IO-Link Specification in brief ( 仕様の概要 )
1 目次 1 目次...2 2 IO-Link システム概要...3 2.1 電源投入後...4 3 IO-Link プロトコル...5 3.1 プロセスデータ (PD)...5 3.2 サービスデータ (SD)...5 3.3 イベント...6 3.4 伝送性能 リトライ QoS...6 3.5 伝送速度と同期...6 3.6 テレグラムとその構造...7 4 パラメータデータ交換...9 5 IO-Link システム構成... 11 5.1 The IO-Link デバイス... 11 5.2 IODD と翻訳ツール... 12 5.3 IO-Link マスタ... 13 Page 2 of 14
2 IO-Link システム概要 IO-Link システムは IO-Link デバイス ( 一般にセンサー アクチュエータ またはその組み合わせ ) と標準の 3 線式センサー / アクチュエータケーブル そして IO-Link マスタで構成されます マスタはどのようなデザインでも またどのような保護等級でもかまいません 以下がシステム構成の例です : Figure 1: システム構成例 IO-Link マスタには一つ または複数のポートがあります マスタの各ポートには 1 台の IO- Link デバイスが接続可能です IO-Link はフィールドバスとは異なりポイントツーポイント通信を行います Figure 2: IO-Link ポイントツーポイント接続 Page 3 of 14
2.1 電源投入後 初期段階ではデバイスは常時 SIO モード ( スタンダード I/O モード ) の状態です マスタのポートは異なるコンフィギュレーションデータを保有しています あるポートが SIO モードに設定されれば マスタはそのポートを通常のデジタル入力のように動作させます ポートがコミュニケーションモード (COM モード ) に設定されれば マスタはそのポートに接続された IO-Link デバイスを探します このプロセスが wake-up です Figure 3: IO-Link SIO モードと COM モード Wake-up の間 マスタは定義された信号を送信しデバイスからの応答を待ちます マスタは定義された最高速のボーレートで送信を行いますが うまく通信出来なかったら 次に早いボーレートで送信を行います マスタは各ボーレートでデバイスを 3 回コールします マスタが ( デバイスが wake-up 状態等の ) レスポンスを受信すれば通信を開始します 最初にマスタとデバイスは通信パラメータを交換し その後サイクリックプロセスデータの交換を開始します オペレーション中にデバイスが外されると マスタは通信中止を検出しコントロールシステムに報告し ( この点はフィールドバスと同じ ) 周期的にデバイスを wake-up させます 再度 Wake-up が成功すれば その後再度通信パラメータが読込まれ有効となります 必要であればサイクリックデータの交換も開始します マスタが通信を中断すると マスタとデバイス両方ともオリジナルモード (SIO モード ) に戻ります この機能が Fall back です Page 4 of 14
3 IO-Link プロトコル 基本的には 3 つのタイプのデータが交換されます : サイクリックデータ ( プロセスデータ ) アサイクリックデータまたはサービスデータイベント IO-Link デバイスは IO-Link マスタの要求後にのみデータを送信します アサイクリックデータとイベントはマスタから明確に要求されます サイクリックデータはマスタのアイドルテレグラムの後に送信されます 3.1 プロセスデータ (PD) デバイスのプロセスデータは 2 バイト以内のプロセスデータ幅のデータフレームで周期的に伝送されます プロセスデータ幅が 2 バイト超えれば分割され複数のサイクルで伝送されます プロセスデータが無効の場合は診断メッセージが送信されます 3.2 サービスデータ (SD) サービスデータは常に非周期的に交換され 常に IO-Link マスタの要求で実施されます 先ず IO-Link マスタはデバイスにリクエストを送信しデバイスが応答します この手順は マスタからデバイスへの書込データ デバイスからの読込データ共同様です サービスデータはパラメータ値またはデバイスの状態の読込に使用できます またパラメータ値の書込またはコマンド送信にも使用できます SD と PD は一つのテレグラムまたは分割されたテレグラムで伝送されます 典型的なデータ交換は以下のやり方で行われます Figure 4: IO-Link テレグラム構造 テレグラム構造の詳細については テレグラムタイプとその構造 の項を御参照下さい Page 5 of 14
3.3 イベント イベント発生時 デバイスはプロセスデータテレグラムの CHECK/STAT バイトの 7 ビット目にある イベントフラグ をセットします マスタはセットビットを検出し報告されたイベントを読込ます イベントが読込まれている間 サービスデータ交換は行われません これにより 汚染 オーバーヒート 配線の短絡等のイベントまたはデバイス状態を IO-Link マスタを経由し PLC またはモニタに転送できます IO-Link マスタはマスタのイベントとステータスを自分で発生させ 上位のフィールドバスに転送できます マスタのイベントとしてはオープンサーキット 通信中断 オーバーロード等があげられます 3.4 伝送性能 リトライ QoS IO-Link は非常に安定した伝送システムです 24V レベル電圧で動作します 仮に 1 フレームの伝送に失敗してもマスタのリクエストは 2 回繰り返されます 2 回目のリクエストでも失敗となった場合のみ マスタは通信中止を検出し上位のコントロールシステムに報告します マスタはテレグラムのリトライ回数で伝送性能 (QoS=Quality of Service) を計測します 3.5 伝送速度と同期 IO-Link の仕様書では伝送速度 ( ボーレート ) は 4.8Kbps と 38.4Kbps が定義されています 通常 IO-Link デバイスはどちらかのボーレートに対応します IO-Link マスタは 4.8 と 38.4 の両方に対応しなければなりません サイクルタイムはテレグラム長とマスタ デバイス内の遅延時間で構成されます 38.4Kbps の場合サイクルタイムは概ね 2ms になります トータルタイムはデバイスにより特定される最小サイクルタイムと マスタで特定される同期またはパラメータで決められるサイクルタイムにより決定されます マスタの各ポートごとに異なった応答時間をパラメータ設定できます デバイスのアプリケーションはマスタのサイクルに同期します 同じマスタの異なるポートのデバイスアプリケーションを同期させることも可能です. Page 6 of 14
3.6 テレグラムとその構造 IO-Link 仕様書ではプロセス入力データと出力データのサイズにより異なるテレグラムタイプを定義しています 通信を確立するために マスタはデバイスの通信パラメータを決定します 関連する情報はプロセスデータ長になります プロセスデータ長をベースに IO-Link マスタは どのテレグラムタイプをサイクリックデータ交換に使用するかを決定します 通信確立の間 マスタはテレグラムタイプ 0 を使用します 以下のテレグラムタイプが定義されています Frame type Length of process input data [bytes] Length of process output data [bytes] 0 0 0 1 See below See below 2.1 1 0 2.2 2 0 2.3 0 1 2.4 0 2 2.5 1 1 Table 1: テレグラムタイプ テレグラムタイプ 1 は デバイスのプロセス入力と出力データの合計が 2 バイトを超える場合に使用されます テレグラム構造は複数の IO-Link サイクルで構成されます サービスデータ の項で示されるテレグラムはタイプ 2.1 のテレグラムになります デバイスは 1 バイトのプロセスデータを送信します 下図の上では デバイスはプロセスデータバイトに 1 バイトのサービスデータを追加して送信 下では マスタは 1 バイトのサービスデータをデバイスに送信しているイメージになります Figure 5: フレームタイプ 2.1 Page 7 of 14
各テレグラムの内容については以下の表で紹介します Figure 6: マスタのコマンド / チェックシーケンス Table 2: R/W 値 Table 3: データチャンネル値 Table 4: フレームタイプ値 Figure 7: デバイスのチェック / ステータスシーケンス Table 5: イベントビット値 Page 8 of 14
IO-Link 物理層での伝送のために 各バイトは UART フレームにパックされマスタ / スレーブ間では半 2 重モードで伝送されます Figure 8: IO-Link UART フレーム 4 パラメータデータ交換 IO-Link デバイスと PLC 間でのデータ交換のために IO-Link マスタは IO-Link データをフィールドバスのエリアにマッピングします この方法はフィールドバスへの IO-Link マップといいます IO-Link マスタが (Figure1 のように ) 各社のバックプレーンバス経由で PLC に接続される場合 IO-Link データはバックプレーンバスにマッピングされてから PLC に伝送されるか あるいは PLC から IO-Link マスタそして IO-Link デバイスに伝送されます IO-Link マップは PROFIBUS PROFINET INTERBUS ASi EtherCAT 用に規定されています IO-Link デバイスからのプロセスデータはフィールドバスまたはバックプレーンバス経由でのサイクリックデータトラフィックに転送されます サービスデータは PLC から明確にリクエストまたは認識されなければなりません それ故 SPDU( サービスプロトコルデータユニット ) は IO-Link 仕様書に定義されています 各 PLC メーカーは各社 PLC システム用にカスタマイズされた機能ブロック (FB) を提供していますが この機能ブロックを使って IO-Link マスタがコントロールプログラムで IO-Link デバイスとのアサイクリック通信を行うプログラムを作成できます 機能ブロックではどの IO-Link マスタ ( どのフィールドバスデバイス ) か そしてどのポートのデータが交換されるかを定義します リクエストは同時に IO-Link デバイスに送信されます パラメータ値とステータスは IO-Link デバイスのインデックスとサブインデックスでリクエストできます IO-Link マスタでは リクエスト (Read Write Service) は IO-Link 固有の SPDU にコーディングされ IO-Link インターフェース経由でデバイスに転送されます SPDU はデータが読込まれたか書込まれたかを特定します パラメータ値の読込または書込は使用しているインデックスで定義されます SPDU の構成は以下のようになっています Page 9 of 14
Figure 9: SPDU の構成 232 バイトまでのサイズで 32768 のインデックスを IO-Link 経由でアドレス割付ができます IO-Link 仕様書は以下のようなサービスを規定しています D10 Vendor Name D12 Product Name IO-Link デバイスがどのようなものかは上のサービスで識別できます フィールドバス上では IO-Link マスタは通常のフィールドバスデバイスのように表示され (GSD FDCML GSDML 等の ) デバイス記述によって各ネットワーク用コンフィギュレータにリンクされます これらファイルにはポート数等の通信と属性が記載されています しかし どの IO-Link デバイスが接続されているかは分かりません IO-Link Device Description (IODD) はシステムアーキテクチャを透過的に見せるために あるいは IO-Link デバイスまで設定できるように定義されています IODD と ODD 翻訳ツールを使用すれば ユーザーはどの IO-Link マスタのポートをどの IO-Link デバイスに接続に接続するかをコンフィギュレーションできます Page 10 of 14
5 IO-Link システム構成 5.1 The IO-Link デバイス IO-Link プロトコルを使用することにより IO-Link デバイスのプロセスデータとデバイス機能の変数へのアクセスが可能になります 機器を識別するためなどで 幾つかの変数は定義されています 機器メーカーは定義されたインデックスエリアでデバイス変数を構築します 構築されたデバイス変数の情報は IODD に記載されます Figure 10: IO-Link デバイス構成 Page 11 of 14
5.2 IODD と翻訳ツール IODD には通信プロパティ デバイスパラメータ 識別データ プロセス 診断データの情報が含まれます IODD はデバイスのイメージとメーカーのロゴも含みます IODD の構成は全てのデバイスとメーカーで共通になっており IODD 翻訳ツールでは常に同じように表示されます したがって メーカーに関係なく すべての IO-Link デバイスが同じように取り扱いできることを保証しています IODD はパッケージとして配布され デバイスを記載した 1 つまたは複数の xml ファイルと png フォーマットのイメージファイルで構成されます IODD-StandardDefinitions1.0.xml ファイルには全てのデバイスの一般的な内容と必須なプロパティが記載されています このファイルは IODD ディレクトリでサポートされている各言語で一度格納されます 更に xml ファイルはデバイスのメーカー固有のプロパティも記載されています 翻訳ツールは IODD を読込 ( 制限された範囲で ) グラフィックなフォームに記載されたデバイスを表示します 全てのメーカーの IO-Link デバイスのパラメータ化と診断に使用できます 同時に IODD 翻訳ツールにより システムアーキテクチャをフィールドバスレベルまで透過的に拡張できます IODD チェッカーは IODD を検証するために開発されました 全ての IODD は IODD チェッカーでテストされなければなりません チェッカーは IODD にチェックサムを入力します IODD を読込んだ翻訳ツールも IODD に入力されたチェックサムと同じチェックサムを生成します Figure 11: IODD 構成 Page 12 of 14
5.3 IO-Link マスタ IO-Link マスタは異なる方法で PLC にリンクでき (Figure1 参照 ) 1 つまたは複数のポートを持ちます IO-Link 仕様書ではポートを 2 つのタイプに区別しています ポートタイプ A の 2 番ピンの機能は詳細に記載されていません メーカーが自由に定義できます ポートタイプ B では特殊な電源が必要となります ポートタイプ A このタイプでは 4 番ピンが DI または IO-Link としてコンフィギュレーションされます メーカーは 4 番ピンを制限された出力電流での DO にも設計できます 2 番ピンも使用可能で メーカーは例えば DI または DO として設計できます Figure 12: IO-Link マスタ ポートタイプ A ポートタイプ B ポートタイプ B は電源から絶縁されているセンサやアクチュエータ用にデザインされています 2 番ピンと 5 番ピンは追加電源のために使用できます. Figure 13: IO-Link マスタ ポートタイプ B Page 13 of 14
本説明書は IOLink specification in brief Version 1.0, 12.11.2008 を日本プロフィバス協会が日本語に翻訳したものです 日本語と原本の間に相違のあるときは原本を正とします 特定非営利活動法人日本プロフィバス協会 141-0022 東京都品川区東五反田 3-1-6 ウエストワールドビル 4F 電話 Fax (03)6450-3739 URL: http://www.profibus.jp E-mail: info@profibus.jp 2010 年 11 月発行 Ó Copyright by: IO-Link Consortium Haid-und-Neu-Str. 7 76131 Karlsruhe Germany Phone: +49 721 / 96 58 590 Fax: +49 721 / 96 58 589 E-mail: info@io-link.com Web site: www.io-link.com Page 14 of 14