IO-Link: cos'è e come funziona nell'ambito dell'automazione

IO-Link è uno standard di comunicazione aperto nel campo dell’automazione industriale, progettato per consentire la comunicazione bidirezionale e la trasmissione di dati tra sensori, attuatori industriali e sistemi di controllo (PLC o controller).

I dispositivi di campo sono appunto sensori, attuatori e altri dispositivi distribuiti fisicamente sul campo di produzione o sul sito industriale. Questi oggetti sono essenziali per monitorare e controllare il processo di produzione, acquisire dati ambientali e interagire con il sistema di controllo per regolare le operazioni da svolgere.

Cos’è IO-Link e come funziona

Nel caso dei dispositivi compatibili con IO-Link, il sistema di controllo può inviare comandi ai dispositivi, ma questi ultimi – a loro volta – possono trasmettere informazioni dettagliate al sistema di controllo. IO-Link sfrutta una connessione trifilare standard per la trasmissione dei dati. Dei tre fili, uno gestisce l’alimentazione e due sono utilizzati per la trasmissione dati  simmetrica che, di solito, avviene utilizzando cavi standard senza schermatura aggiuntiva. In alternativa, è possibile adoperare anche un cavo a cinque fili.

Uno dei vantaggi di IO-Link è la possibilità di parametrizzare e configurare i dispositivi da remoto: in questo modo si può intervenire a distanza sul comportamento di ciascun device senza operare interventi diretti sul campo. Inoltre, IO-Link può essere eventualmente integrato con altri protocolli di comunicazione, come Profibus, Profinet, Ethernet/IP e così via consentendo di gestire le esigenze più disparate.

IO-Link è nato con l’obiettivo di digitalizzare e/o di rendere intelligenti tutti quei dispositivi “poveri”, sensori e attuatori, che di norma sono analogici o utilizzano un approccio digitale molto semplice. Così, essendo una soluzione tecnologica di fatto senza competitor a livello globale e in continua crescita, IO-Link è passato da 21 milioni di nodi operativi a fine 2020 a 35,7 milioni a
fine 2022. Oggi IO-Link è direttamente utilizzata da oltre 440 vendor in tutto il mondo.

Le comunicazioni IO-Link

La comunicazione in IO-Link è di tipo seriale; inoltre, è ciclica e aciclica. La comunicazione ciclica avviene periodicamente (dati di processo); la comunicazione aciclica avviene in risposta a eventi specifici o richieste del sistema di controllo (dati del dispositivo ed eventi).

Al verificarsi di un evento, il dispositivo compatibile IO-Link segnala al master la presenza dello stesso; successivamente, il master legge l’evento. Gli eventi possono essere messaggi di
errore (ad es. cortocircuito) e avvisi/dati di manutenzione (ad esempio segnalazioni sulla presenza di sporco o situazioni di surriscaldamento…). Il master IO-Link è a sua volta in grado di trasmettere eventi e stati.

Nella specifica V1.1 dell’IO-Link sono indicate tre velocità di trasmissione dati:

• COM 1 = 4,8 kBaud
• COM 2 = 38,4 kBaud
• COM 3 = 230,4 kBaud (opzionale secondo la specifica V1.0)

Ciascun dispositivo IO-Link supporta soltanto una delle velocità di trasmissione definite mentre il master è compatibile con tutte, adeguandosi automaticamente.

Digitalizzazione dei dispositivi che parte dal campo per assicurare massima interoperabilità

Il Consorzio PI Italia raggruppa le aziende che, nel nostro Paese, condividono il supporto per le tecnologie IO-Link, Profibus e Profinet combinando la loro esperienza e professionalità per trasformare le idee in standard, gli standard in prodotti innovativi e i prodotti innovativi in soluzioni complete per l’automazione.

Durante l’evento IO-Link Day, il primo a livello italiano svoltosi in questi giorni, i partecipanti si sono confrontati su tanti esempi di raccolta dei dati sul campo e sulla loro trasformazione in informazioni utili al processo di automazione industriale. Come ha spiegato Giorgio Santandrea, presidente del Consorzio PI Italia, IO-Link apre una serie di opportunità per prelevare i dati direttamente dal cloud e portarli nel mondo IT. Con la possibilità di spingere l’acceleratore su applicazioni di manutenzione predittiva, diagnostica, dashboarding, venendo incontro a qualunque altra potenziale necessità nell’ambito della gestione dei dati in ambito business.

D’altra parte, IO-Link si rivela utilissimo per rendere smart dispositivi come sensori, encoder, barriere ottiche, convertitori di segnale, sistemi di identificazione, attuatori, lampade industriali, valvole, pompe, inverter, contatori: comprensibile, quindi, il sempre più vivo interesse dell’industria.

IO-Link anche in versione wireless

Il protocollo e le comunicazioni IO-Link non funzionano solo via cavo ma anche in modalità wireless. Tanto che IO-Link è presentato come l’unica soluzione wireless capace di soddisfare i severi requisiti industriali di bassa latenza, affidabilità e scalabilità.

Nel caso dello scambio di dati in modalità wireless, utile per abilitare le comunicazioni ovunque massimizzando flessibilità e riducendo la complessità dei sistemi, il meccanismo alla base del funzionamento di IO-Link è implementato e controllato dal livello fisico del modulo radio, attraverso la gestione di messaggi ACK/NACK e con una codifica CRC32.

Gli ACK/NACK sono messaggi utilizzati nella comunicazione per confermare o negare la ricezione corretta di un pacchetto dati. ACK sta per acknowledgment (conferma) e NACK sta per non-acknowledgment (negazione). La protezione mediante codifica CRC32, invece, indica che il sistema utilizza un algoritmo di controllo di ridondanza ciclica (CRC). Si tratta di un metodo per rilevare errori nei dati trasmessi, grazie alla presenza di un valore CRC calcolato e inviato insieme ai dati da controllare.

Modulazione e resistenza alle interferenze, anche con il WiFi

Il protocollo utilizza la modulazione Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK), nota per la sua robustezza contro le interferenze. Inoltre, IO-Link Wireless garantisce una latenza deterministica di 5 ms per la comunicazione con un massimo di 40 nodi (sensori, attuatori o hub I/O) per Master Wireless. Ogni ciclo di 5 ms è composto da 3 sottocicli, ciascuno della durata di 1,6 ms, veicolati su frequenze diverse.

La latenza deterministica si riferisce alla consistenza e alla prevedibilità del ritardo di trasmissione dei dati in un sistema di comunicazione. In altre parole, quando si parla di latenza deterministica, si intende che il ritardo nel tempo tra l’inizio della trasmissione di un messaggio e la sua ricezione è costante e può essere previsto con precisione.

Operando nella banda industriale, scientifica e medica (ISM) senza licenza sui 2,4 GHz, IO-Link Wireless è progettato per coesistere con le reti wireless esistenti. Per evitare collisioni di trasmissione con altri sistemi wireless, come il WiFi, utilizza meccanismi di blocklisting e frequency hopping adattivo.

Possibili applicazioni di IO-Link: praticamente infinite

Nel corso dell’evento IO-Link Day, come accennato in precedenza, sono stati presentati un ampio numero di possibili campi applicativi unitamente a tanti esempi pratici.

IO-Link si mostra una soluzione ideale per implementare e gestire sistemi di movimentazione indipendenti, per la robotica, per esigenze di machine retrofitting and condition monitoring (pratiche e tecnologie utilizzate nell’ambito dell’industria e dell’automazione per migliorare, aggiornare o modernizzare le macchine esistenti e monitorare le loro condizioni operative).

Nel complesso, IO-Link aiuta a velocizzare la trasformazione digitale grazie a soluzioni wireless cucite sulla base dei requisiti imposti in ambito industriale. Durante l’evento di inizio ottobre 2023, vari relatori hanno presentato un’interessantissima e ricca case history.

Alla base di tutte queste possibili applicazioni c’è la massima interoperabilità di IO-Link che può a sua volta usare OPC UA (Open Platforms Communications Unified Architecture), il formato JSON per trasferire i dati d’interesse, le API REST essenziali in un’architettura client-server, messaggi event-based MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) e quindi, trarre il massimo dall’integrazione con le piattaforme sviluppate on-premises oppure disponibili sul cloud.

Le immagini pubblicate nell’articolo sono tratte della presentazione del Consorzio PI Italia.