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Formation Bus de Terrain _Partie 2a _ IO-Link

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Introduction : Les Entrées/Sorties dans les systèmes automatisés

1. Aujourd’hui, 80% de systèmes d’automatisme industriel sont des systèmes distribués, concentrés autour d’un réseau industriel,

2. 75% de composants matériels de ces systèmes sont des modules d’Entrées/Sorties

3. Avec l’équipement associé (capteurs, connecteurs, câbles), ils représentent• ~60% de coûts « matériels » • ~65% de coûts d’intégration (câblage, réglage, tests)

4. ~48% d’interventions concernent les problèmes de composants d’Entrées/Sorties (une panne, le remplacement, le réglage/paramétrage, l’extension)

5. Pour 70% d’utilisateurs, la réduction des coûts et l’amélioration de la productivité est déterminée par le choix des systèmes E/S (la fonctionnalité, la disponibilité, la facilité d’intégration, les prix)

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Introduction : Evolution des architectures des Entrées/Sorties

Source : W.Healy, « IO-Link, 5 reasons to switch to distributed I/O », White Paper, Balluff Inc, 2012

Les systèmes d’ Entrées/Sorties ont évoluées significativement dans les 40 dernières années.

L’objectif était toujours :

- Une réduction des coûts d’intégration et d’exploitation (par le point d’E/S),

- Une simplification et une réduction du temps de la conception et de la mise en œuvre,

- Une minimisation du nombre d’interfaces nécessaires (bornes, coffrets, connecteurs, câbles)

- Une augmentation de la disponibilité du système, avec une optimisation des procédés du dépannage

Centralisée Centralisée, déportée

DistribuéeDistribuée, déportée

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Introduction : Evolution des architectures des Entrées/SortiesLes résultats de cette évolution

1. La percée en matière de communication sur toutes les couches (niveaux) du système de Contrôle-Commande (réseaux industriels)

2. Une généralisation des composants intelligent (capteurs/actionneurs), avec un µprocesseur et un certain nombre de données à exploiter

3. Une réduction du nombre des variantes et d’interfaces grâce à la standardisation de la connectique

4. Diagnostic centralisé pour la globalité de l’installation et de l’équipement

Mais :

a) Les réseaux n’atteignent pas le niveau des capteurs/actionneurs dit « simples ». Donc les données embarquées restent souvent inexploitables

b) Certain problèmes « physiques » restent : - E/S TOR PNP/NPN, 2/3 fils (?), - E/S analogiques 0-10V/(0)4-20mA, 3/4/5 fils,- Le fonctionnement « mixte » (A/D) sur la même interface physique …

Donc, les coûts d’intégration (et d’exploitation) restent élevés, même pour des technologies d’E/S simples.

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Introduction : IO-Link - la dernière étape d’évolution des E/S

Power 24 V DC

IO-Link : est une interface communicante pour les capteurs/actionneurs:

1. Les modules, distribués sur le réseau, contiennent le dispositif de communications, du type «Maître/Esclave» avec les E/S

2. « Esclave » réalise une fonction simple d’E/S (TOR, ou analogique, ou numérique) et communique ses données au « Maître »

3. La connexion se fait via un simple câble à 3(5) fils, de la longueur max. de 20m,

4. Le fonctionnement «mixte A/D» est possibles, souvent « Plug & Work »

IO-Master IO-Slaves (device) ->

Main Controller

Source : Balluff Inc, 2012

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IO-Link : quelques détails techniques

- Qu’est-ce que c’est IO-Link ?- Comment fonctionne-t-il ?

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Qu’est-ce que c’est IO-Link ?1. IO-Link est une interface de

communication sérielle entre le système de commande et les composants dits « de bas niveau » : les capteurs et les actionneurs.

2. IO-Link est normalisé : IEC-61131-9

3. IO-Link est une structure type «Maître – Esclave», indépendante du bus de terrain utilisé et s’intègre facilement dans un réseau existant

4. IO-Link permet d’échanger :- des données de process (les

mesures),- des données de service - diagnostic (l’état du device), - les paramètres (configuration),

etc.5. IO-Link utilise le câble à 3(4/5 *) fils, non-

blindé, de la longueur max. 20m, et les connecteurs standardisés M12/M8/M5

(*) en fonction d’environnement 7

Power 24 V DC

IO-Master IO-Slaves (device) ->

Main Controller

Source : Balluff Inc, 2012

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Les composants du système IO-Link

Ethernet

FIELDBUS

IO-Link connectio

ns

IO-Link Devices (Slaves)

IO-Link Masters (Ports)

IO-Link est indépendant

du bus de terrain utilisé

Les composants IO-Link:

• IO-Link Device (Esclave)

(capteur/actionneur ou un autre dispositif défini dans la spécification IEC 61131-9)

• IO-Link Connection(un câble de communication 3/4/5 fils, non blindé, max 20m, avec connecteurs M12/M8/M5 selon la norme IEC 60947-5-2)

• IO-Link Master(p.ex. un module E/S de l’API ou déporté, une passerelle type CTEU/CAPC ou ProfiNet-IO-Link,…)

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Les composants du système IO-Link : le Master

1. Les produits du type IO-Link Master sont proposés par plusieurs fournisseurs

- Festo (CECC-LK, CTEU/CAPC, CPX-CTEL)- Siemens, Beckhoff, B&R, - Phoenix Contact, Wago, Murr Electronic- Balluff, Turck, IFM, Sick,

2. Le Master IO-Link peut avoir 1 à N ports de communication

3. Pour Master, il est conseillé d’utiliser une prise type M12, 5 broches, femelle

4. Pour le Master, la spécification défini deux classes de ports:

- Port classe A, où l’affectation de la broche 2 n'est pas détaillée,

et peut être librement définie par le constructeur,

- Port classe B pour les appareils nécessitant une alimentation spéciale.

Port A Port B

Info++

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Les composants du système IO-Link : IO-Link Device (Esclave)

IO-Link Master

IO-Link Device

1. Un IO-Link Device met à la disposition du Master un certain nombre de données:- Données de process (les valeurs mesurées),- Données de services (paramètres, données

diagnostic)- Données d’identification de l’appareil

2. Ces données sont rangées dans les endroits (adresses) bien précises et sont accessibles via le protocole IO-Link.

3. Chaque fabricant d’un appareil doit organiser la mémoire et créer les variables dans ces zones définies.

4. Toute cette information est décrite dans le fichier IODD fournis par le fabricant.(IODD = Input Output Device

Description)

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IO-Link : les bases du fonctionnement

1. Les connections sont «point-à-point» : UN port du Master = UN seule IO-Link Device (Esclave);

2. IO-Link peut fonctionner : - en mode SIO de commutation 24V; comme avec un capteur

« classique », et - en mode COM1/2/3 de communication sérielle (pulse modulation, std UART, 1/8/E/1)

3. Vitesses de communication possibles (kBit/s) : 4.8 (COM1), 38.4 (COM2), 230.4 (COM3)

4. Au niveau applicatif, IO-Link réalise 2 formes de transmission:

a) Transmission cyclique (par défaut) des données process(les valeurs analogiques sont numérisées et transmises en continu)

b) Transmission acyclique (à la demande du Maître):- Paramètres de configuration (Service Data)- Données diagnostiques- Evénements (erreurs, avertissements, notifications)

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IO-Link : les bases du fonctionnement : info ++, mais importante 1. Un port IO-Link peut être aussi utilisé comme une Entrée/Sortie TOR;

2. Le réglage se fait, en général, par le logiciel de configuration et doit être formellement décrite par le constructeur (dans la documentation de l’appareil).

SIO-Mode: Entrée ou Sortie TOR Standard - Un Capteur/Actionneur « Normal » de 24V peut être connecté

Exemple (Step 7): Configuration d’un port IO-Link par Software

IO-Link Communication-Mode: Port utilisé comme IO-Link Master- Communication sérielle avec IO-

Link Device,- Echange cyclique de données « process »

- Echange acyclique de données de service (paramètres/diagnostic/events)- Détection automatique de baud-rate

Port désactivé

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IO-Link : le fonctionnement (1)

1. Un IO-Link Master peut avoir 1 à N ports(CECC-LK possède 4 ports)

2. Un port est toujours connecté à un seule Esclave (device)

3. Un « device » démarre toujours en mode SIO (std IO mode)

4. Le port de Master pourrait avoir différentes configurations

5. Si le port est configuré en mode SIO, il fonctionne comme une Entrée/Sortie TOR standard

6. En Communication Mode (SDCI,COM1/2), le Master essaye d’établir la communication avec l’Esclave (IO-Link device)

7. C’est une procédure de réveil (Wake-Up)

8.

SDCI (Single DropCommunication Interface)

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IO-Link : le fonctionnement (2) : Wake-Up (le réveil)

1. Pendant le REVEIL (Wake-Up), le Master commence par l’envoie d’une télégramme spécifique WURQ et attend la réponse de « Device » (Esclave)

2. Il commence par le baud-rate le plus élevé (COM3 ou COM2)3. En cas d’échec, il essaie avec le baud-rate plus petit (COM2 ou COM1) 4. Chaque fois, il y a trois tentatives de la part du Master5. Si l’Esclave répond, les deux partenaires entre en communication6. D’abord ils échangent les paramètres, et puis c’est l’échange

cyclique qui démarre

1. Master telegram in COM3 (230.4 kbit/s) (optional)

2. Master telegram in COM2 (38.4 kbit/s)3. Master telegram in COM1 (4.8 kbit/s)4. Response from device in COM1

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Mise en œuvre IO-Link : les outils software d’ingénierie

Pour intégrer une liaison IO-Link dans une application, il faut :• Une description et documentation de l’appareil IO-Link,• Un configurateur (software) de ports IO-Link

- soit, intégré dans l’atelier logiciel du système de commande,- Soit un outil standard FDT/DTM (avec un plug-in IO-Link tools)- Soit un adaptateur USB/IO-Link (p.ex. de chez TURCK, ifm,…)

• Un fichier de description du produit : IODD, - fourni par le fabricant, ou- Disponible sur le WEB-site du constructeur

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Mise en œuvre IO-Link : les outils software d’ingénierie

L’intégration de l’appareil IO-Link est très facile et se fait en 4 pas:

1. Sélection du port Master

2. Sélection de IO-Link Device (dans le catalogue IODD ‘s de l’équipement disponible)

3. Paramétrage de l’appareil (si nécessaire)

4. Acceptation et validation de sélection (p.ex. boutons « Install device », « Plug device », …)

NB.

Souvent l’étape 2 peut être réalisée automatiquement (option « Scan device »)

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Exemple : l‘Intégration de IO-Device (sous CoDeSys V3)

3. Plug Device to your application

1. Select Device Repository, select IO-Link Devices and click Install…

2. Select the (IODD) XML file

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Exemples de l’application avec IO-Link (sources diverses)

Utilisation E/S analogiques:1. Directement avec des capteurs équipés d’interface IO-Link 2. Via un convertisseur D/A (IO-Link/analogue) (p.ex. de chez Balluff)

1 2

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Exemples de application avec IO-Link (sources diverses)

1. Terminaux distributeurs (en version multi-pole)Attention:

Nous avons les VT : CPV10/14, MPA-L, VTUB,

VTUG en version IO-Link/I-Port

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Exemples de l’application avec IO-Link

1. Les démarreurs de moteurs (Siemens)

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Nouveau standard : IO-Link

Quels sont les avantages « clé » d’ IO-Link?

IO-Link permet :

- un meilleur diagnostique,

- plus de fonctionnalités,

- plus de la disponibilité et,

- moins des coûts de maintenance

- une réduction significative du câblage,

- une réduction des temps d’ingénierie et de la mise en service

Câblage&

Coûts&

Temps

Disponibilité&

Diagnostic&

Fonctionnalité

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Les avantages « clé » d’ IO-Link : l’ingénierie aisée grâce à la standardisation

• Grâce aux câbles et connecteurs standardisés, le temps de câblage est réduit de façon très significative; ceci permet d’installer/dupliquer les systèmes d’entrées/sorties SEPT à DIX fois plus vite.

• Montage et câblage sans défaut : les câbles pré-confectionnés, détrompeurs dans les connecteurs, les connexions point-à-point,…

• Intégration facile avec différentes plateformes d’automatisme (bus de terrain, PLCs)

• Réduction de la complexité du câblage (moins de point de connexion) et de l’encombrement des armoires de commande par l’utilisation des câbles simples (3 broches, connecteur M12)

• IO-Link change la façon de conception des systèmes d’automatisme en permettant de réaliser des systèmes plus petits, plus intelligents et plus rapides à assembler

Coûtset

Temps

Disponibilité&

Diagnostic&

Fonctionnalité

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Nouveau standard : IO-Link

Les avantages de IO-Link en terme d’exploitation et maintenance

• Intégration et paramétrage aisé : de la configuration « on-board » jusqu’aux appareils de terrain: Grâce à la spécification software standardisée (FDT/DTM,

IODD), les appareils IO-Link s’intègrent facilement dans les plateformes logiciels des différents fournisseurs;

• Transparence système maximum L’accès permanent aux données process et de services

(diagnostic, paramètres) est des capteurs/actionneurs; jusqu’au niveau terrain

• Réduction des temps d’arrêts et de maintenance Localisation précise du défaut sur chaque appareil de

terrain et messages de défaut en texte clair

• Remplacement «à chaud» des appareils IO-Link (Device) de même type (nb. et du même fournisseur !)

Coûtset

Temps

Disponibilité&

Diagnostic&

Fonctionnalité

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FESTO et IO-Link

FESTO est un de membre fondateur du consortium IO-Link

Les membres actuels

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Solutions IO-Link / I-Port autour CPX-CTEL et CTEU/CAPS

Entrées TOR déportées-module CTSLavec IO-Link /I-Port CTSL-D-E16-M8-3CTSL-D-E16-M12-5

I-Port MasterCAPC-F1-E-M12

CPX 4-fach I-Port MasterCPX-CTEL-4-M12-5POL

MPA-L avec IO-Link/I-PortVMPAL-EPL-IPO32

VTUG avec IO-Link/I-PortVAEM-L1-S-8-PTVAEM-L1-S-16-PTVAEM-L1-S-24-PT

VTUB-12 avec IO-Link/I-PortVersions:VPT – I-PortVLK – IO-Link

CPV avec IO-Link/I-PortCPV10-GE-PT-8CPV14-GE-PT-8

Nœuds Fieldbus avec 2 I-Ports CTEU-PB (Profibus)CTEU-DN (DeviceNet)CTEU-EC (EtherCAT)CTEU-CO (CANopen)CTEU-CC (CC-Link)

FESTO et IO-Link

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CPX-CTEL, CTEU/CAPC : les fonctions réalisées

IO-Link / I-Port Pneumatique

I-Port Master

IO-Link / I-Port Entrées TOR

CPX-CTEL-4 CTSL-D-16E-M8-3-PTCTSL-D-16E-M12-5-PT

CAPC-F1-E-M12 +- CTEU-PB- CTEU-CO- CTEU-DN- CTEU-EC- CTEU-CC

MPA-L 10mmMPA-L 14mmMPA-L 20mm

VTUG 10VTUG 14 + VAEM-L1-S-8-PT VAEM-L1-S-16-PT VAEM-L1-S-24-PT

VTUB-12 CPV10CPC14

CECC-LK4 x IO-Link Master ports1 x IO-Link Device

FESTO et IO-Link

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Valve terminals avec l’interface IO-Link Important :TOUS les terminaux distributeurs

Festo qui possèdent l’interface I-Port peuvent être utilisés comme les Esclaves (Device) IO-Link

Ils ont tous:• LED d’état (status)

Communication and power • Connecteur M12 d’interface

A-coded, 5-broches avec alimentation séparée pour des actionneurs (bobines)

• Profile d’intégration avec le fichier IODD Disponible sur le portal Festo (download area)

• Lest données diagnostic et paramètresAccès aux événements comme manque de tension, rupture bobine et aussi les données de service comme Device-ID, No série, version de firmware,…

FESTO et IO-Link

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IO-Link et I-port (Festo) : les différences

Pourquoi I-Port Festo ?(différences entre std. IO-Link et I-Port):

• Fonctionnalité Plug & work avec produits Festo-> Pas besoin de IODD pour l’intégration-> Pas besoins de paramètres de configuration

• 230.4 kBit/s : vitesse de transmission

• Nb données réduit (protocole simplifié)max. 8 Octets I/O data

=> temps cycle pour 2 octets = 2ms

I-Port

8Byte I/O

2ms for 2 Byteat 230.4 kBd

Plug and Work

FESTO et IO-Link

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IO-Link / I-Port

Plug & Work

+8 octets

de données (I/O data)

+

I- Port (Festo)

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Nouveau standard : IO-Link

CECC-LK

• Inputs / Outputs12 In + 8 Out 24 VDC, 0.5A, galv. Isolated2 fast inputs 200kHzLEDs for IOs, Run + ErrorRTC

• InterfacesUSB, CANopen4x IO-Link Master, 1x IO-Link Device

CECC-LK: 4 ports IO-Link Master / 1 port IO-Link Device

2*Supply IO-Link-M

4 IO-Link Master1*IO-Link

Device

1*Supply

2 (Fast) + 12 Input

I/O Suppl

y8 Out

FESTO et IO-Link

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Nouveau standard : IO-Link

Future proche : CPX-CTEL-IO-Link Master (Q1 2015)

FESTO et IO-Link

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Nouveau standard : IO-Link

IO-Link dans le future USB de l’automatisme ?Communication Standard USB IO-Link

Realm of Technology Personal Computers Industrial Automation

Parameter Data of Device Device Driver IODD File

Communication Signal 5V DC Serial 24V DC Serial

Connector Standards Type, Mini, Micro M12 5pin

Communication Design Slave & Host Device & Master

Cable Media 9wire Shielded 4wire unshielded

Plug & Work YesYes (for the same type of

device)

• USB a été conçu pour normaliser les interfaces de périphériques et leur installation sur les PC.

• USB a révolutionné l'informatique personnelle en fournissant une interface standard pour les appareils périphériques simples : à partir de disques durs au clavier.

• USB est basé sur un pilote (Device Driver) qui assure la fonctionnalité Plug & Work.

• Et si l'appareil tombe en panne, vous achetez un nouveau, vous le branchez et …. il fonctionne.

• Pour IO-Link : il commence avoir le même impact dans l’automatisme que USB (au début),

• Maintenant, on n’attend que plus de produits… (et application)

Pour commencer ….

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FINMerci pour votre attention

Questions ?

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Annexes

Annexe 3 : IO-Link Master : Ports A/B

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Les composants du système IO-Link : les ports A/B de Master

Port classe A La broche 4 peut être configurée soit comme Entrée TOR(DI), ou Ligne de communication IO‐Link, ou comme une Sortie TOR (DO) avec le courant limité. Broche 2 est « libre » d’utilisation.

Port classe B Ce type du port est désigné aux capteurs/actionneurs avec une alimentation isolée électriquement. Les broches 2 et 5 sont dédiées à cette alim. additionnelle.