W jaki sposób nowe urządzenia główne IO-Link pozwalają osiągnąć równowagę między zaletami płynącymi z łączności z chmurą i zaletami sterowania lokalnego w fabrykach Przemysłu 4.0

Równoważenie potrzeb w zakresie łączności z chmurą i lokalnego sterowania za pomocą programowanych sterowników logicznych (PLC) w sieciach przemysłowych właśnie stało się łatwiejsze. Sieci Przemysłu 4.0 są skomplikowane i oferują wiele poziomów łączności, od technologii IO-Link w hali fabrycznej, przez magistrale polowe, takie jak EtherNet/IP i PROFINET do maszyn i programowanych sterowników PLC, a także interfejs zunifikowanej architektury do łączności otwartoplatformowej (OPC UA) sięgający do chmury.

W tradycyjnej sieci Przemysłu 4.0 czujniki, aktuatory i inne urządzenia wykorzystują urządzenie główne IO-Link do łączenia się z siecią magistrali polowej, a urządzenia w tej sieci do łączenia się z chmurą używają protokołu zunifikowanej architektury łączności otwartoplatformowej (OPC UA) oraz innych protokołów.

Projektanci maszyn i sieci fabrycznych mają teraz do dyspozycji nowe narzędzie - urządzenia główne IO-Link - które łączy typowe sieci EtherNet/IP, PROFINET oraz inne struktury magistrali polowej z interfejsem zunifikowanej architektury łączności otwartoplatformowej (OPC UA) w celu uzyskania bezpośredniej łączności z chmurą. Można to wykorzystać do spłaszczenia łączności i przyspieszenia dostarczania krytycznych danych do najwyższych poziomów sieci.

Niniejszy artykuł rozpoczyna się od przeglądu wykorzystania lokalnego sterowania i łączności z chmurą w tradycyjnej architekturze sieciowej. Następnie przedstawia spłaszczoną architekturę obsługiwaną przez nowe urządzenia główne IO-Link firmy Pepperl+Fuchs, które obsługują łączność z magistralą polową i interfejsem zunifikowanej architektury łączności otwartoplatformowej (OPC UA) oraz mogą obsługiwać wiele połączeń równoległych. Przeanalizowano również, w jaki sposób wpasowuje się w nią nowa zaawansowana technologia warstwy fizycznej (APL) sieci Ethernet.

Na zakończenie wyszczególniono nowe urządzenia główne IO-Link z łącznością OPC UA i zgodnymi koncentratorami IO-Link do rozbudowy sieci, a także kilka reprezentatywnych urządzeń IO-Link oraz zastosowanie urządzenia głównego USB IO-Link do konfiguracji, uruchamiania i rozwiązywania problemów z urządzeniami IO-Link.

Fabryki Przemysłu 4.0 wymagają różnych kombinacji sterowania lokalnego i łączności z chmurą. Każda z nich ma swoje zalety. Najlepsze rozwiązanie często łączy programowane sterowniki logiczne (PLC) i komputery brzegowe w celu szybkiego lokalnego sterowania i wykorzystania chmury do analizy złożonych danych.

Programowane sterowniki logiczne (PLC) są wytrzymałe i przeznaczone do użytku w środowiskach przemysłowych. Generalnie mają one charakter modułowy i mogą sprostać zmieniającym się potrzebom fabryk Przemysłu 4.0. Programowane sterowniki logiczne (PLC) są bardziej kompaktowe i niezawodne niż systemy oparte na przekaźnikach, które często zastępują. Być może najważniejsze jest to, że programowane sterowniki logiczne (PLC) mogą obsługiwać sterowanie w czasie rzeczywistym w krytycznych zastosowaniach z bezpośrednim wykorzystaniem sygnałów zwrotnych z podłączonych maszyn i czujników.

Łączność z chmurą zapewnia zasadniczo nieograniczone możliwości przechowywania danych i obliczeń. Może ona łączyć dane z różnych zastosowań sterowanych przez poszczególne programowane sterowniki logiczne (PLC) i wspierać zharmonizowaną i zoptymalizowaną ogólną pracę fabryki. Łączność z chmurą może odciążać programowane sterowniki logiczne (PLC), przejmując część ich zadań administracyjnych, a usługi przetwarzania w chmurze można szybko i ekonomicznie skalować.

Tradycyjna technologia IO-Link

IO-Link jest protokołem typu punkt-punkt, a nie magistralą polową. W tradycyjnej sieci Przemysłu 4.0 urządzenia główne IO-Link są pośrednikami między urządzeniami IO-Link w hali fabrycznej a siecią magistrali polowej. Każdy port w urządzeniu głównym IO-Link łączy się z pojedynczym urządzeniem IO-Link. Urządzenie główne IO-Link odpowiada za konsolidację i translację komunikacji z podłączonych urządzeń IO-Link i przesyła ją do sieci magistrali polowej.

Urządzenia główne IO-Link mogą być instalowane wewnątrz szaf sterowniczych. Mogą one łączyć się z siecią magistrali polowej jako zdalny punkt podłączenia o stopniu ochrony IP20 lub być używane w hali fabrycznej w wersji o stopniu ochrony IP65/67 (ilustracja 1). Między tradycyjnymi urządzeniami głównymi IO-Link a chmurą nie ma bezpośredniego połączenia. Cała komunikacja z chmurą jest prowadzona przez urządzenia na magistrali polowej i przez nie kontrolowana.

Ilustracja 1: tradycyjne zastosowanie sieciowe technologii IO-Link połączonej z magistralą polową. (Źródło ilustracji: Pepperl+Fuchs)

Ulepszona technologia IO-Link i sieć równoległa

Dodanie do urządzenia głównego IO-Link łączności OPC UA radykalnie zmienia możliwości dla architektur sieci przemysłowych. Nie ma już potrzeby kierowania komunikacji do magistrali polowej, aby dostała się do chmury.

Dane zależne od czasu do sterowania w czasie rzeczywistym nadal można przesyłać do magistrali polowej. Istnieje możliwość agregowania i wysyłania bezpośrednio do chmury danych, w których czas jest mniej istotny, co eliminuje obciążenie urządzeń z magistrali polowej.

Firma Pepperl+Fuchs nazywa tę nową strukturę architekturą „równoległą”, ponieważ może być używana równolegle ze standardowymi systemami sterowania maszynami przemysłowymi. Kluczem do sukcesu jest opracowana przez tę firmę technologia MultiLink™, która umożliwia równoległe wykorzystanie przemysłowej magistrali polowej Ethernet do łączenia z programowanymi sterownikami logicznymi (PLC) przy użyciu protokołu takiego jak EtherNet/IP oraz transportu telemetrycznego z kolejkowaniem komunikatów (MQTT). Ten otwartoźródłowy protokół przesyłania komunikatów wykorzystuje architekturę OPC UA i może łączyć się z urządzeniami przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT), takimi jak komputery przemysłowe, systemy kontroli nadzorczej i akwizycji danych (SCADA) oraz chmury.

Uzupełnieniem pakietu urządzeń głównych IO-Link z technologią MultiLink jest zintegrowany serwer sieci Web oraz interpreter opisów urządzeń IO-Link (IODD), który obsługuje konfigurację połączenia magistrali polowej i podłączonych urządzeń IO-Link za pomocą przeglądarki internetowej (ilustracja 2).

Ilustracja 2: nowa architektura sieci IO-Link wykorzystująca architekturę OPC UA do bezpośredniej łączności z chmurą oraz spłaszczoną strukturę sieci. (Źródło ilustracji: Pepperl+Fuchs)

Większy wybór rozwiązań sieciowych

Oprócz opisanej powyżej nowej równoległej architektury sieci, urządzenia główne IO-Link z arichitekturą OPC UA i technologią MultiLink mogą być używane do innych zastosowań, takich jak:

Modernizacje - to konwencjonalne urządzenie główne IO-Link można zastąpić urządzeniem głównym z łącznością OPC UA i technologią MultiLink, aby zyskać korzyści płynące z komunikacji równoległej w istniejącej sieci.

Zastosowania bez tradycyjnego programowanego sterownika logicznego (PLC) - niektóre zastosowania, takie jak systemy planowania zasobów przedsiębiorstwa (ERP) lub systemy realizacji produkcji (MES), gromadzą dane z czujników w fabryce i nie wymagają programowanego sterownika logicznego (PLC). Urządzenie główne IO-Link z architekturą OPC UA może wysyłać dane bezpośrednio do chmury, gdzie można je agregować, analizować i wykorzystywać w celu zapewnienia maksymalizacji produktywności.

Zastosowania z wieloma programowanymi sterownikami logicznymi (PLC) - przykładem zastosowania z wieloma sterownikami PLC i wieloma protokołami, które mogą skorzystać na dodaniu architektury OPC UA, są złożone gniazda spawalnicze. Na przykład główny sterownik PLC może sterować całym procesem za pomocą komunikacji PROFINET, przemysłowy komputer PC może sterować optycznym monitorowaniem jakości za pomocą komunikacji EtherNet/IP, a różne roboty i inny sprzęt mogą korzystać z zastrzeżonych protokołów sterowania. Architektura OPC UA z technologią MultiLink firmy Pepperl+Fuchs umożliwia komunikację i wymianę danych między systemami pomimo różnych protokołów magistrali polowej, a także może połączyć całą celę spawalniczą z chmurą.

Zbudowane na fundamencie Ethernet APL

Technologia MultiLink opiera się na zaawansowanej warstwie fizycznej Ethernet, czyli Ethernet-APL, która pozwala na wykorzystanie sieci Ethernet do komunikacji i zasilania oprzyrządowania procesowego na duże odległości. Jest ona oparta na standardzie warstwy fizycznej 10BASE-T1L Ethernet.

Dzięki prędkości 10Mbps i zasięgu 1000m, zaawansowana warstwa fizyczna Ethernet-APL została zaprojektowana do monitorowania procesów w czasie rzeczywistym i sterowania nimi, umożliwiając dostęp równoległy. Obsługuje ona protokoły EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA, PROFINET oraz inne protokoły wyższego poziomu. Eliminuje potrzebę stosowania bram lub innych metod konwersji protokołów. Implementuje standard 10BASE-T1L przy użyciu specjalnego fizycznego połączenia Ethernet (PHY) w warstwie 1 modelu Open Systems Interconnection (OSI) (ilustracja 3).

Ilustracja 3: Ethernet-APL to nowa zaawansowana warstwa fizyczna (PHY) bazująca na technologii 10BASE-T1L. (Źródło ilustracji: Pepperl+Fuchs)

Nowe przemysłowe narzędzia sieciowe

Projektantom sieci przemysłowych, którzy chcą wykorzystać nowe możliwości oferowane przez urządzenia główne IO-Link w łączności równoległej z wykorzystaniem architektury OPC UA i technologii MultiLink, firma Pepperl+Fuchs oferuje urządzenia główne IO-Link z serii ICE2 (z obsługą sieci EtherNet/IP) oraz ICE3 (z obsługą sieci PROFINET). Obydwa typy urządzeń głównych IO-Link posiadają osiem wejść i wyjść oraz funkcję konfiguracji internetowej do ustawiania wszystkich parametrów modułu i wszystkich podłączonych urządzeń IO-Link (internetowa obsługa opisów urządzeń IO-Link, IODD). Zawierają one zintegrowaną pamięć na opisy urządzeń IO-Link (IODD) mieszczącą ponad 100 opisów urządzeń IO-Link (IODD). Pozostałe funkcje:

• Oprogramowanie PortVision® DX obsługuje konfigurację sieci, zarządzanie urządzeniami oraz klonowanie i tworzenie kopii zapasowych ustawień w jednej aplikacji.
• Wszystkie ustawienia modułu można zapisać w oddzielnym pliku i przenieść do nowego urządzenia za pomocą funkcji klonowania, co przyspiesza wdrażanie.
• Modele blokowe mają dwie wtyczki zasilania M12 z kodowaniem L o prądzie znamionowym 16A. Wejścia i wyjścia posiadają wtyczki M12 z kodowaniem A, a połączenie z magistralą polową odbywa się za pomocą wtyczek M12 z kodowaniem D.
• Modele do montażu na szynie DIN są dostępne z zaciskami śrubowymi lub wtykowymi złączami wciskanymi.
• Stopnie ochrony: modele blokowe mają stopień ochrony IP67, a modele do montażu na szynie DIN mają stopień ochrony IP20 (ilustracja 4).

Ilustracja 4: przykłady urządzeń głównych IO-Link montowanych na szynie DIN (po lewej) i w wersji blokowej (po prawej). (Źródło ilustracji: Pepperl+Fuchs)

Przykładowe urządzenia główne IO-Link z architekturą OPC UA i technologią MultiLink:

• Blokowe urządzenie główne IO-Link ICE2-8IOL1-G65L-V1D z obsługą protokołu EtherNet/IP oraz Modbus z czterema portami IO-Link klasy A, które mogą dostarczać prąd o natężeniu do 200mA dla podłączonych urządzeń oraz czterema portami IO-Link klasy B przeznaczonymi dla urządzeń wyższych mocy z własnymi źródłami zasilania.
• Urządzenie główne IO-Link do montażu na szynie DIN ICE2-8IOL-K45P-RJ45 z obsługą protokołów EtherNet/IP z ośmioma wejściami/wyjściami i złączami wciskanymi.
• Blokowe urządzenie główne IO-Link ICE3-8IOL1-G65L-V1D z obsługą protokołów PROFINET i Modbus z 4 portami IO-Link klasy A i 4 portami IO-Link klasy B.
• Urządzenie główne IO-Link do montażu na szynie DIN ICE3-8IOL-K45S-RJ45 z obsługą protokołu PROFINET, z ośmioma wejściami/wyjściami i zaciskami śrubowymi.

Koncentratory i konwertery do rozbudowy sieci

Koncentratory IO-Link umożliwiają rozbudowę sieci czujników, aktuatorów i innych urządzeń. Koncentratory IO-Link pozwalają na podłączenie kilku czujników cyfrowych i aktuatorów do urządzenia głównego IO-Link za pomocą standardowego kabla czujnikowego. Na przykład koncentrator IO-Link ICA-16DI-G60A-IO może obsługiwać maksymalnie 16 wejść cyfrowych PNP, a poziom logiczny można skonfigurować indywidualnie dla każdego portu. W zależności od możliwości podłączonego urządzenia głównego IO-Link, omawiany koncentrator może dostarczać do podłączonych urządzeń prąd o natężeniu do 500mA. Stopień ochrony IP65, IP67 oraz IP69K.

Gdy zachodzi potrzeba podłączenia czujnika z wyjściem analogowym do sieci IO-Link, projektanci mogą skorzystać z przetwornika IO-Link ICA-AI-I/U-IO-V1 z wejściem analogowym dla prądu lub napięcia oraz wyjściem IO-Link. Posiada on stopień ochrony IP67, a jego wejście można ustawić w następujący sposób:

• Wejście prądowe można ustawić jako 0-20mA lub 4-20mA.
• Wejście napięciowe można ustawić jako -10-10V lub 0-10V.

Oferta urządzeń IO-Link

Dostępny jest kompleksowy ekosystem urządzeń IO-Link dla niemal każdego procesu przemysłowego, z uwzględnieniem pomiarów i sterowania. Portfolio rozwiązań IO-Link firmy Pepperl+Fuchs obejmuje indukcyjne czujniki zbliżeniowe, indukcyjne systemy pozycjonowania, czujniki fotoelektryczne, czujniki ultradźwiękowe, czujniki drgań, enkodery obrotowe i systemy identyfikacji (ilustracja 5). Przykłady:

• Urządzenie do pomiaru odległości VDM28 wykorzystuje technologię impulsowego pomiaru odległości (PRT) w celu zapewnienia powtarzalności z dokładnością do 5mm przy zakresie roboczym od 0,2 do 15m i dokładności bezwzględnej 25mm.
• Urządzenie odczytująco-zapisujące do identyfikacji radiowej (RFID) IUT-F191-IO-V1-FR2-02 jest zoptymalizowane pod kątem zastosowań przemysłowych wymagających odległości do około jednego metra. Opisywane urządzenie odczytuje i zapisuje tagi pasywne w oparciu o normę ISO/IEC 18000-63.

Ilustracja 5: przykłady z szerokiej gamy dostępnych urządzeń IO-Link. (Źródło ilustracji: Pepperl+Fuchs)

Urządzenie główne USB służące do przekazywania urządzeń IO-Link do użytkowania

Gdy przychodzi czas na instalację i przekazanie urządzeń IO-Link do użytkowania, technicy sieciowi mogą skorzystać z urządzenia IO-LINK-MASTER02-USB (ilustracja 6). Urządzenie główne USB może łączyć urządzenia IO-Link z portem USB w komputerze PC. Jest ono przeznaczone do obsługi działań związanych z testowaniem, konfiguracją i serwisowaniem. Istnieje możliwość konfigurowania i parametryzacji podłączonych urządzeń. Obsługiwana jest również diagnostyka urządzeń. Urządzenia o niskim poborze prądu mogą być zasilane bezpośrednio z urządzenia głównego USB. Urządzenia o wyższym zapotrzebowaniu na moc można podłączyć do opcjonalnego zasilacza zewnętrznego.

Ilustracja 6: urządzenie główne USB IO-Link łączy się z komputerem PC w celu przyspieszenia wdrażania sieci. (Źródło ilustracji: Pepperl+Fuchs)

Podsumowanie

Dodanie łączności równoległej w architekturze OPC UA do urządzeń głównych IO-Link radykalnie zmieniło opcje dostępne dla projektantów sieci Przemysłu 4.0. Obecnie możliwe jest uproszczenie architektury sieci i zapewnienie bezpośrednich połączeń między urządzeniami IO-Link w hali produkcyjnej a chmurą. Nowa technologia może być wykorzystywana w różnych przypadkach w celu poprawy sprawności operacyjnej.