インダストリー4.0の概念が普及するにつれて、スマート製造環境に対する要件はますます高まっています。IO-Link通信ネットワーク（IEC 61131-9）の登場により、スマートファクトリーの開発への道が開かれました。IO-Linkは、アクチュエータやセンサーのレベルまでの双方向のポイントツーポイント データ接続に使用できるため、データの前処理、センサー パラメータの調整、高度な診断を実現できます。この記事では、IO-Linkテクノロジの開発と、ArrowとSTが導入したIO-Link関連ソリューションについて説明します。
産業オートメーションの接続と管理の問題を簡素化
IO-Linkは、工場設備内のセンサー、アクチュエーター、コントローラーを接続および管理するために使用される産業オートメーション分野の通信プロトコルです。IO-Linkにより、センサーとコントローラー間の高速データ転送が可能になると同時に、センサーとアクチュエーターのパラメーターをIO-Link経由で設定できるため、機器の設定や変更が非常に簡単かつ柔軟になります。
IO-Linkはデジタルデータとアナログデータの伝送もサポートしており、スイッチの状態などのデジタルデータだけでなく、温度や圧力などのアナログデータも伝送できるため、さまざまなセンサーやアクチュエータに適しています。
IO-Linkは、センサーやアクチュエータの状態をリアルタイムで監視し、詳細な診断情報を提供することもできます。これにより、機器の可用性が向上し、ダウンタイムが短縮されます。IO-Linkマスターは複数のデバイスを同時に接続できるため、接続コストを節約し、システム アーキテクチャを簡素化できます。IO-Linkは、サプライヤーの複数のデバイスをサポートするオープン スタンダードです。つまり、互換性を気にせずにさまざまなサプライヤーを選択できます。
IO-Linkは、光電センサー、圧力センサー、流量計などのさまざまなセンサーを接続および制御するために使用される自動生産ラインで広く使用できます。これにより、生産ラインの柔軟性が向上し、構成が容易になります。IO-Linkの診断機能により、機器の遠隔監視と診断が可能になり、工場や遠隔地の機器で非常に役立ち、メンテナンスの時間とコストを削減できます。IO-Linkは、センサー データをモノのインターネット (IoT) アプリケーションに統合するためにも使用でき、予測メンテナンスやリアルタイムの生産最適化の実現に役立ちます。
IO-Linkテクノロジーは、エンドポイント (センサーやバルブ、モーター スターター、RFIDリーダーなど) が最下層ネットワークの一部となる必要があるすべてのセンサー ベースの工場アプリケーションに適しています。情報が収集され、より高レベルのフィールド バスに提供されるため、この基本的なポイントツーポイント通信を現場からスマートな産業環境に収集できるようになります。
IO-Linkは、信頼性、ホット プラグ、逆極性機能など、上記のすべての機能を備えており、コストも手頃です (標準インターフェイスと代替並列配線)。さらに、産業用センサーは高価値かつ高コストの機器です。そのため、産業用センサーやアクチュエータのメーカーは、IO-Link機能を通じて測定ポイントを強化し、生産ラインの機器に大きな付加価値を提供しています。
IO-Linkアプリケーションのための完全なソリューション
ArrowとSTは、IO-Linkトランシーバ、STM32マイクロコントローラ、保護デバイスなど、IO-Linkアプリケーション向けの幅広いソリューションを提供しており、静電放電 (ESD)、バーストおよびサージ耐性に関するIEC 6100要件を満たすのに役立ちます。また、効率的なIO-Linkゲートウェイの実装に役立つハードウェアおよびソフトウェア評価ツール セットも提供しています。
まず、プログラマブル ロジック コントロール (PLC) とヒューマン マシン インターフェイス (HMI) アプリケーションでは、STは、2024年に発売予定のSTM32MP2マイクロ プロセッシング ユニット (MPU) を採用した新しいSIL-2互換デモSTEVAL-SILPLC01を発表しました。STEVAL-SILPC01は、1oo2アーキテクチャ、CLT03-2Q3デュアル チャネル デジタル入力、IPS160HFシングル チャネル デジタル出力を備えたPLCソリューションです。ハードウェア設計はSILレベルに準拠しています。前世代では、TÜV Italia（TÜV SUD Group）の正式な評価に合格し、SIL 2/PL dの要件を満たすSTM32H723VGをコアとして採用しました。そのランダム故障率とシステム能力（ハードウェアの場合）は、IEC 61508、EN 62061、EN ISO 13849-1、EN ISO 13849-2規格のアーキテクチャ制約に準拠しています。
新バージョンでは、ニューラル プロセッシング ユニットを備えた産業グレードの64ビットMPUであるSTM32MP2 MPUが採用され、ハイエンドのマルチメディア機能を必要とする安全なインダストリー4.0や高度なエッジ コンピューティング アプリケーションに適しています。STM32MP25は、STM32MP2ファミリの最初のシリーズです。これらのMPUは、1.5 GHzで動作するシングルまたはデュアルArm® Cortex®-A35コアと、400 MHzで動作するシングルArm® Cortex®-M33コアを中心に構築されています。
STM32MP25 MPUは、1.2 GHz 32ビット インターフェイスを通じて、長期的かつコスト最適化されたDRAMサポート (DDR4およびLPDDR4) を提供します。STM32MP25は、最大1.35 TOPSのニューラル プロセッシング ユニット (NPU) と高度なHMI用の3Dグラフィックス プロセッシング ユニット (GPU) を備え、産業環境におけるエッジAIソリューションを実現します。
STM32MP25は堅牢性が高く、10年間の100% 動作時間と最大 +125°Cまでの拡張温度をサポートし、完全な接続性を備え、タイムセンシティブ ネットワーキング (TSN) をサポートし、最大3つのギガビット イーサネット ポート (2ポート スイッチ付き)、PCIe Gen2、USB 3.0、および3つのCAN-FDインターフェイスを提供できます。さらに、STM32MP25は、1080pグラフィックス機能（3D GPU、H.264ハードウェアビデオコーデック）などのハイエンドグラフィックス機能もサポートしており、RGB、MIPI DSI、LVDSディスプレイをサポートし、MIPI CSI-2カメラインターフェースとLite-ISPを備え、強力なセキュリティを備え、SESIPレベル3認定を取得しており、Cortex-AおよびCortex-MのTrustZone® と堅牢なハードウェア暗号化およびセキュアプロビジョニングエコシステムをサポートしており、2023年末までにサンプルが提供される予定です。®®
マルチプロトコルをサポートする8ポートIO-Linkマスター
ArrowとのST共同ラボを通じて、ArrowのARW-IOLM4P-STM32L4、IO-Link 4ポート マスター コントローラーは、STM32L4 MCU ARM低電力ファミリーに基づいて、最大16個の異なるマスター トランシーバーPHY、IO-Link V1.1.3およびIEC 61131-9準拠、SPIインターフェイスをサポートします。利点は使いやすく、顧客の開発時間を節約し、市場投入までの時間を短縮できることです。
STは、Arrow-ST共同ラボを通じて、8ポートIO-Linkマスターであり、マルチプロトコル産業用フィールドバスをサポートするSTM32L431、AX58100、およびL6360（IO-LinkマスターPHY）に基づくソリューションも発表しました。
STM32L431xxデバイスは、高性能Arm® Cortex®-M4 32ビットRISCコアをベースにした超低消費電力マイクロコントローラであり、動作周波数は80 MHzに達します。Cortex-M4コアには単精度浮動小数点ユニット (FPU) があり、すべてのArm® 単精度データ処理命令とデータ型をサポートします。また、DSP命令とメモリ保護ユニット (MPU) のフルセットも実装されているため、アプリケーションのセキュリティが強化されます。
STパートナー プログラムを通じて、このソリューションは、ASIXが導入したAX58100と連携します。AX58100は、2/3ポートEtherCATスレーブ コントローラ (ESC) であり、100Mbps全二重動作とHP Auto-MDIX機能をサポートする2つの高速イーサネットPHYを統合しています。AX58100は、CANopen over EtherCAT (CoE)、File Access over EtherCAT (FoE)、Vendor Specific-protocol over EtherCAT (VoE) などの標準EtherCATプロトコルをサポートし、産業オートメーション、モーション/モーター/デジタルI/O制御、デジタル - アナログ (DAC)/アナログ - デジタル (ADC) コンバータ制御、センサー データ取得、ロボット工学など、その他の産業用フィールドバス アプリケーションにコスト効率の高いソリューションを提供します。
L6360 IO-Link通信マスター トランシーバーICは、PHY2 (3線式) 規格に準拠したモノリシックIO-Linkマスター ポートであり、COM1 (4.8 kbaud)、COM2 (38.4 kbaud)、およびCOM3 (230.4 kbaud) モードをサポートします。L6360は、18V ～ 32.5Vの電源電圧、ハイサイド、ローサイド、またはプッシュプル (< 2Ω) を備えたプログラム可能なC/Qo出力段、最大500mAのL+ 保護を備えたハイサイド ドライバ、追加のIEC61131-2タイプ1入力、電流制限とプログラム可能なカットオフ電流による短絡および過電流出力保護、3.3V/5V、50mAリニア レギュレータ、5mA IO-Linkデジタル入力、IC制御、構成、診断用の高速モードI2C、診断用デュアルLEDシーケンス ジェネレーターとドライバ、5Vおよび3.3V互換のI/O、過電圧保護 (> 36V)、過熱保護、静電放電保護をサポートし、小型のVFQPn26L (3.5x1x1mm) パッケージを採用しています。
産業用アプリケーションをサポートするさまざまなIO-Linkデバイス
STは、追加の電源なしで8チャンネルのデジタル入力へのIO-Linkをサポートし、入力ポートがSCLT3-8Bによって保護されているSTSYS-ACCFA002など、さまざまなIO-Linkデバイスも発表しました。STSYS-ACCFA003は、8チャンネルのデジタル出力へのIO-Linkをサポートし、絶縁されたハイサイド デジタル出力を備え、出力電流は0.7Aに制限されています。
IO-Linkデバイスのセンサー部分には、追加の電源なしで13.56MHzの周波数をサポートするIO-LinkセンサーRFIDリーダーであるSTSYS-ACCFA006があります。また、IO-Link飛行時間型 (ToF) 距離測定センサーSTSYS-ACCFA007は、高精度と広範囲を特徴とし、センチメートルからメートルまでの精度範囲をサポートします。
さらに、STは、IO-Linkインターフェースを備えた新しいタイプの振動センサーも発表しました。これは、IIS3DWB 3軸デジタル振動センサー、ISM330IS 3軸加速度計、3軸ジャイロスコープを採用し、STM32G071CBマイクロコントローラーと、産業用センサーアプリケーションに適したデュアルチャネルトランシーバーL6364Qと組み合わせたものです。L6364は、SIOおよびIO-Linkの産業用センサー アプリケーションに適したデュアル チャネル トランシーバーであり、センサーまたはアクチュエータ機能を備えたマイクロコントローラーと24 V電源および信号ケーブル間のブリッジとして機能します。
IO-Linkデバイスのアクチュエータ部分には、ローサイド出力ドライブとプッシュ ボタンを入力として備えたSTSYS-ACCFA 005 IO-Linkアクチュエータのタワー ライト インジケータがあり、任意のPD入力/出力サイズに簡単に拡張できます。さらに、IO-Link 32チャネル エア ソレノイド バルブ ドライバであるSTSYS-ACCFA008は、32チャネル ハイサイド ドライブをサポートし、負荷用の独立した24V電源を提供し、IO-LINKクラスBインターフェイスをサポートします。
これに加えて、STには32チャンネルのソレノイド バルブ ドライバーをサポートするIO-Linkアクチュエータもあります。この拡張可能で構成可能な産業用アクチュエータは、STM32G071とL6364Qコアデバイスを採用し、エアバルブで駆動できる産業用アクチュエータのデモシステムである32チャンネルソレノイドバルブ駆動デモシステムを導入しています。
結論
IO-Linkは、多くの優れた機能を提供する汎用的な産業用通信プロトコルであり、工場自動化システムのパフォーマンスと柔軟性を向上させ、さまざまなアプリケーションで幅広い可能性を秘めています。ArrowとSTが導入した多くのIO-Linkソリューションは、顧客がIO-Link関連製品を迅速に開発するのに役立ちます。製品に関する詳しい情報や、より包括的な技術サポートについては、Arrow Electronicsにお問い合わせください。