IO-Link, el protocolo...que no es protocolo

Con los constantes avances tecnológicos en el área de automatización, resulta complicado pensar en qué falta por resolver en el sector industrial o en cómo mejorar las tecnologías actuales en pro de hacerlas más fáciles de usar por los operadores con el fin de favorecer la cantidad de soluciones que se pueden desarrollar con éstas.

Fig. 1: Logo IO-Link.

En artículos anteriores hablamos sobre los principales protocolos de comunicaciones y cómo es que cada uno tiene un área de aplicación donde resuelve problemas de comunicaciones específicos que van desde la creación de redes de control en su respectivo nivel dentro de la pirámide de automatización o cómo es que la existencia de protocolos como DeviceNet o AS-Interface facilitan la conexión de actuadores en el nivel de campo e incluso cómo es que un protocolo tan reciente como EthernetIP resultan ser los primeros pasos a tecnologías nuevas como la conectividad con el almacenamiento en la nube. Esto nos permite teorizar que todos los campos están cubiertos, que no es posible mejorar o crear una solución nueva ante un problema aparentemente inexistente, sin embargo, en la mayoría de estos casos, olvidamos el factor humano, olvidamos que cada avance debe ser intencionado con el fin de favorecer a un sector específico que lo utilizará como herramienta para idear y crear nuevas metodologías en la solución de interrogantes.

Fig. 2: Protocolos de comunicaciones industriales.

Entonces, ¿dónde entra IO-Link en esta metodología de pensamiento? ¿Qué es lo que nos ofrece este “nuevo protocolo” sobre las tecnologías existentes? ¿Será IO-Link la solución universal en sus próximas iteraciones? Para resolver estas interrogantes empecemos describiendo qué es (y qué no es) IO Link.

¿Qué es IO-Link?

Iniciando su desarrollo en 2006 siendo lanzada al público en 2009, IO-Link es una tecnología de comunicación bidireccional orientada a la comunicación del nivel de campo dentro de un proceso automatizado, es decir, permite el intercambio de información entre sensores y actuadores IO-Link conectados a un controlador, el cual puede transmitir dicha información a diversas redes, buses de campo o buses de fondo, otorgando así, accesibilidad inmediata para realizar acciones determinadas o, si es necesario, análisis y procesamientos exhaustivos.

Fig. 3: Dispositivos IO-Link.

Lo anterior permite un sinfín de nuevas posibilidades valiéndonos de la comunicación entre el nivel de control y el nivel de campo, pues ahora los sensores y los actuadores participan de forma activa en los procesos fungiendo como emisores que informan de manera autónoma fallas y estados al controlador. Esto resulta en una optimización de costos y procesos en toda la cadena de producción en todas las áreas.

Esto nos permite enunciar una serie de ventajas de IO-Link frente a otros medios físicos a nivel de campo.

Ventajas de IO-Link

Si bien podemos englobar las ventajas de esta tecnología en las siguientes categorías:

• Reducción de costos en general
• Mayor eficiencia del proceso
• Mayor disponibilidad de la máquina

Considero de vital importancia detallar y ejemplificar en qué aspectos resulta ser superior ante tecnologías contemporáneas como las mencionadas al inicio de este artículo. La mayor parte de los beneficios de IO-Link se perciben en cuanto a costos y eficiencia se refiere, debemos entender que esto se debe a la fácil instalación de una subred basada en esta tecnología, es decir, se cuenta con un cableado reducido.

•Cableado normalizado y reducido: IO-Link no requiere ningún cableado especial y puede conectarse utilizando el estándar de 3 hilos sin apantallar de las E/S digitales convencionales, también se elimina la necesidad de sensores analógicos y se reduce la variedad de conjuntos de cables necesarios para los sensores, IO-Link permite configuración maestro-esclavo con puntos de conexión pasivos. Todo esto significa un cableado sencillo, de bajo costo y con requisitos mínimos.

•Disponibilidad de datos: IO-Link facilita el acceso a datos a nivel de sensor con el fin de asegurar el correcto funcionamiento de los demás componentes del sistema. Esto se logra mediante la clasificación de datos en tres categorías que son: Datos de proceso (relativos al estado de los sensores dentro de un proceso), datos de servicio (relativos a parámetros e información intrínseca de los dispositivos de campo) y datos de eventos (mensajes de error o alarmas)

•Fácil reemplazo de dispositivos: IO-Link permite la reasignación automática de parámetros en caso de sustitución de un dispositivo, permitiendo la puesta en marcha de forma prácticamente inmediata.

•Diagnósticos detallados: IO-Link proporciona visibilidad de errores y del estado de cada dispositivo, es decir que los usuarios obtienen, además de la información del proceso, la forma en que se está realizando una tarea en específico. Esto permite identificar fácilmente cuando un componente no funciona de forma correcta, lo cual significa un diagnóstico eficiente sin realizar interrupciones en la línea de proceso.

Componentes de una red IO-Link

Al ser una tecnología cuya meta es la simplicidad, es posible apreciar esto en los elementos requeridos para crear una red basada en ella. Dichos componentes son los siguientes:

•Maestro IO-Link: facilita la interfaz para el sistema de control, controla la comunicación con los dispositivos IO-Link conectados y guarda datos de parámetros y el archivo IODD.

Fig. 4: Maestro IO-Link serie AL1000 de ifm.

•PLC: se utiliza para supervisar el estado de las entradas y controlar el estado de las salidas.

Fig. 5: PLC ControlLogix de Rockwell Automation.

•Dispositivos IO-Link: sensores y actuadores inteligentes conectados al sistema que, además de la información del proceso, comporten datos como denominación de tipo, número de serie o parámetros de configuración.

Fig. 6: Sensores con IO-Link de ifm.

•Cable de 3 o 5 conductores: medio físico por el cual se alimentan los dispositivos de campo, utiliza conectores tipo M12. La alimentación del sensor ocurre en los pines 1 y 3 mientras que la transmisión de la señal es en el pin 4.

Fig. 7: Transmisión de información por medio físico.

•Herramienta para configuración y asignación de parámetros: dispositivo (por lo general una computadora) que incluye el software necesario para la programación de autómatas y, además, el archivo IODD (IO Device Description) el cual contiene una descripción del equipo e información de parámetros sobre los dispositivos IO-Link como son el fabricante, el código de artículo, la funcionalidad, etc.

Especificaciones técnicas de IO-Link

• Alimentación de energía: 24 [VDC]
• Velocidad de transferencia de información: 4.8, 38.4 o 230.4 [Kbps]
• Distancia máxima: Hasta 20 [m] entre maestro y esclavo
• Nodos máximos: 8 puertos típicos para 16 conexiones E/S
• Procesamiento de hasta 32 bytes en procesos
• Detección automática de fallas a través de los datos de eventos
• Protección: IP65 o IP67 según sea el componente
• Tiempo de ciclo típico: 2 [ms]
• Topologías: árbol
• Tipo de conexión: punto a punto, serie, bidireccional, semidúplex

Fig. 8: Conectores M12.

¿Es (o no es) un protocolo?

Cuando tratamos de encontrar información sobre esta «nueva» tecnología salta a considerar un aspecto muy importante y es que, a pesar de estar normalizada bajo el estándar IEC 61131 en su apéndice 9 llamado “Interfaz digital de comunicación punto a punto para sensores y accionadores pequeños”, diversas compañías encargadas de su fabricación y distribución suelen evitar el uso del término «estándar», lo cual puede ser correcto e incorrecto según sea el aspecto a analizar.

Tomando la definición más básica de protocolo de comunicación tenemos que es un sistema de reglas que permiten que dos o más entidades de un sistema de comunicación se comuniquen entre ellas para transmitir información por medio de cualquier tipo de variación de una magnitud física. Bajo esta definición podríamos decir que, efectivamente, IO-Link es un protocolo de comunicación estandarizado pues se vale de un medio físico para comunicar sensores y controladores. Sin embargo, al revisar la arquitectura de una red basada en IO-Link encontramos que, si bien se logra establecer dicha comunicación, esta no ocurre de forma nativa como la que puede darse al emplear estándares como HART o la dupla ControlNet-DeviceNet. Observamos que existe un intermediario (llamado maestro IO-Link) entre los niveles de campo y de control el cual restringe la clasificación de esta tecnología como un protocolo real y la deja en términos de ser, únicamente, una subred pues se limita su aplicación a un nivel de campo.

Si bien es una práctica común el tener diversos tipos de tecnologías coexistiendo en un proceso con el fin de mejorar su escalabilidad, la limitación proveniente del alcance de IO-Link es una cuestión de naturaleza ajena al simplemente desear variedad de componentes y fabricantes dentro de nuestros procesos. Entonces, ¿este detalle hace de IO-Link una mala tecnología? La respuesta es un rotundo no, pues considero que existen más ventajas dentro de su campo de aplicación que limitantes al analizar un entorno industrial completo.

Fig. 9: Red de automatización con subred IO-Link.

Conclusiones

Es sorprendente la forma en que las nuevas tecnologías permiten mejorar las soluciones que podemos desarrollar, pues cuando vemos el alcance y toda la información que nos brindan los dispositivos basados en IO-Link donde realizar diagnósticos y mantenimientos se vuelve algo tan trivial que no requiere de estar a la expectativa de si un componente empieza a mostrar desgaste en su funcionamiento o de esperar hasta que falle para que sea reemplazado dentro de una cadena producción como solía hacerse antes de esta revolución industrial.

Podríamos incluso decir que, con la llegada de nuevas tecnologías, se resuelven problemas que no sabíamos que teníamos pues, como indica la tendencia, cada vez se apuesta en favor de la operación basada en servicios de conectividad que significa tener toda la información posible de todos los dispositivos para mejorar la eficiencia de nuestra planta al entender cómo es que éstos se comportan y cómo es que su vida útil se transforma a lo largo del tiempo.

Sabemos que IO-Link no es la solución definitiva que todos buscamos, sin embargo, es uno de los primeros pasos que nos permitirán alcanzar una mejor tecnología que aproveche los aciertos que IO-Link tiene y que mejorará aquellos rubros donde necesita un mejor desarrollo.

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-AHN