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IO-Link 1.1とその用途

著者 Lisa Eitel(リサ・アイテル) 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 提供
2020-04-20
マルツ掲載日:2020-07-27


 この記事ではIO-Linkについて取り上げ、IO-Link 1.1がこれまでのバージョンとどのように違うのかを説明します。次にIO-Linkがどのような自動アプリケーションで使用できるかを考察します。

   
図1:近年、特にロボットエンドエフェクトや他の空気圧アプリケーションでIO-Linkの利用が急増しています。(画像提供:SICK Inc.)

IEC 61131-9の背景

 商標登録名のIO-Linkでブランド化されているIEC 61131-9規格は、マシンオートメーションで一般的に採用されているアクチュエータやセンサに接続性を付与する1つのシステムを定義したオープン規格です。

 いくつかの試算では、IO-Link機能を搭載したデバイスの今後数年間の売上は毎年倍増し、2023年までに120億ドルを超える可能性があります。その事実は、新たに購入したハードウェアや既存のハードウェアでIO-Link機能を発見して活用している多くのOEMやプラントエンジニアとともに、特にここ数年でIO-Linkの使用が劇的に増加したことを意味しています。

略史

 1982年、国際電気標準会議(IEC)はプログラマブルコントローラとそのソフトウェアに関する独自の規約を制定しました。この規格は1993年に更新され、IEC 1131に改名されました。その後の更新と国際規格IEC 61131への改名は1997年に行われました。

 IEC 61131(IO-Linkの規格)のパート9は、2つのIEC分科委員会の共同作業によって確立された「小型センサとアクチュエータ用のシングルドロップデジタル通信インターフェース」に関するものです。1つの分科委員会では計測・制御装置に焦点を当て、もう1つの分科委員会では産業用ネットワークに焦点を当てています。

 シングルドロップ通信インターフェース(略称:SDCI)とは、IO-Linkがシステム内の各センサやアクチュエータを接続するために1本のケーブル(最長20m)を採用していることを意味します。そして、そのケーブルは、何十年もの間、産業用I/Oアプリケーションに広く使用されてきた一般的な非シールド3線式ケーブル(場合によっては5線式ケーブル)です。


図2:ここではIO-Link接続を備えたセンサを示しています。(画像提供:SICK Inc.)

 信じられないほどよくある誤解は、IO-LinkがDeviceNet、PROFINET、CC-Link、EtherNet/IP、EtherCATと競合するというものです。明確に言えることは、IO-Linkは標準化されたI/O技術に過ぎず、現在の通信ネットワーク、バックプレーンバス、フィールドバスプロトコルの補完を目的としているということです。多くの場合、IO-Linkは、選択したネットワークだけでは不可能なフィードバックとオートメーション機能を提供します。


図3:IO-Linkは、他の一般的なフィールドバスや産業用ネットワークへのフィールドデバイスの統合を簡素化し、IIoT(産業用モノのインターネット)機能の範囲を拡大します。(画像提供:SICK Inc.)

 IO-LinkのSDCIポイントtoポイント通信では、フィールドデバイス(例:センサ、他のスレーブ)の1点からIO-Linkハブやマスターコントローラの別の点まで接続が行われます。一部のメーカーでは、マスターをIO-Linkボックスまたはモジュールと呼んでいます。

 エンドポイント間の通信は、ネットワークやバスのクロスデバイス通信とは異なります。これらのクロスデバイス通信では、受信者のエンドデバイスまたは他のスレーブによってグローバルにブロードキャストされ、読み取られるパケットまたは「テレグラム」が通常使用されます。

 現在、IO-Linkの継続的な向上と普及に取り組むグループであるIO-Linkコンソーシアムでは、その規定、規格、更新情報をio-link.comで公開しています。

構成用IO-Linkソフトウェア

 すべてのIO-Linkデバイスは、使用前に設定が必要です。コミッショニングは通常、IO-Linkに対応したデバイスのメーカーが無償で提供するソフトウェアを介して行われます。または、自動化装置を制御するPLCや他の高レベルの産業用コントローラのメーカーから無料で提供されるソフトウェアを使用して行われます。

 設計エンジニアは、そのような制御システムソフトウェアに精通していることが多いため、その環境内でIO-Linkデバイスパラメータの構成を簡素化できます。このような接続性は、設置されたセンサや他のデバイスにも付与され、その場でパラメータを調整することが可能です。


図4:SICK Inc.のライトカーテンのIO-Link機能を、デスクトップから構成できます。(画像提供:SICK Inc.)

 一般的な設定プロセスでは、エンジニアはソフトウェアを使用して、IO-Linkマスターとそのデバイスを自動化設計の残りの部分に統合します。エンジニアは、構成メニューを通じて、より大きなシステムアーキテクチャの要件を満たすようにデバイスとマスターパラメータを設定します。

 IO-Linkデバイスを設定するためのソフトウェアは、標準化されたIOデバイス記述(IODD)ファイルを採用しています。場合によっては、IODDファイルを補完するものとして、独自のデバイスタイプマネージャまたはDTMファイル、アドオン命令、ファンクションブロックがあります。

 ファンクションブロックは、デバイスのプログラミングをさらに簡素化するためにデバイスメーカーによって独自のGUI(グラフィカルユーザーインターフェース)を介して提供されます。

 IODDファイルには、デバイス名、モデル、GUIを表示する画像、標準の動作範囲、IO-Linkシステムインターフェースに期待される信号が含まれています。IO-Linkコンソーシアムは、ioddfinder.io-link.comでデバイスメーカーによって編成されたダウンロード可能なIODDファイルのライブラリをホストしています。

 最終的にこれらのファイルはIO-Linkマスターにロードされ、基本的な操作と診断機能を実現します。ハブがシステムで使用されている場合はハブにもロードされます。

IO-Linkでのプロセス、イベント、デバイスデータ

 すべてのIO-Linkアプリケーションはマスターを介して自動的にデータを処理します。データはフィールドデバイスから定期的に送信されます(周期データとしてコントローラによって処理)。または、リクエストにより、もしくは必要に応じて送信されます(非周期データとしてコントローラによって処理)。また、コントローラは、これらのデータを次のように分類し、取り扱います。

イベントデータ—非周期データの1形態。これには、エラーやメンテナンスアラームのほか、トラブルシューティング情報も含まれます。これらのイベントデータは、軸の動き、センサ信号、またはスイッチ信号の問題が検出された場合に提供されます。

プロセスデータ—周期データの1形態。これは、フィールドデバイスが継続的に収集し、アップストリームのIO-Linkマスターに送信する位置、レベル、距離などの基本的な操作情報です。これらのプロセスデータ信号は、値のステータスデータとともにマスターに送信される場合があります。IO-Link通信の双方向性を利用して、プロセスデータは逆に(マスターからフィールドデバイスに)移動して、動作を変更するか、機械操作者にプリセットコードを表示するようにデバイスをトリガすることもできます。

デバイスデータ—非周期データの1形態。これはフィールドデバイスとそのモデル、パラメータ設定、ステータス、位置、その他の読み取り値に関する情報です。IO-Link通信の双方向性を利用して、デバイスデータはマスターからデバイスに移動して新しいパラメータなどを設定することもできます。

IO-Link 1.0から1.1への変更点

 2013年、IO-LinkコンソーシアムはIO-Linkを1.0から1.1に更新しました。IO-Link 1.1では、COM3と呼ばれるチャンネルを介した第3のデータ伝送速度がサポートされています。この伝送速度はIO-Link規格では最速で、これまでCOM1とCOM2の接続で可能だった機能を強化しています。

・COM1 — 最大4.8kビット/秒の伝送が可能なSDCI通信モード、サイクルタイムは最小18.0ミリ秒
・COM2 — 最大38.4kビット/秒の伝送が可能なSDCI通信モード、サイクルタイムは最小2.3ミリ秒
・COM3 — 最大230.4kビット/秒の伝送が可能なSDCI通信モード、サイクルタイムは最小0.4ミリ秒

 すべてのIO-Link 1.1マスターは、この新しいデータ速度とそれを採用するフィールドデバイスをサポートしなければなりません。さらに、1.1マスターは、1.0と1.1の両方のデバイスをサポートしています。

 1.1のもう1つの特徴では、仕様が類似しているIO-Linkデバイスは、異なるメーカーのものであっても交換可能であるという要件を活用しています。これにより、そして1.1マスターがパラメータを保存できる事実により、ホットスワップIO-Linkデバイスの自動構成が可能になり、破損したセンサや故障したセンサの交換が簡単になります。

IO-Linkに代わる従来の選択肢

 IO-Linkは、いくつかの状況で自動装置のプロセスを向上させます。多くの自動化された施設では、機械の状態や潜在的な問題を手動で追跡するという、オペレータベースのモニタリングへの依存度が依然として高くなっています。

 このような状況では、IO-Linkはその簡素性により、より効率的で信頼性の高いマシンモニタリングのために実行可能な代替手段を提供します。その理由は、従来のI/Oとは異なり、IO-Linkには双方向通信が含まれているため、迅速なセットアップや、アクチュエータとセンサの状態診断が可能になるからです。

 また、業界ではまだ比較的一般的に行われている、プラントでのフィールドデバイスのパラメータ手動設定がIO-Linkでは不要になります。手動設定では、遠隔地にある装置のフィールドデバイス(または機械に埋め込まれたフィールドデバイス)に物理的にアクセスして、読み取りやトラブルシューティング、再構成などを行うことを余儀なくされます。その代わりにIO-Linkは、オペレータがオンラインやローカルライブラリからパラメータをダウンロードすることを可能にします。

 これは、修理や操作の変更時に機械のダウンタイムを最小限に抑えるのに特に役立ちます。多くの場合、構成は通常の制御ソフトウェアを介して行われます。

 また、従来のセットアップで一般的なのがキャビネットベースの集中制御です。IO-Linkに関連するハードウェアは小型化されているため、非常に狭い機械のフットプリントにも適合し、分散制御をサポートできます。このハードウェアは、IO-Link対応のフィールドデバイスを補完するために使用されます。

 IO-Linkはアナログデータの使用を簡素化し、4~20mAのアナログ信号の理解に必要な(従来の機器で使用されている)特殊コンバータの必要性を排除します。また、IO-Linkは、アナログ信号、ディスクリート信号、バイナリ(オフオン)信号で送信可能な情報量を拡大します。

IO-Linkを使用した従来の4~20mAアナログ信号の詳細

 従来の装置におけるアナログセンサには、シールドケーブルと特殊コネクタ、そして次のものが必要です。

• A/D(アナログ/デジタル)出力コンバータ
• D/A(デジタル/アナログ)入力コンバータ(双方向通信用)

 これらの要素により、特に較正が必要なときに設計コストと複雑さが増し、場合によっては送信データが劣化する可能性があります。

 前述したように、IO-Linkでは、非シールド3線式ケーブルまたはそれに相当する電源付き5線式ケーブルを採用しています。これはアナログデバイスにも当てはまることで、センサとコントローラ間の信号伝送の信頼性を高め、データ損失をなくすことができます。

 IO-Linkは、そのデバイスがセンサ、アクチュエータ、グリッパ、バルブであるかを問わず、通信のための単一のインターフェースとして機能します。これは、バイナリスイッチング、アナログ入力/アナログ出力、RS232用に別々のインターフェースを必要とする装置よりもはるかにシンプルです。

IO-Linkの注意点と制限事項

 これまでに、自動化設計におけるIO-Linkのメリットについて考察してきました。しかし、よりシンプルなアプローチで十分な場合(あるいは手元の設計がスタンドアロンマシンである場合)にIO-Linkを実装するための追加の労力と複雑さは、必ずしも正当化できるものではありません。

 IO-Linkが有効な状況では、(前述のように)ケーブルの長さが20mを超えてはならないということが潜在的な制限要因となります。これは、代替システム、特にフィードバック用のアナログ信号を採用しているシステムとは対照的です。こうした代替システムは、大規模な自動運転でよく使用されている、はるかに長いケーブルに対応できます。

 最近まで、IO-Linkのもう1つの制限事項はサイクルタイムでした。COM3通信モード(サイクルタイムは最小0.4ミリ秒)の導入により、IO-Link 1.1は、モーション制御に関連するものも含めて、かなり要求の厳しいオートメーションタスクにも使用できます。

 もちろん、IO-Link 1.0デバイスはまだCOM1とCOM2の制限に縛られています。しかし、サイクルタイムの異なるデバイスは、1つのマスターから動作するのが一般的であるため、システムのインクリメンタルなアップグレードが可能になります。

 各デバイスのIODDファイルには、マスターがこの特定のデバイスと通信できる時間間隔(サイクルタイム)に関するマスターの情報が含まれています。この時間間隔は、マスターが処理に必要な時間とともに、全体の応答時間に影響を与えます。

 入出力プロセスデータのIO-Linkの制限は32バイトであり、これは、特定のリーダとトラッカーアプリケーションでIO-Linkの導入を妨げたり、複雑にしたりする可能性があります。しかし、統合された処理機能を持つデバイスは、この制限を克服することができます。

 最後に考えられる制限事項として、IO-Link機能を持つモデルでは、すべての特殊なセンサタイプが利用できるわけではないということがあります。

物理的なサブコンポーネントと設置


図5
:ここには、IO-Linkハブ(左)、シングルデバイスIO-Linkマスターモジュール(中央)、IO-Linkマスター(右)が示されています。(画像提供:SICK Inc.)

IO-Linkマスター

 IO-Linkマスター(前述のように、一部のメーカーではモジュールやボックスと呼ばれています)は、次の3つのことを行うハードウェアです。

(1) 接続されたIO-Linkフィールドデバイスの通信ポイントとして機能します。すべてのデバイスは、3つの標準的な通信速度のうちの1つを使用しています。どの速度が採用されているかを判断するのがマスターです。

(2) 接続されたIO-LinkフィールドデバイスのすべてのIODDファイルとパラメータを保存します。これは、起動時に、マスターがデバイスパラメータを受け入れ、その後、プロセスデータと値の周期的な交換を受け入れる通常の動作モードに切り替わる可能性があることを意味しています。

(3) PLCやPACなどのトップレベルの機械やオートメーション制御に接続して、フィールドバスやネットワーク、バックプレーンにデータを通信します。このようなデータの共有により、即時の機械機能にとっても、IIoTプログラムを導入した施設での企業レベルの分析でもデータにアクセスしやすくなります。

 PLC、HMI、PACへのIO-Linkマスターの接続性により、これらのコンポーネントのメーカーは近年、独自のIO-Linkマスターを、多くの場合、端子や(前述の)モジュールの形態で市場にリリースし始めました。SICK Inc.のIOLA2US-01101はシングルポートマスターの1例です。

 動作中のIO-Linkマスター上のすべてのポートは、非アクティブ化されているか、デジタル入力/出力に対応するように設定されているか、もしくは半二重モードのユニバーサル非同期レシーバ/トランスミッタ(UART)と呼ばれるデバイスを使用してIO-Linkモードで動作します。一般的なIO-Linkマスターは8つのポートを含み、次のことを行う可能性があります。

・各種のフィールドデバイスに直接接続
・マスターエクステンションとして機能するIO-Linkハブに接続(IO-Linkハブはフィールドデバイスのアレイに接続)

IO-Linkハブ

 今日では、最先端のIO-Linkハブ(ディストリビューションブロックと呼ばれることもあります)は、1つのIO-Linkマスターが100台以上(場合によっては200台以上)のフィールドデバイスを接続するのに役立ちます。

 簡素化されたシステム構成では、標準的なハブtoリンクプロトコルは独自のシステムよりも優れています。IO-Linkマスターとそのハブの両方にデバイス情報を保存することで、システムの整合性を維持します。これは、追加または交換用のフィールドデバイスと設計との互換性を確認することで実現されます。

IO-Link規格のケーブルとコネクタの特徴

3線式ケーブル構造:前述したように、IO-Linkのケーブルは、24Vと200mAを伝送するために一般的な非シールドの3線式構造を使用しています。フィールドデバイス(アクチュエータなど)に電源が必要な場合は、5線式バージョンが使用されます。

M5、M8、M12コネクタ:IO-Linkマスターが制御キャビネット内に設置することを意図したDINレールブロックや類似設計の形態をとる場合、ワイヤ接続は通常のプッシュイン端子を介して行われます。しかし、IO-Link接続がケーブルコネクタを採用している場合(機械に取り付けられるように設計されたIO-Linkマスターのように)、IO-Link規格はM5、M8、M12のジオメトリを必要とします。5線式コネクタは通常、IP65/67定格を備えています。

IO-Linkコンポーネントの堅牢性の定量化

 自動車業界は、IO-Linkの利用でリードしています。しかし、製薬・食品・飲料業界では、より多くのIO-Linkコンポーネント、特に洗浄定格のものを採用し始めています。このような堅牢なコンポーネントは機械に取り付けられたI/Oコンポーネントをサポートし、完全な分散制御を実現します。このような装置のIO-Linkコンポーネントの定格には、次のようなものがあります。

・IP20—水に対する保護はありませんが、通常の埃や取り扱いに耐える能力を示します。
・IP67—完全な防塵性と水没時の水の侵入に対する一時的な耐性を示します(屋外で便利)。
・IP69K—消毒手順に伴う高温高圧洗浄の浸入に対する保護を示します。

 さらに、ECOLAB認証を取得しているIO-Linkコンポーネントもあります。このECOLAB認証は、食品および飲料業界の機械メーカーが食品安全強化法に関連する規則を含む規制に準拠し、安全でない食品の取り扱いや包装を防止するのを支援しています。

IO-Link 1.1の用途

IO-Link機能を持つ一般的なコンポーネント

 IO-Linkがサポートするフィールドデバイスは、アクチュエータとセンサに分類することができます。

IO-Linkシステムのアクチュエータ:アクチュエータは、電気的な入力を受け入れ、何らかの機械的な出力をもたらす電気機械部品です。IO-Link対応のアクチュエータのオプションは豊富で、空気圧式リニアアクチュエータ、空気圧式マニホールドとバルブ、その他ソレノイド、さらにはステッピングモータをベースにしたものも含まれています。

 これらのデバイスへの接続は通常5線式のバリエーションで行われ、コントローラのサイクルタイムによる遅延のないデュアルチャンネルのリアルタイム通信を採用しています。これにより、データ評価などの2次対応のためのIO-Link通信を同時に行うことができます。

IO-Linkシステムのセンサ:IO-Link接続の一般的なセンサには、位置、変位、温度、圧力、色を追跡してレポートするものが含まれます。広く利用可能な他のオプションには、IO-Link光電センサと(IO-Link 1.1の機能強化により、より完全にサポートされている)RFIDセンシングシステムなどがあります。

ライトカーテンの特殊事例

 安全性の話題はこの記事の焦点ではありませんが、いくつかのライトカーテンには、カーテンに関連付けられた統計やリアルタイムのデータにアクセスできるようにするためのIO-Link接続があることは注目に値します。

 ここにその例を紹介します。
・OmronのF3SG-SRセーフティ光カーテン
・SICK Inc.のライトカーテン

IO-Link通信の採用について

IIoT機能とクラウド接続:IO-Linkは、データをマスターに保存し、バックアップのためにデータを送信する機能を備えています。これは、IO-Linkが既存の産業用ネットワークを補完する方法とともに、IIoT機能をサポートし、自動化されたパラメータ化とデータ収集のすべての利点を活用しています。

他のバスやネットワークへのデータ伝送:IO-Linkはすべての一般的な産業用ネットワークとフィールドバスに統合でき、マスターとデバイス間の双方向通信を実現するため、プロセス、サービス、イベントデータをトップレベルの制御、さらには企業システムにまで共有することができます。

IO-Linkを使用したレガシー機器のアップグレード

下位互換性:前述したように、IO-Link 1.1はCOM1、COM2、COM3の通信速度を使用するセンサに対応しているため、プラントエンジニアは、さほど高度ではない電子機器でデータ速度が遅いレガシー技術を使い続けることができます。下位互換性は新しい1.1マスターで維持されており、このマスターはすべて、1.0と1.1デバイスをサポートする必要があることがIEC 61131-9規格で規定されています。

IO-Link技術を活用する産業とユーザー

 すべてのメーカー、OEM、機械組立業者、プラント技術者、エンドユーザーはIO-Linkの恩恵を受けています。IO-Linkの詳細については、Maxim IntegratedのIO-Linkハンドブック(PDF形式)をダウンロードしてください。



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