IO-Link Wireless：更可靠、更實時的工業無線技術
發布時間：2023-09-05 作者：www.xstr.xyz
本文圖片來源：虹科
01 工業4.0與柔性生產
面向工業4.0，制造商正在將工業物聯網（IIoT）、人工智能（AI）、機器學習（ML）、云計算以及大數據分析等數字技術集成到現有的生產設施和運營過程中。這種集成可以創建更加高效、更加靈活的制造流程與生產線，因此也要求機器、設備和系統各個層面無縫地通信和信息交換，實現從制造車間一直到管理系統和云平臺的完全連接。
同時，工業4.0的主要目標之一，就是實現未來的工廠走向柔性化。過去，車間是相當靜態的，往往長時間生產一種產品或一系列產品。如今，柔性制造和快速創新正在推動工廠在相同的環境中以更快的速度和更高的吞吐量生產更多不同的產品。工廠的生產制造，更多的以消費者為導向，用戶個性化需求越來越多，這對生產線的反應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、可擴展和具有成本效益的機器和生產線。
02 轉型中的挑戰
隨著生產制造正在向工業4.0以及柔性制造轉型，設備和系統之間的高效通信對于優化生產力并確保無縫和增強的運營至關重要。先進的通信技術可以實時監測和控制生產過程，從而提高效率和生產力。新的通信場景，需要適合工業領域的無線連接。現有的無線通信在延遲、可靠性和可擴展性方面不符合工業標準。
01 工業中的通信技術
在工業3.0中，有線通信為傳統靜態機械的監測和控制提供了高度可靠的連接，幫助自動執行某些流程并收集和共享數據。但當涉及到具有快速移動或旋轉部件的移動設備和機器時，電纜限制了機器的靈活性和敏捷性，可能會退化或斷裂，導致停機，這使得擴展和適應不斷變化的生產需求具有挑戰性。
另一方面，盡管Wi-Fi、Zigbee 和藍牙等標準無線協議徹底改變了IT技術，但它們無法滿足對一致性、延遲和可擴展性的嚴格工業要求，并且生產車間是惡劣的環境，具有很強的干擾、振動和噪音，使機器通信變得困難，因此傳統的無線解決方案無法滿足機器通信的要求。
02 IT與OT的融合
工業4.0的網絡架構依賴于互聯互通，從工廠車間的傳感器、設備和機器收集的大量數據可確保制造資產的實時可見性，并可以提供用于執行預測性維護的工具，以最大限度地減少設備停機時間。但不同類型的技術并不總是同步發展。一方面，信息技術（IT）在通信技術方面遙遙領先，首先采用Wi-Fi，藍牙和蜂窩等無線協議，其次是5G和IoT。但另一方面，運營技術（OT）的發展速度較慢，仍然在很大程度上依賴于有線通信基礎設施。將IT和OT合并到一個優化的系統中，需要在工廠的各個層面進行無縫通信，而沒有信息孤島。
因此，需要一種智能、簡單、低成本的工業級無線通信，從設備級（傳感器、執行器）到現場總線（PLC、工業PC），再到云端和企業級的應用。IO-Link Wireless這種工業級無線協議就是為了應對這些挑戰而創建的，它利用先進的無線技術在工業環境中實現無縫可靠的通信。它實現了IT和OT之間的完整和實時信息流，在靈活性、敏捷性和附加優勢方面取得了重大飛躍。
03 什么是IO-Link Wireless技術？
IO-Link Wireless是基于IO-Link IEC 61131-9標準為工廠自動化設計的全球無線通信標準，被定義為對已經建立的IO-Link基礎技術的系統擴展，保留了 IO-Link 的優勢，同時引入了專門針對現代工業需求量身定制的其他優勢。它旨在取代工廠自動化中的電纜，用于遠程傳感器/執行器控制和監測。它非常適合滿足工業4.0的要求，可以輕松實時訪問設備，以進行驅動和數據收集。
01 IO-Link Wireless上層概述
IO-Link Wireless 定義了工廠自動化環境中傳感器、執行器和控制器之間的無線網絡通信。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，從有線系統向無線系統的遷移變得很容易。IO-Link Wireless為每個主站的無線節點（傳感器或執行器）提供高達5毫秒的確定性延遲通信，保證每個數據包都能在一定的延遲時間內送達。
一個5毫秒的IO-Link Wireless周期由3個子周期組成，每個周期的持續時間為1.6毫秒。每個子周期以不同的頻率進行通信。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無線設備廣播。上行部分是一個單播的時間復用信息，由IO-Link Wireless設備隨后根據定義的時隙發送。
IO-Link Wireless設備在未經許可的2.4GHz工業、科學和醫療（ISM）頻段上運行。一個IO-Link Wireless主站可支持多達40臺 IO-Link Wireless設備。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設備。所有無線主站通道同時以不同頻率進行通信，從而實現最佳網絡利用率。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) 調制以及關鍵數據的重復機制，使得可靠性能達到1e-9的數據包錯誤率(PER)。相比之下，它比Wi-Fi、藍牙和Zigbee等無線標準（PER值為1e-3）的可靠性高出5個數量級。
確定性：IO-Link Wireless被設計為一種確定性協議，可保證每個數據包在一定的延遲時間內傳送。IO-Link Wireless周期的結構是嚴格定義的，其確定性屬性確保了網絡的可預測性。
低延遲：IO-Link Wireless系統為確定性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，每個子周期的持續時間為1.6毫秒。
可擴展：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個節點。而一個區域中，可以3個主站共存，因此一個IO-Link Wireless單元中可擴展多達120個設備。
共存性：IO-Link Wireless系統通過黑名單和自適應跳頻等機制與其他無線網絡和干擾器共存。黑名單是一種旨在避免與無線系統（如Wi-Fi）發生潛在空中碰撞的機制。跳頻用于確保IO-Link Wireless系統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值達到1e-9，與有線連接相當。
兼容性：IO-Link Wireless與IO-Link兼容，可以使用IO-Link集成方法和工具，為系統集成商和工廠人員提供了明顯優勢。
04 IO-Link Wireless的應用
IO-Link Wireless的使用為機器制造商、系統集成商和工業設備制造商提供高性能的機器數字化、無線連接和邊緣解決方案，從而實現更快、更靈活的制造。工業級無線通信是工業4.0應用的關鍵支柱，能夠將靈活性和敏捷性提升到新的水平，并進一步推動預測性維護和卓越運營，滿足柔性制造的需要。IO-Link Wireless使運輸和輸送系統更加先進，機器人的運動更加靈活，旋轉機械能夠實時控制和監測，傳感器能夠放置在工廠的任何位置進行實時數據收集。
01 協作機器人——提高靈活性
機器人技術的關鍵要求是運動、旋轉和拐彎的自由度和靈活性。這就意味著，能夠到達末端執行器的布線必須設計得不會限制機械臂的實際操作。無線連接使設計和外形尺寸更合理，而且無需考慮電纜，可實現連續旋轉、更大的操作范圍以及傳感器和執行器的模塊化部署等功能。IO-Link Wireless能夠使機器人和協作機器人末端執行器的無線連接成為現實，其可靠性不亞于有線通信，而且不受約束。
02 運輸軌道和智能輸送系統——大規模定制
獨立移動的運輸軌道系統正成為包裝消費品、食品飲料和汽車等行業新機器設計的關鍵要素。然而，這些移動裝置在實時控制和監控方面受到有線IO和通信的限制。運輸系統可以通過IO-Link Wireless通信與傳感器和執行器進行集成，產品可以在持續運動中以最靈活和同步的方式進行處理，實現自動轉換和快速模具設置，以進行柔性化生產。無線連接還意味著減少了機械部件，從而降低了機器的占地面積和維護成本。
03 改造和狀態監測——減少維護和停機時間
測量和分析生產線的性能有助于提高產品質量、減少浪費、提高生產線速度、防止意外停機和進行預測性維護。IO-Link Wireless解決方案可在單個機器區域內從包裝機的數百個傳感器收集最佳數據。該方案被設計用于在干擾、振動和噪音等非常惡劣的環境中工作，因而可以簡單且高效地改造和翻新現有機器上的眾多設備，并簡化搬遷、升級和新機器的部署工作。
04 機器優化和數據收集——提高安全性
數據采集在工業環境中通常被認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據所在的地方，這些位置通常是具有挑戰性或難以到達的地方，比如機器的零件內部、快速移動或旋轉的平臺上，或在遠程的位置。IO-Link Wireless解決方案是一種將設備無線連接到云的安全方式。
05 虹科IO-Link Wireless解決方案
虹科致力于為工業應用提供領先的通信解決方案，IO-Link Wireless技術可實現傳感器和執行器之間的無線通信，為智能工廠和生產線提供強大、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協議，該協議已擴展到無線使用以實現各種解決方案，例如運輸軌道和輸送系統，無線機器人，智能機床，旋轉臺和旋轉木馬以及狀態監測和機器改造的應用。
01 TigoEngine——高效設置IO-Link無線主站和設備
TigoEngine 是一種基于軟件的工程工具，用于高效設置 IO-Link 無線主站和設備。它支持安裝、配置和監控 IO-Link 無線系統。通過直觀的用戶界面，TigoEngine 簡化了 IO-Link 無線系統的部署和維護。TigoEngine 還支持將數據從無線設備聚合和通信到其他企業和基于云的應用程序。
02 TigoLeap——數據采集、流程調整、增強協作
TigoLeap是一個軟件平臺，用于工業高速同步收集和分析多源OT數據。它通過提供可視化、存儲和共享自動化和測試相關數據的工具，徹底改變了開發機器的方法。TigoLeap專注于性能改進和機器優化，可以從機器收集所有數據類型，根本原因分析，機器調整，模型/過程調整和遠程訪問。它是一個以機器為中心的平臺，具有一系列工具和服務，可實現 OEE的持續優化、縮短和優化的爬坡時間、生成洞察力以及增強的遠程支持功能。
03 TigoMaster——工業級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16個IO-Link無線設備。TigoMaster 2TH包括各種工業以太網協議的接口，如EtherNet/IP、PROFINET、EtherCAT和OPC-UA。它直接連接到PLC和IT網絡。
04 TigoBridge——工業級IO-Link Wireless設備
TigoBridge具有IP67外殼，它可以無縫、輕松地通過IO-Link無線技術將IO-Link設備連接到IO-Link無線主站，設備可以是 IO-Link傳感器、IO-Link執行器或IO-Link多端口 I/O集線器。TigoBridge包含一個內部天線和兩個用于數據和電源的M12連接器。
05 TigoHub——工業級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、數字和模擬設備提供 IO-Link 無線連接。模擬設備可以通過TigoConverter連接。最多4個IO-Link設備或6個IO-Link/DIO設備的組合可以連接到TigoHub并轉換為IO-Link Wireless。TigoHub同時支持A類和B類IO-Link設備。
06 總結
工業級無線通信是工業4.0應用的關鍵支柱，而IO-Link Wireless技術的應用，能夠實現傳感器、執行器和其他設備之間的無線通信，為工業4.0的轉型發展以及柔性制造提供更加強大、可靠、靈活的通信解決方案。IO-Link Wireless代表了工業自動化的重大進步，為已建立的 IO-Link 協議提供了一種無線替代方案。它提供的優勢，迎合了工業環境中的一系列關鍵領域，例如運輸軌道和輸送系統，機器人和協作機器人，改造和狀態監測，智能機床，旋轉工作臺和旋轉木馬以及機器優化和數據收集。通過采用這些創新的無線解決方案，企業可以提升其在管理運營、促進可持續性和實現整體增強性能方面的智能。