IO-Link Wireless：更可靠、更實(shí)時的工業(yè)無線技術(shù)
發(fā)布時間：2023-09-05 作者：www.xstr.xyz
本文圖片來源：虹科
01 工業(yè)4.0與柔性生產(chǎn)
面向工業(yè)4.0，制造商正在將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）、人工智能（AI）、機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）、云計算以及大數(shù)據(jù)分析等數(shù)字技術(shù)集成到現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)施和運(yùn)營過程中。這種集成可以創(chuàng)建更加高效、更加靈活的制造流程與生產(chǎn)線，因此也要求機(jī)器、設(shè)備和系統(tǒng)各個層面無縫地通信和信息交換，實(shí)現(xiàn)從制造車間一直到管理系統(tǒng)和云平臺的完全連接。
同時，工業(yè)4.0的主要目標(biāo)之一，就是實(shí)現(xiàn)未來的工廠走向柔性化。過去，車間是相當(dāng)靜態(tài)的，往往長時間生產(chǎn)一種產(chǎn)品或一系列產(chǎn)品。如今，柔性制造和快速創(chuàng)新正在推動工廠在相同的環(huán)境中以更快的速度和更高的吞吐量生產(chǎn)更多不同的產(chǎn)品。工廠的生產(chǎn)制造，更多的以消費(fèi)者為導(dǎo)向，用戶個性化需求越來越多，這對生產(chǎn)線的反應(yīng)速度提出了更高的要求。為了跟上并保持競爭力，制造商需要比以往任何時候都更加靈活、多功能、可擴(kuò)展和具有成本效益的機(jī)器和生產(chǎn)線。
02 轉(zhuǎn)型中的挑戰(zhàn)
隨著生產(chǎn)制造正在向工業(yè)4.0以及柔性制造轉(zhuǎn)型，設(shè)備和系統(tǒng)之間的高效通信對于優(yōu)化生產(chǎn)力并確保無縫和增強(qiáng)的運(yùn)營至關(guān)重要。先進(jìn)的通信技術(shù)可以實(shí)時監(jiān)測和控制生產(chǎn)過程，從而提高效率和生產(chǎn)力。新的通信場景，需要適合工業(yè)領(lǐng)域的無線連接。現(xiàn)有的無線通信在延遲、可靠性和可擴(kuò)展性方面不符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
01 工業(yè)中的通信技術(shù)
在工業(yè)3.0中，有線通信為傳統(tǒng)靜態(tài)機(jī)械的監(jiān)測和控制提供了高度可靠的連接，幫助自動執(zhí)行某些流程并收集和共享數(shù)據(jù)。但當(dāng)涉及到具有快速移動或旋轉(zhuǎn)部件的移動設(shè)備和機(jī)器時，電纜限制了機(jī)器的靈活性和敏捷性，可能會退化或斷裂，導(dǎo)致停機(jī)，這使得擴(kuò)展和適應(yīng)不斷變化的生產(chǎn)需求具有挑戰(zhàn)性。
另一方面，盡管Wi-Fi、Zigbee 和藍(lán)牙等標(biāo)準(zhǔn)無線協(xié)議徹底改變了IT技術(shù)，但它們無法滿足對一致性、延遲和可擴(kuò)展性的嚴(yán)格工業(yè)要求，并且生產(chǎn)車間是惡劣的環(huán)境，具有很強(qiáng)的干擾、振動和噪音，使機(jī)器通信變得困難，因此傳統(tǒng)的無線解決方案無法滿足機(jī)器通信的要求。
02 IT與OT的融合
工業(yè)4.0的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)依賴于互聯(lián)互通，從工廠車間的傳感器、設(shè)備和機(jī)器收集的大量數(shù)據(jù)可確保制造資產(chǎn)的實(shí)時可見性，并可以提供用于執(zhí)行預(yù)測性維護(hù)的工具，以最大限度地減少設(shè)備停機(jī)時間。但不同類型的技術(shù)并不總是同步發(fā)展。一方面，信息技術(shù)（IT）在通信技術(shù)方面遙遙領(lǐng)先，首先采用Wi-Fi，藍(lán)牙和蜂窩等無線協(xié)議，其次是5G和IoT。但另一方面，運(yùn)營技術(shù)（OT）的發(fā)展速度較慢，仍然在很大程度上依賴于有線通信基礎(chǔ)設(shè)施。將IT和OT合并到一個優(yōu)化的系統(tǒng)中，需要在工廠的各個層面進(jìn)行無縫通信，而沒有信息孤島。
因此，需要一種智能、簡單、低成本的工業(yè)級無線通信，從設(shè)備級（傳感器、執(zhí)行器）到現(xiàn)場總線（PLC、工業(yè)PC），再到云端和企業(yè)級的應(yīng)用。IO-Link Wireless這種工業(yè)級無線協(xié)議就是為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)而創(chuàng)建的，它利用先進(jìn)的無線技術(shù)在工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)無縫可靠的通信。它實(shí)現(xiàn)了IT和OT之間的完整和實(shí)時信息流，在靈活性、敏捷性和附加優(yōu)勢方面取得了重大飛躍。
03 什么是IO-Link Wireless技術(shù)？
IO-Link Wireless是基于IO-Link IEC 61131-9標(biāo)準(zhǔn)為工廠自動化設(shè)計的全球無線通信標(biāo)準(zhǔn)，被定義為對已經(jīng)建立的IO-Link基礎(chǔ)技術(shù)的系統(tǒng)擴(kuò)展，保留了 IO-Link 的優(yōu)勢，同時引入了專門針對現(xiàn)代工業(yè)需求量身定制的其他優(yōu)勢。它旨在取代工廠自動化中的電纜，用于遠(yuǎn)程傳感器/執(zhí)行器控制和監(jiān)測。它非常適合滿足工業(yè)4.0的要求，可以輕松實(shí)時訪問設(shè)備，以進(jìn)行驅(qū)動和數(shù)據(jù)收集。
01 IO-Link Wireless上層概述
IO-Link Wireless 定義了工廠自動化環(huán)境中傳感器、執(zhí)行器和控制器之間的無線網(wǎng)絡(luò)通信。它旨在提供與電纜類似的性能水平和向后兼容的接口，因此，從有線系統(tǒng)向無線系統(tǒng)的遷移變得很容易。IO-Link Wireless為每個主站的無線節(jié)點(diǎn)（傳感器或執(zhí)行器）提供高達(dá)5毫秒的確定性延遲通信，保證每個數(shù)據(jù)包都能在一定的延遲時間內(nèi)送達(dá)。
一個5毫秒的IO-Link Wireless周期由3個子周期組成，每個周期的持續(xù)時間為1.6毫秒。每個子周期以不同的頻率進(jìn)行通信。子周期包括下行鏈路部分和上行鏈路部分。下行部分，由IO-Link Wireless主站向軌道上的所有IO-Link Wireless無線設(shè)備廣播。上行部分是一個單播的時間復(fù)用信息，由IO-Link Wireless設(shè)備隨后根據(jù)定義的時隙發(fā)送。
IO-Link Wireless設(shè)備在未經(jīng)許可的2.4GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段上運(yùn)行。一個IO-Link Wireless主站可支持多達(dá)40臺 IO-Link Wireless設(shè)備。每個主站分為五個通道，無線主站的每個通道最多可支持8臺 IO-Link Wireless設(shè)備。所有無線主站通道同時以不同頻率進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)最佳網(wǎng)絡(luò)利用率。此外，多個IO-Link Wireless主站可以共存于同一空間。
02 IO-Link Wireless特性
可靠性：IO-Link Wireless通過高斯頻移鍵控 (GFSK) 調(diào)制以及關(guān)鍵數(shù)據(jù)的重復(fù)機(jī)制，使得可靠性能達(dá)到1e-9的數(shù)據(jù)包錯誤率(PER)。相比之下，它比Wi-Fi、藍(lán)牙和Zigbee等無線標(biāo)準(zhǔn)（PER值為1e-3）的可靠性高出5個數(shù)量級。
確定性：IO-Link Wireless被設(shè)計為一種確定性協(xié)議，可保證每個數(shù)據(jù)包在一定的延遲時間內(nèi)傳送。IO-Link Wireless周期的結(jié)構(gòu)是嚴(yán)格定義的，其確定性屬性確保了網(wǎng)絡(luò)的可預(yù)測性。
低延遲：IO-Link Wireless系統(tǒng)為確定性5毫秒低延遲，每個5毫秒的IO-Link Wireless周期由3個子周期組成，每個子周期的持續(xù)時間為1.6毫秒。
可擴(kuò)展：每個主站分為五個通道，無線主站的每個通道最多可支持8臺，每個無線主站可連接40個節(jié)點(diǎn)。而一個區(qū)域中，可以3個主站共存，因此一個IO-Link Wireless單元中可擴(kuò)展多達(dá)120個設(shè)備。
共存性：IO-Link Wireless系統(tǒng)通過黑名單和自適應(yīng)跳頻等機(jī)制與其他無線網(wǎng)絡(luò)和干擾器共存。黑名單是一種旨在避免與無線系統(tǒng)（如Wi-Fi）發(fā)生潛在空中碰撞的機(jī)制。跳頻用于確保IO-Link Wireless系統(tǒng)組件具有足夠的性能，并減少干擾的影響。作為一種抗干擾措施，跳頻在每次傳輸中交替使用頻率信道，使PER值達(dá)到1e-9，與有線連接相當(dāng)。
兼容性：IO-Link Wireless與IO-Link兼容，可以使用IO-Link集成方法和工具，為系統(tǒng)集成商和工廠人員提供了明顯優(yōu)勢。
04 IO-Link Wireless的應(yīng)用
IO-Link Wireless的使用為機(jī)器制造商、系統(tǒng)集成商和工業(yè)設(shè)備制造商提供高性能的機(jī)器數(shù)字化、無線連接和邊緣解決方案，從而實(shí)現(xiàn)更快、更靈活的制造。工業(yè)級無線通信是工業(yè)4.0應(yīng)用的關(guān)鍵支柱，能夠?qū)㈧`活性和敏捷性提升到新的水平，并進(jìn)一步推動預(yù)測性維護(hù)和卓越運(yùn)營，滿足柔性制造的需要。IO-Link Wireless使運(yùn)輸和輸送系統(tǒng)更加先進(jìn)，機(jī)器人的運(yùn)動更加靈活，旋轉(zhuǎn)機(jī)械能夠?qū)崟r控制和監(jiān)測，傳感器能夠放置在工廠的任何位置進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)收集。
01 協(xié)作機(jī)器人——提高靈活性
機(jī)器人技術(shù)的關(guān)鍵要求是運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)和拐彎的自由度和靈活性。這就意味著，能夠到達(dá)末端執(zhí)行器的布線必須設(shè)計得不會限制機(jī)械臂的實(shí)際操作。無線連接使設(shè)計和外形尺寸更合理，而且無需考慮電纜，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)、更大的操作范圍以及傳感器和執(zhí)行器的模塊化部署等功能。IO-Link Wireless能夠使機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人末端執(zhí)行器的無線連接成為現(xiàn)實(shí)，其可靠性不亞于有線通信，而且不受約束。
02 運(yùn)輸軌道和智能輸送系統(tǒng)——大規(guī)模定制
獨(dú)立移動的運(yùn)輸軌道系統(tǒng)正成為包裝消費(fèi)品、食品飲料和汽車等行業(yè)新機(jī)器設(shè)計的關(guān)鍵要素。然而，這些移動裝置在實(shí)時控制和監(jiān)控方面受到有線IO和通信的限制。運(yùn)輸系統(tǒng)可以通過IO-Link Wireless通信與傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行集成，產(chǎn)品可以在持續(xù)運(yùn)動中以最靈活和同步的方式進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換和快速模具設(shè)置，以進(jìn)行柔性化生產(chǎn)。無線連接還意味著減少了機(jī)械部件，從而降低了機(jī)器的占地面積和維護(hù)成本。
03 改造和狀態(tài)監(jiān)測——減少維護(hù)和停機(jī)時間
測量和分析生產(chǎn)線的性能有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少浪費(fèi)、提高生產(chǎn)線速度、防止意外停機(jī)和進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)。IO-Link Wireless解決方案可在單個機(jī)器區(qū)域內(nèi)從包裝機(jī)的數(shù)百個傳感器收集最佳數(shù)據(jù)。該方案被設(shè)計用于在干擾、振動和噪音等非常惡劣的環(huán)境中工作，因而可以簡單且高效地改造和翻新現(xiàn)有機(jī)器上的眾多設(shè)備，并簡化搬遷、升級和新機(jī)器的部署工作。
04 機(jī)器優(yōu)化和數(shù)據(jù)收集——提高安全性
數(shù)據(jù)采集在工業(yè)環(huán)境中通常被認(rèn)為是不具備成本效益或不可行的。一個傳感器必須被放置在數(shù)據(jù)所在的地方，這些位置通常是具有挑戰(zhàn)性或難以到達(dá)的地方，比如機(jī)器的零件內(nèi)部、快速移動或旋轉(zhuǎn)的平臺上，或在遠(yuǎn)程的位置。IO-Link Wireless解決方案是一種將設(shè)備無線連接到云的安全方式。
05 虹科IO-Link Wireless解決方案
虹科致力于為工業(yè)應(yīng)用提供領(lǐng)先的通信解決方案，IO-Link Wireless技術(shù)可實(shí)現(xiàn)傳感器和執(zhí)行器之間的無線通信，為智能工廠和生產(chǎn)線提供強(qiáng)大、可靠和安全的通信解決方案。我們提供的IO-Link解決方案基于開放代碼的IO-Link協(xié)議，該協(xié)議已擴(kuò)展到無線使用以實(shí)現(xiàn)各種解決方案，例如運(yùn)輸軌道和輸送系統(tǒng)，無線機(jī)器人，智能機(jī)床，旋轉(zhuǎn)臺和旋轉(zhuǎn)木馬以及狀態(tài)監(jiān)測和機(jī)器改造的應(yīng)用。
01 TigoEngine——高效設(shè)置IO-Link無線主站和設(shè)備
TigoEngine 是一種基于軟件的工程工具，用于高效設(shè)置 IO-Link 無線主站和設(shè)備。它支持安裝、配置和監(jiān)控 IO-Link 無線系統(tǒng)。通過直觀的用戶界面，TigoEngine 簡化了 IO-Link 無線系統(tǒng)的部署和維護(hù)。TigoEngine 還支持將數(shù)據(jù)從無線設(shè)備聚合和通信到其他企業(yè)和基于云的應(yīng)用程序。
02 TigoLeap——數(shù)據(jù)采集、流程調(diào)整、增強(qiáng)協(xié)作
TigoLeap是一個軟件平臺，用于工業(yè)高速同步收集和分析多源OT數(shù)據(jù)。它通過提供可視化、存儲和共享自動化和測試相關(guān)數(shù)據(jù)的工具，徹底改變了開發(fā)機(jī)器的方法。TigoLeap專注于性能改進(jìn)和機(jī)器優(yōu)化，可以從機(jī)器收集所有數(shù)據(jù)類型，根本原因分析，機(jī)器調(diào)整，模型/過程調(diào)整和遠(yuǎn)程訪問。它是一個以機(jī)器為中心的平臺，具有一系列工具和服務(wù)，可實(shí)現(xiàn) OEE的持續(xù)優(yōu)化、縮短和優(yōu)化的爬坡時間、生成洞察力以及增強(qiáng)的遠(yuǎn)程支持功能。
03 TigoMaster——工業(yè)級IP67 IO-Link Wireless主站平臺
TigoMaster具有兩條IO-Link無線軌道，可同時支持多達(dá)16個IO-Link無線設(shè)備。TigoMaster 2TH包括各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的接口，如EtherNet/IP、PROFINET、EtherCAT和OPC-UA。它直接連接到PLC和IT網(wǎng)絡(luò)。
04 TigoBridge——工業(yè)級IO-Link Wireless設(shè)備
TigoBridge具有IP67外殼，它可以無縫、輕松地通過IO-Link無線技術(shù)將IO-Link設(shè)備連接到IO-Link無線主站，設(shè)備可以是 IO-Link傳感器、IO-Link執(zhí)行器或IO-Link多端口 I/O集線器。TigoBridge包含一個內(nèi)部天線和兩個用于數(shù)據(jù)和電源的M12連接器。
05 TigoHub——工業(yè)級IO-Link Wireless從站集線器
TigoHub i4 是一個多端口I/O集線器，可為 IO-Link、數(shù)字和模擬設(shè)備提供 IO-Link 無線連接。模擬設(shè)備可以通過TigoConverter連接。最多4個IO-Link設(shè)備或6個IO-Link/DIO設(shè)備的組合可以連接到TigoHub并轉(zhuǎn)換為IO-Link Wireless。TigoHub同時支持A類和B類IO-Link設(shè)備。
06 總結(jié)
工業(yè)級無線通信是工業(yè)4.0應(yīng)用的關(guān)鍵支柱，而IO-Link Wireless技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器、執(zhí)行器和其他設(shè)備之間的無線通信，為工業(yè)4.0的轉(zhuǎn)型發(fā)展以及柔性制造提供更加強(qiáng)大、可靠、靈活的通信解決方案。IO-Link Wireless代表了工業(yè)自動化的重大進(jìn)步，為已建立的 IO-Link 協(xié)議提供了一種無線替代方案。它提供的優(yōu)勢，迎合了工業(yè)環(huán)境中的一系列關(guān)鍵領(lǐng)域，例如運(yùn)輸軌道和輸送系統(tǒng)，機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人，改造和狀態(tài)監(jiān)測，智能機(jī)床，旋轉(zhuǎn)工作臺和旋轉(zhuǎn)木馬以及機(jī)器優(yōu)化和數(shù)據(jù)收集。通過采用這些創(chuàng)新的無線解決方案，企業(yè)可以提升其在管理運(yùn)營、促進(jìn)可持續(xù)性和實(shí)現(xiàn)整體增強(qiáng)性能方面的智能。