IO-Link vs Ethernet ou IO-Link over Ethernet
Durante os anos recentes, o IO-Link se estabeleceu como uma interface padrão em termos de sensor/atuador. A padronização internacional na IEC61131-9 e a neutralidade fieldbus são, certamente, dois dos fatores mais importantes responsáveis pela impressionante distribuição vista atualmente. Durante esse tempo, tornou-se disponível uma ampla base de diversas tecnologias de sensor e atuador com interfaces IO-Link. Hoje, podemos encontrar no mercado mais de 13.000 diferentes produtos IO-Link.
No entanto, a padronização do IO-Link vai muito além da comunicação, pois funções básicas, como identificação e diagnósticos, são definidas para todos os dispositivos na norma, por exemplo. Há também a IODD (I/O Device Description), um método de descrição independente de sistema para dispositivos IO-Link, com os quais os dispositivos podem ser integrados e usados em diferentes sistemas com uma variedade de ferramentas. Os requisitos usuais para aplicação em automação de fábrica são atendidos com um comprimento máximo de cabo de 20 metros, entre o mestre e o terminal, e uma taxa típica de atualização de dados de processo de 1 a 5 ms.
Outros desenvolvimentos de comunicação baseada em Ethernet se intensificaram durante os últimos anos. No ambiente industrial em particular, a Ethernet se estabeleceu completamente como base para conexões fieldbus. Outra força motora para a comunicação baseada em Ethernet no ambiente industrial é, certamente, a conexão ou integração de aplicações clássicas de automação em aplicações IoT dentro do escopo dos requisitos da Indústria 4.0.
Os desenvolvimentos e padronização relativamente recentes para Single-Pair Ethernet (SPE) destacaram-se especialmente para aplicações industriais. Os simples cabos de par trançado servem tanto para transferência de dados como para fornecimento da alimentação elétrica. Isso também torna possível operar dispositivos terminais, sensores ou atuadores, no nível inferior de campo com suficiente largura de banda de dados.
A SPE se tornou então um padrão pronto para o mercado para uso industrial.
A penetração da SPE nas aplicações industriais até o nível inferior de campo substituirá o IO-Link ou podem o IO-Link e a SPE coexistir? Poderia até haver uma solução que combina as vantagens do IO-Link e da Single-Pair Ethernet?
A comunidade IO-Link também tratou dessas questões e chegou a uma abordagem relativamente simples, embora muito promissora, que foi publicada como um estudo de conceito.
Single-Pair Ethernet (SPE) – Um novo padrão para Automação Industrial
A SPE envolve uma série de padrões que se baseiam nas normas da família IEEE 802.3 e que usam uma estrutura padronizada para o frame Ethernet. Somente a definição da camada física, isto é, a camada de conexão, é alterada aqui. Os padrões SPE diferem significativamente em termos de taxa de transferência definida.
• 10Base-T1 – 10 Mbps, par trançado; • 100Base-T1 – 100 Mbps, par trançado; • 1000Base-T1 – 1000 Mbps, par trançado.
Para uso industrial, 10Base-T1 é de interesse primário hoje. A norma associada, IEEE 802.3cg, foi adotada e contém definições de três versões:
• 10Base-T1S (curto alcance); • 10Base-T1L (longo alcance); • APL (Advanced Physical Layer – intrinsecamente segura).
10Base-T1S tem capacidade multi-drop, o que significa que múltiplos dispositivos podem ser conectados a uma única linha. O comprimento do cabo, no entanto, é limitado entre 15 e 25 m aqui. Como sugere o “L” no nome, 10Base-T1L é a versão longo alcance. 10Base-T1L define uma conexão ponto a ponto e permite um comprimento de cabo (par trançado) de até 1.000 m com até 60 W de força para o dispositivo terminal. Com relação à comunicação, APL é totalmente compatível com 10Base-T1L, mas não suporta as classes de desempenho definidas lá. Devido aos requisitos de proteção contra explosão até a zona 0, a potência disponível para o dispositivo terminal está limitada a aproximadamente 500 mW com APL. Além disso, o comprimento máximo do cabo é reduzido para 200 m comparado com 10Base-T1L. Atualmente, estão sendo desenvolvidas soluções de semicondutores para essas interfaces SPE, que suportarão 10Base-T1L e APL.
O que é IO-Link-over-SPE?
Em aplicações comuns de automação de fábrica, o IO-Link facilmente atinge a maioria dos requisitos. Como o portfólio dos dispositivos IO-Link cresce constantemente e as áreas de aplicação se expandem de forma correspondente, o IO-Link, em alguns casos, está contrariando os limites tecnológicos. Por exemplo, há requisitos definidos para transferência IO-Link sobre distâncias maiores do que o limite estabelecido de 20 m. Os requisitos da comunicação IO-Link em áreas protegidas contra explosão também são conhecidos, e as soluções que podem atender a esses requisitos estão agora disponíveis com SPE 10Base-T1L e APL.
O sistema IO-Link deve então ser deixado para tais aplicações?
A Ethernet usualmente está associada com comunicação baseada em TCP/IP ou UDP. A comunicação TCP/IP requer estruturas firmware muito mais complexas em comparação com o IO-Link e conformidade com os requisitos de segurança rigorosos nos dispositivos terminais. Assim, a habilidade de comunicar, provavelmente, ficaria reservada somente para dispositivos terminais mais complexos. Se os dispositivos IO-Link em uso hoje fossem equipados com comunicação TCP/IP, o número de endereços IP necessários literalmente explodiria. A facilidade de integração de dispositivos IO-Link em diferentes ambientes de sistema também mudaria substancialmente.
Então, por que não manter o sistema IO-Link existente e aperfeiçoá-lo com outra interface física? Essa é, precisamente, a abordagem do conceito IO-Link-over-SPE. Com IO-Link-over-SPE, as mensagens IO-Link são empacotadas em frames Ethernet e depois transferidas por meio de um driver SPE, por uma linha de par trançado, em vez de as mensagens IO-Link serem transferidas como telegramas codificados por pulso pelo clássico cabo de 3 fios em 24 V – sem TCP/IP ou UDP. Como mostra a figura a seguir, os componentes principais da comunicação IO-Link, as implementações da camada de protocolo e as funções permanecem inalteradas.
O método para encaixar a estrutura de mensagem existente do IO-Link inalterada, em um frame Ethernet, é a ideia principal por trás do IO-Link-over-SPE. Esse procedimento é também a chave para a fácil migração para SPE – IO-Link-over-SPE – e a reutilização de implementações e ferramentas.
Estrutura Inalterada: Novos cenários de aplicação
Como um sistema IO-Link-over-SPE é então integrado em uma estrutura de sistema existente? Como era esperado, não há atualmente quaisquer diferenças notáveis além da substituição do cabo padrão de 3 fios pelo cabo de par trançado SPE.
Devido às características físicas agora diferentes do nível de conexão, a ideia de conversores é apenas natural. Uma aplicação em que um único terminal ou vários terminais estaria localizado a uma distância maior do que a permitida de 20 m do mestre em um sistema IO-Link padrão pode funcionar com um conversor do IO-Link padrão para o IO-Link SPE. O dispositivo terminal correspondente então apresenta uma conexão SPE. O caso inverso também é possível, naturalmente. Se um dispositivo terminal que só está disponível com a interface IO-Link padrão deve ser conectado a um mestre IO-Link SPE, um conversor de IO-Link SPE para IO-Link padrão pode remediar a situação. Quando um único dispositivo terminal tem que ser usado em um sistema com componentes IO-Link padrão em um ambiente com requisitos de proteção contra explosão, isso pode ser resolvido com um conversor IO-Link para IO-Link APL.
Como seria uma possível estrutura para uma aplicação em um ambiente intrinsecamente seguro?
Uma possível abordagem em que um hub captura sinais analógicos ou binários de terminais intrinsecamente seguros e os transfere juntos por meio do IO-Link APL para o mestre seria também aceitável para a aplicação intrinsecamente segura.
Uma melhora com potencial futuro
IO-Link sobre SPE não é mais um sistema de barramento baseado em Ethernet. Assim como o IO-Link padrão, é uma conexão ponto a ponto sem endereçamento. São mantidas todas as interfaces e funções definidas. Padrões de integração IO-Link já estabelecidos como IODD, o padrão OPC UA, JSON mapping e integração de fieldbus podem ainda ser usados da mesma maneira. Em combinação com o IO-Link Safety Profile, aplicações orientadas à segurança também podem ser implementadas com IO-Link-sobre-SPE.
Isso torna o IO-Link-sobre-SPE uma extensão totalmente compatível do IO-Link padrão com as seguintes vantagens: • Comprimentos de linha de até 1.000 m (200 m com APL); • Comunicação IO-Link para aplicações intrinsecamente seguras; • Os ciclos de dados de processo são, aproximadamente, 20 vezes mais rápidos; • Fácil integração, como o IO-Link padrão; • Menos requisitos de segurança em comparação com TCP/IP.
O IO-Link-sobre-SPE substituirá o padrão amplamente usado da interface IO-Link?
Certamente não. Atualmente, IO-Link-sobre-SPE é um estudo de conceito que mostra oportunidades para maior desempenho em conjunto com um foco de aplicação consideravelmente mais amplo. Uma interface SPE em um dispositivo terminal IO-Link também resultará em custos mais altos comparada com o padrão para um futuro previsível. Por essa razão, a interface IO-link existente de 3-fios, 24 V, ainda será usada por grande número de aplicações existentes custosas. IO-Link-sobre-SPE pode ser visto como uma extensão consequente do padrão IO-Link com muito potencial para o futuro.
Autores:
Hartmut Lindenthal (Pepperl+Fuchs AG);
Dmitry Gringauz (Banner Engineering Corp.);
Frank Moritz (SICK AG);
Dr. Franz-Otto Witte (TEConcept GmbH).