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IO-Link Wireless:更可靠、更实时的工业无线技术

作者:www.cechina.cn2023.09.05阅读 11434


本文图片来源:虹科

  01 工业4.0与柔性生产
  面向工业4.0,制造商正在将工业物联网(IIoT)、人工智能(AI)、机器学习(ML)、云计算以及大数据分析等数字技术集成到现有的生产设施和运营过程中。这种集成可以创建更加高效、更加灵活的制造流程与生产线,因此也要求机器、设备和系统各个层面无缝地通信和信息交换,实现从制造车间一直到管理系统和云平台的完全连接。
  同时,工业4.0的主要目标之一,就是实现未来的工厂走向柔性化。过去,车间是相当静态的,往往长时间生产一种产品或一系列产品。如今,柔性制造和快速创新正在推动工厂在相同的环境中以更快的速度和更高的吞吐量生产更多不同的产品。工厂的生产制造,更多的以消费者为导向,用户个性化需求越来越多,这对生产线的反应速度提出了更高的要求。为了跟上并保持竞争力,制造商需要比以往任何时候都更加灵活、多功能、可扩展和具有成本效益的机器和生产线。
  02 转型中的挑战
  随着生产制造正在向工业4.0以及柔性制造转型,设备和系统之间的高效通信对于优化生产力并确保无缝和增强的运营至关重要。先进的通信技术可以实时监测和控制生产过程,从而提高效率和生产力。新的通信场景,需要适合工业领域的无线连接。现有的无线通信在延迟、可靠性和可扩展性方面不符合工业标准。
  01 工业中的通信技术
  在工业3.0中,有线通信为传统静态机械的监测和控制提供了高度可靠的连接,帮助自动执行某些流程并收集和共享数据。但当涉及到具有快速移动或旋转部件的移动设备和机器时,电缆限制了机器的灵活性和敏捷性,可能会退化或断裂,导致停机,这使得扩展和适应不断变化的生产需求具有挑战性。
  另一方面,尽管Wi-Fi、Zigbee 和蓝牙等标准无线协议彻底改变了IT技术,但它们无法满足对一致性、延迟和可扩展性的严格工业要求,并且生产车间是恶劣的环境,具有很强的干扰、振动和噪音,使机器通信变得困难,因此传统的无线解决方案无法满足机器通信的要求。
  02 IT与OT的融合
  工业4.0的网络架构依赖于互联互通,从工厂车间的传感器、设备和机器收集的大量数据可确保制造资产的实时可见性,并可以提供用于执行预测性维护的工具,以最大限度地减少设备停机时间。但不同类型的技术并不总是同步发展。一方面,信息技术(IT)在通信技术方面遥遥领先,首先采用Wi-Fi,蓝牙和蜂窝等无线协议,其次是5G和IoT。但另一方面,运营技术(OT)的发展速度较慢,仍然在很大程度上依赖于有线通信基础设施。将IT和OT合并到一个优化的系统中,需要在工厂的各个层面进行无缝通信,而没有信息孤岛。
  因此,需要一种智能、简单、低成本的工业级无线通信,从设备级(传感器、执行器)到现场总线(PLC、工业PC),再到云端和企业级的应用。IO-Link Wireless这种工业级无线协议就是为了应对这些挑战而创建的,它利用先进的无线技术在工业环境中实现无缝可靠的通信。它实现了IT和OT之间的完整和实时信息流,在灵活性、敏捷性和附加优势方面取得了重大飞跃。
  03 什么是IO-Link Wireless技术?
  IO-Link Wireless是基于IO-Link IEC 61131-9标准为工厂自动化设计的全球无线通信标准,被定义为对已经建立的IO-Link基础技术的系统扩展,保留了 IO-Link 的优势,同时引入了专门针对现代工业需求量身定制的其他优势。它旨在取代工厂自动化中的电缆,用于远程传感器/执行器控制和监测。它非常适合满足工业4.0的要求,可以轻松实时访问设备,以进行驱动和数据收集。

  01 IO-Link Wireless上层概述
  IO-Link Wireless 定义了工厂自动化环境中传感器、执行器和控制器之间的无线网络通信。它旨在提供与电缆类似的性能水平和向后兼容的接口,因此,从有线系统向无线系统的迁移变得很容易。IO-Link Wireless为每个主站的无线节点(传感器或执行器)提供高达5毫秒的确定性延迟通信,保证每个数据包都能在一定的延迟时间内送达。
  一个5毫秒的IO-Link Wireless周期由3个子周期组成,每个周期的持续时间为1.6毫秒。每个子周期以不同的频率进行通信。子周期包括下行链路部分和上行链路部分。下行部分,由IO-Link Wireless主站向轨道上的所有IO-Link Wireless无线设备广播。上行部分是一个单播的时间复用信息,由IO-Link Wireless设备随后根据定义的时隙发送。

  IO-Link Wireless设备在未经许可的2.4GHz工业、科学和医疗(ISM)频段上运行。一个IO-Link Wireless主站可支持多达40台 IO-Link Wireless设备。每个主站分为五个通道,无线主站的每个通道最多可支持8台 IO-Link Wireless设备。所有无线主站通道同时以不同频率进行通信,从而实现最佳网络利用率。此外,多个IO-Link Wireless主站可以共存于同一空间。

  02 IO-Link Wireless特性
  可靠性:IO-Link Wireless通过高斯频移键控 (GFSK) 调制以及关键数据的重复机制,使得可靠性能达到1e-9的数据包错误率(PER)。相比之下,它比Wi-Fi、蓝牙和Zigbee等无线标准(PER值为1e-3)的可靠性高出5个数量级。
  确定性:IO-Link Wireless被设计为一种确定性协议,可保证每个数据包在一定的延迟时间内传送。IO-Link Wireless周期的结构是严格定义的,其确定性属性确保了网络的可预测性。
  低延迟:IO-Link Wireless系统为确定性5毫秒低延迟,每个5毫秒的IO-Link Wireless周期由3个子周期组成,每个子周期的持续时间为1.6毫秒。
  可扩展:每个主站分为五个通道,无线主站的每个通道最多可支持8台,每个无线主站可连接40个节点。而一个区域中,可以3个主站共存,因此一个IO-Link Wireless单元中可扩展多达120个设备。
  共存性:IO-Link Wireless系统通过黑名单和自适应跳频等机制与其他无线网络和干扰器共存。黑名单是一种旨在避免与无线系统(如Wi-Fi)发生潜在空中碰撞的机制。跳频用于确保IO-Link Wireless系统组件具有足够的性能,并减少干扰的影响。作为一种抗干扰措施,跳频在每次传输中交替使用频率信道,使PER值达到1e-9,与有线连接相当。
  兼容性:IO-Link Wireless与IO-Link兼容,可以使用IO-Link集成方法和工具,为系统集成商和工厂人员提供了明显优势。  
  04 IO-Link Wireless的应用
  IO-Link Wireless的使用为机器制造商、系统集成商和工业设备制造商提供高性能的机器数字化、无线连接和边缘解决方案,从而实现更快、更灵活的制造。工业级无线通信是工业4.0应用的关键支柱,能够将灵活性和敏捷性提升到新的水平,并进一步推动预测性维护和卓越运营,满足柔性制造的需要。IO-Link Wireless使运输和输送系统更加先进,机器人的运动更加灵活,旋转机械能够实时控制和监测,传感器能够放置在工厂的任何位置进行实时数据收集。
  01 协作机器人——提高灵活性
  机器人技术的关键要求是运动、旋转和拐弯的自由度和灵活性。这就意味着,能够到达末端执行器的布线必须设计得不会限制机械臂的实际操作。无线连接使设计和外形尺寸更合理,而且无需考虑电缆,可实现连续旋转、更大的操作范围以及传感器和执行器的模块化部署等功能。IO-Link Wireless能够使机器人和协作机器人末端执行器的无线连接成为现实,其可靠性不亚于有线通信,而且不受约束。

  02 运输轨道和智能输送系统——大规模定制
  独立移动的运输轨道系统正成为包装消费品、食品饮料和汽车等行业新机器设计的关键要素。然而,这些移动装置在实时控制和监控方面受到有线IO和通信的限制。运输系统可以通过IO-Link Wireless通信与传感器和执行器进行集成,产品可以在持续运动中以最灵活和同步的方式进行处理,实现自动转换和快速模具设置,以进行柔性化生产。无线连接还意味着减少了机械部件,从而降低了机器的占地面积和维护成本。

  03 改造和状态监测——减少维护和停机时间
  测量和分析生产线的性能有助于提高产品质量、减少浪费、提高生产线速度、防止意外停机和进行预测性维护。IO-Link Wireless解决方案可在单个机器区域内从包装机的数百个传感器收集最佳数据。该方案被设计用于在干扰、振动和噪音等非常恶劣的环境中工作,因而可以简单且高效地改造和翻新现有机器上的众多设备,并简化搬迁、升级和新机器的部署工作。

  04 机器优化和数据收集——提高安全性
  数据采集在工业环境中通常被认为是不具备成本效益或不可行的。一个传感器必须被放置在数据所在的地方,这些位置通常是具有挑战性或难以到达的地方,比如机器的零件内部、快速移动或旋转的平台上,或在远程的位置。IO-Link Wireless解决方案是一种将设备无线连接到云的安全方式。


  05 虹科IO-Link Wireless解决方案
  虹科致力于为工业应用提供领先的通信解决方案,IO-Link Wireless技术可实现传感器和执行器之间的无线通信,为智能工厂和生产线提供强大、可靠和安全的通信解决方案。我们提供的IO-Link解决方案基于开放代码的IO-Link协议,该协议已扩展到无线使用以实现各种解决方案,例如运输轨道和输送系统,无线机器人,智能机床,旋转台和旋转木马以及状态监测和机器改造的应用。

  01 TigoEngine——高效设置IO-Link无线主站和设备
  TigoEngine 是一种基于软件的工程工具,用于高效设置 IO-Link 无线主站和设备。它支持安装、配置和监控 IO-Link 无线系统。通过直观的用户界面,TigoEngine 简化了 IO-Link 无线系统的部署和维护。TigoEngine 还支持将数据从无线设备聚合和通信到其他企业和基于云的应用程序。

  02 TigoLeap——数据采集、流程调整、增强协作
  TigoLeap是一个软件平台,用于工业高速同步收集和分析多源OT数据。它通过提供可视化、存储和共享自动化和测试相关数据的工具,彻底改变了开发机器的方法。TigoLeap专注于性能改进和机器优化,可以从机器收集所有数据类型,根本原因分析,机器调整,模型/过程调整和远程访问。它是一个以机器为中心的平台,具有一系列工具和服务,可实现 OEE的持续优化、缩短和优化的爬坡时间、生成洞察力以及增强的远程支持功能。

  03 TigoMaster——工业级IP67 IO-Link Wireless主站平台
  TigoMaster具有两条IO-Link无线轨道,可同时支持多达16个IO-Link无线设备。TigoMaster 2TH包括各种工业以太网协议的接口,如EtherNet/IP、PROFINET、EtherCAT和OPC-UA。它直接连接到PLC和IT网络。

  04 TigoBridge——工业级IO-Link Wireless设备
  TigoBridge具有IP67外壳,它可以无缝、轻松地通过IO-Link无线技术将IO-Link设备连接到IO-Link无线主站,设备可以是 IO-Link传感器、IO-Link执行器或IO-Link多端口 I/O集线器。TigoBridge包含一个内部天线和两个用于数据和电源的M12连接器。

  05 TigoHub——工业级IO-Link Wireless从站集线器
  TigoHub i4 是一个多端口I/O集线器,可为 IO-Link、数字和模拟设备提供 IO-Link 无线连接。模拟设备可以通过TigoConverter连接。最多4个IO-Link设备或6个IO-Link/DIO设备的组合可以连接到TigoHub并转换为IO-Link Wireless。TigoHub同时支持A类和B类IO-Link设备。


  06 总结
  工业级无线通信是工业4.0应用的关键支柱,而IO-Link Wireless技术的应用,能够实现传感器、执行器和其他设备之间的无线通信,为工业4.0的转型发展以及柔性制造提供更加强大、可靠、灵活的通信解决方案。IO-Link Wireless代表了工业自动化的重大进步,为已建立的 IO-Link 协议提供了一种无线替代方案。它提供的优势,迎合了工业环境中的一系列关键领域,例如运输轨道和输送系统,机器人和协作机器人,改造和状态监测,智能机床,旋转工作台和旋转木马以及机器优化和数据收集。通过采用这些创新的无线解决方案,企业可以提升其在管理运营、促进可持续性和实现整体增强性能方面的智能。