Moderniser les petites et moyennes entreprises pour l’Industrie 4.0 avec IO-Link
Introduction
Dans le paysage commercial actuel, les petites et moyennes entreprises sont en retard par rapport aux entreprises de plus grande taille dans le domaine de la numérisation. La numérisation se développe rapidement dans le secteur de la fabrication industrielle mondiale, avec des processus de fabrication constamment surveillés, analysés et optimisés. L’écart se creuse entre les quelques sites de production entièrement numérisés et tous les autres, qui emploient encore des pratiques analogiques. La construction de nouvelles usines intelligentes exige un investissement considérable. Ainsi, il s’avère souvent plus judicieux de moderniser l’infrastructure existante en la dotant de capacités numériques plutôt que de repartir de zéro. Cet article explique comment adapter les petites et moyennes entreprises à l’Industrie 4.0 à l’aide de la technologie I/O-Link.
Technologie IO-Link
IO-Link est une interface standard conçue pour les connexions 1:1 (point à point) avec des capteurs, des actionneurs et d’autres dispositifs, comme défini dans la norme internationale CEI 61131-9. Un câble standard non blindé à trois ou quatre fils sert à établir une connexion entre le dispositif IO-Link et le maître IO-Link. Le maître IO-Link se définit essentiellement comme une passerelle qui facilite la communication via des bus de terrain ou des bus de fond de panier propres au produit. Les dispositifs IO-Link se transforment alors en nœuds d’E/S de bus de terrain. Il peut y avoir un dispositif IO-Link connecté à chaque port. Il s’agit donc d’une communication point à point et non d’un bus de terrain. Le maître IO-Link peut être installé soit dans le tableau de commande s’il est intégré au système d’E/S, soit directement sur le terrain en tant qu’E/S distante équipée d’une protection IP65/67. Le maître peut comporter des canaux IO-Link, appelés ports. Chaque port du maître se connecte à un dispositif IO-Link unique, lequel peut fonctionner en mode SIO (E/S standard) ou en mode de communication bidirectionnelle. La technologie IO-Link s’intègre très aisément dans les architectures industrielles existantes de type bus de terrain ou Ethernet industriel et se connecte aux API, aux IHM, aux capteurs ou aux actionneurs existants. Ces avantages facilitent grandement son adoption.
Figure 1 : Compatibilité d’IO-Link avec les protocoles industriels existants (Source : Banner Engineering)
Le réseau IO-Link utilise des câbles standard non blindés à 3 ou 5 fils dotés de connecteurs M8 et M12 et d’une longueur maximale de 20 mètres. Le maître et les dispositifs agents communiquent à l’alternat dans trois vitesses de transmission (débits en bauds) : COM 1 = 4,8kbaud, COM 2 = 38,4kbaud et COM 3 = 230,4kbaud.
Figure 2 : Affectation des broches d’un dispositif IO-Link (Source : SIEMENS)
Dans un système IO-Link, la plage d’alimentation du maître est comprise entre 20V et 30V, et celle du dispositif entre 18V et 30V. Le dispositif IO-Link doit fonctionner dans un délai de 300ms après que L+ a dépassé le seuil de 18V. Le système IO-Link fonctionne dans deux modes de communication : le mode E/S standard (SIO) et le mode interface de communication numérique point à point (SDCI). En mode SIO, la rétrocompatibilité est préservée par les capteurs sur site, avec une alimentation de 0V ou 24V pour envoyer un signal d’arrêt ou de marche au maître IO-Link. En mode IO-Link, la communication est bidirectionnelle dans un des trois débits de données. Le dispositif IO-Link ne prend en charge qu’un seul débit de données, tandis que le maître IO-Link doit prendre en charge les trois débits de données.
En mode IO-Link, le système utilise des impulsions de 24V sans retour à zéro sur la ligne C/Q, où un 0 logique correspond à 24V entre CQ et L- et un 1 logique à 0V entre CQ et L-. En mode IO-Link, la broche 2 peut être en mode DI (entrée numérique).
Les maîtres IO-Link comportent deux types de ports : classe A (type A) et classe B (type B). Avec le port de classe A, les fonctions des broches 2 et 5 ne sont pas attribuées. Cette fonction est définie par le fabricant.
En général, un canal numérique supplémentaire est attribué à la broche 2. Une tension d’alimentation supplémentaire de classe B est proposée pour la connexion de dispositifs nécessitant une puissance accrue. Dans ce cas, une tension d’alimentation supplémentaire (avec isolation galvanique) est disponible au niveau des broches 2 et 5. Un câble standard à 5 fils est requis pour utiliser cette tension d’alimentation supplémentaire.
Solutions de mise à niveau IO-Link proposées par Banner Engineering
Dans une unité d’emballage, les étiquettes sont appliquées automatiquement sur les produits qui se trouvent sur le convoyeur à l’aide d’une machine. Comme le montre la figure 3, la machine décolle les étiquettes de leur support adhésif et les place sur une tête d’application. Ce tampon presse les étiquettes sur les emballages qui se déplacent sur un convoyeur. Cependant, ce processus présente un inconvénient de taille : la hauteur de la tête d’application doit être ajustée manuellement chaque fois que le format des emballages change, ce qui fait perdre un temps précieux.
Figure 3 : Technologie IO-Link dans une application d’emballage (Source : Banner Engineering)
Pour résoudre ce problème, un capteur photoélectrique compact (capteur laser Q2XKLAF) est monté sur la tête d’application de la machine d’étiquetage. Ce capteur détecte les cibles à une distance fixe. Lorsqu’un produit se déplace sur le convoyeur, la tête d’application reçoit une étiquette et s’apprête à s’abaisser. Lorsque le produit se trouve dans le rayon de détection du capteur à champ fixe, la tête d’application ralentit, s’abaisse en appliquant la pression requise afin de coller l’étiquette, puis se relève.
Ce capteur photoélectrique compact est connecté au maître IO-Link (DXMR110), qui remplace les cartes d’entrée classiques, très chères. Le maître IO-Link peut communiquer avec des systèmes de commande de niveau supérieur via Ethernet/IP, Modbus/TCP et PROFINET. Le maître IO-Link peut envoyer des données à un système de commande de niveau supérieur ou à un dispositif de supervision tel qu’un API, un DCS, une IHM, des plates-formes basées sur le cloud ou tout autre dispositif compatible pour le traitement et l’interprétation des données IO-Link. La destination spécifique dépend de l’architecture du système et de l’application de la communication IO-Link.
Conclusion
En intégrant la technologie IO-Link à leurs installations, les petites et moyennes entreprises peuvent accéder plus facilement à l’Industrie 4.0. Element14 propose des solutions complètes, telles que des cartes d’évaluation IO-Link, des accessoires de signalisation, des capteurs de température, des capteurs de pression, des capteurs/contacteurs de proximité, des capteurs de courant, des accessoires de protection pour moteurs, ou encore des modules d’entrée/sortie, pour la mise à niveau d’une application existante à l’aide du protocole IO-Link. Ces solutions permettent d’optimiser la maintenance des machines, de diagnostiquer les problèmes à moindre coût, et de remplacer l’ensemble de la ligne ou de l’équipement.
