ou sortie binaire classique ).

Le mode communication - qui est aussi appelé mode série - est un mode de transmission des données bidirectionnel en liaison série dans le respect du protocole IO-link.

Il permet d'échanger des données numériques comme des données de configuration, des valeurs de réglage ou des données de diagnostic entre un instrument et un système de contrôle programmable ou un système de supervision.

Pour échanger des données entre un instrument et un module maître en mode de communication en série, le système IO-link utilise une interface de communication série asynchrone standard ( UART ) en mode « half duplex ».

Un équipement IO-link ( un instrument ) est un esclave et ne peut que répondre à une requête du module maître, ce qui signifie qu'il ne peut pas prendre l'initiative du dialogue, comme n'importe quelle station esclave au sein d'un système maître-esclave.

Les données sont encapsulées dans des télégrammes qui peuvent adopter des profils différents en fonction de la taille des données et du nombre de données échangées. Lorsque la taille d'un télégramme est supérieure à deux octets, le télégramme est transmis sur plusieurs cycles.

Format de transmission entre un module maître et ses équipements esclaves.

• 1 bit de départ.
• 8 bits de données.
• 1 bit de parité.
• 1 bit de stop.

Vitesses de transfert possibles entre un module maître et ses équipements esclaves.

• 4 800 Bauds ( COM1 ).
• 38 400 Bauds (  COM2).
• 230 400 Bauds ( COM3 ).

La durée moyenne d'un cycle de lecture ou d'écriture d'une donnée de 16 bits est typiquement de 2 millisecondes pour un débit de transmission de 38 400 Bauds.

Trois types de données pour trois types d'échange.

• Les données de procédé ( échanges périodiques synchrones ).
• Les données de service ( échanges apériodiques synchrones ).
• Les données d'événements ( échanges apériodiques asynchrones ).

Ces données sont les valeurs des mesures ou des commandes ( information de détection par un capteur, valeur d'une mesure analogique, valeur de la consigne de vitesse pour un variateur ).

• Elles sont transmises périodiquement.
• La période du cycle de transmission est réglable individuellement pour chaque instrument.

• Un message de diagnostic est disponible lorsqu'une de ces données est invalide.

Ce sont les données transmises uniquement à l'initiative de la station maître et de l'application client, aussi bien pour les opérations de lecture que d'écriture. Elles correspondent typiquement à des données de configuration, de réglage ou de diagnostic et elles sont transmises de manière apériodique.

Elles sont transmises de manière asynchrone et apériodique, un peu comme le sont les données d'interruptions dans les microprocesseurs. Elles sont prioritaires et aucune donnée de service ni aucune donnée de procédé ne peut être échangée tant que toutes les données d'événement émises n'ont pas été lues.

Les informations transmises concernent toujours un dysfonctionnement signalé sur un des équipements connectés : court-circuit, surchauffe, encrassement, surcharge, défaut de communication, rupture de circuit etc.

L'automaticien doit importer un fichier de description d'équipements ( IODD ) dans les environnements de développement des systèmes de contrôle - contrôleurs, terminaux opérateurs IHM, systèmes de supervision de procédé SCADA etc - ou dans les environnements de diagnostic ou de maintenance qui souhaitent accéder aux données supplémentaires mises à disposition par les équipements équipés d'une interface IO-link.

Il est suffisant de n'importer un fichier qu'une seule fois par modèle de capteurs ou d'actionneurs configuré ( si cinq capteurs de même modèle doivent être accédés au sein d'un même réseau par exemple, il suffit d'importer une seule fois le fichier de description correspondant à ce modèle ).

Un utilisateur qui souhaite utiliser un logiciel applicatif de configuration, de réglage ou n'importe quel logiciel de maintenance dédié à l'instrumentation doit importer dans ce logiciel le fichier de description ( IODD ) de chaque modèle d'équipements auquel il veut pouvoir accéder.

Ces fichiers reposent sur le format standard XML et respectent les préconisations de la norme ISO 15745 ( indice « 1 » pour la dernière version ). Cette technologie utilisée pour transmettre la description des équipements est compatible avec la technologie FDT par le biais d'un interpréteur DTM adapté. Chaque fichier décrit les caractéristiques d'un type d'équipement, quelles sont les données, les commandes et les réglages disponibles et comment y accéder.

Les spécifications complètes de la technologie IODD sont téléchargeables librement sur le site web officiel de l'association des utilisateurs.

Un détecteur optique de présence compatible IO-link pourra vous informer lorsque la cellule commence à s'encrasser ( poussières, huile ) et permettre aux techniciens de maintenance d'intervenir immédiatement pour la nettoyer.

Vous aurez aussi la possibilité de régler à distance le seuil de détection à partir de la salle de contrôle, du local technique ou de l'autre bout de la planète ( si le réseau que vous utilisez le permet ).

Cette excellente synthèse publiée en 2020 par la revue « Mesures » liste les principales raisons qui ont fait le succès de ce protocole de communication dédié aux équipements de terrain, tout en montrant comment il a évolué en s'adaptant aux nouvelles technologies depuis sa création en 2009. Un des grands intérêts de cet article est de ne pas s'arrêter aux atouts du protocole, mais de préciser quelles en sont les limites, et quelles sont les pistes envisagées à ce moment là pour les dépasser.

• Les raisons du succès.

  Ce protocole est devenu essentiel de par son apport à la maintenance préventive et à l'aide au diagnostic, tout étant indépendant vis à vis des fournisseurs des équipements, et vis à vis du support de communication ( la structure du réseau employée par l'utilisateur au sein duquel le protocole opère ). De plus, il permet aux lignes de production d'être beaucoup plus flexibles, puisque l'on peut modifier dynamiquement les paramètres d'un appareil à partir d'un automate programmable, pour adapter son comportement au produit en couts d'élaboration.

• Les atouts.

  Pour n'en citer que quelques uns : l'auto-configuration, la facilité d'utilisation ( il est très facile de remplacer un capteur défaillant par exemple, le nouveau capteur se configurera automatiquement ), l'aide à la maintenance et au diagnostic, l'inter-opérabilité, le paramétrage dynamique, la simplicité du câblage et des coûts très abordables associés à une offre abondante et très variée d'équipements compatibles.

• Les limitations.

  Elles sont relatives aux applications envisagées, bien entendu, et nous pouvons y trouver principalement : la faible distance maximale entre la station maître et l'équipement connecté, la faible vitesse de transmission, l'absence de portage sur des réseaux sans-fil, la non adéquation avec les applications liées à des contraintes de sécurité ou d'atmosphères explosibles ( ATEX ).

• Les améliorarions envisagées.

  Certaines des évolutions envisagées en 2020 sont : l'intégration des fichiers de configuration ( IODD ) au sein même des équipements, une normalisation des paramètres personnalisés propres à chaque fabricant, la spécification d'une couche réseau physique avancée présentant des caractéristiques de sécurité intrinsèques, et enfin la possibilité d'interagir via OPC-UA.

www.mesures.com

Vous trouverez des informations techniques détaillées et complètes sur le site du consortium.

Les informations techniques à lire.

• La rubrique « technologie » qui vous présente sommairement le système.
• La rubrique « FAQ » qui liste les questions les plus fréquentes accompagnées d'une sélection de réponses.
• La rubrique « téléchargements » à partir de laquelle vous pourrez obtenir librement un certain nombre de documents au format « pdf ».

Les informations utiles à télécharger.

• La présentation générale du système.
• Les spécifications standards pour la communication entre appareils.
• Les spécifications du format de description des équipements et de l'organisation des fichiers IODD.
• Un outil de vérification et de contrôle de conformité des fichiers de description des équipements : « IODD checker ».

https://io-link.com