Cum pot noile dispozitive master IO-Link să echilibreze beneficiile conectivității cloud și ale controlului local în fabricile din Industria 4.0

Echilibrarea cerințelor de conectivitate în cloud și de control local cu ajutorul controlerelor logice programabile (PLC) în rețelele industriale este acum mai ușoară. Rețelele din Industria 4.0 sunt complexe și includ mai multe niveluri de conectivitate, de la IO-Link în fabrică la magistrale de câmp precum EtherNet/IP și PROFINET care conectează utilajele și PLC-urile și o interfață Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) care ajunge până la cloud.

Într-o rețea din Industria 4.0 tradițională, senzorii, actuatoarele și alte dispozitive utilizează un master IO-Link pentru a se conecta la rețeaua magistralelor de teren, iar dispozitivele din rețeaua magistralelor de teren utilizează OPC UA și alte protocoale pentru a se conecta la cloud.

Proiectanții de rețele pentru utilaje și fabrici au acum un nou instrument – dispozitivele master IO-Link – care combină conectivitatea obișnuită EtherNet/IP, PROFINET și alte magistrale de câmp cu o interfață OPC UA pentru conectarea directă la cloud. Aceasta poate fi utilizată pentru a eficientiza conectivitatea și a accelera livrarea datelor critice la cele mai înalte niveluri ale rețelei.

Articolul de față începe cu o analiză a utilizării controlului local și a conectivității cloud într-o arhitectură de rețea tradițională. Apoi, prezintă arhitectura uniformizată permisă de noile dispozitive master IO-Link de la Pepperl+Fuchs, care include conectivitate pentru magistrale de câmp și OPC UA și poate accepta mai multe conexiuni paralele. De asemenea, analizează cum se încadrează noua tehnologie Ethernet cu strat fizic avansat (APL).

Se încheie prin detalierea noilor dispozitive master IO-Link cu conectivitate OPC UA și a hub-urilor IO-Link compatibile pentru extinderea rețelei, împreună cu câteva dispozitive IO-Link reprezentative și utilizarea unui master IO-Link USB pentru configurarea, punerea în funcțiune și depanarea dispozitivelor IO-Link.

Fabricile din Industria 4.0 necesită combinații variate de control local și conectivitate la cloud. Fiecare are avantajele sale. Cea mai bună soluție combină adesea PLC-urile și computerele periferice pentru un control local receptiv, utilizând în același timp cloud-ul pentru analizarea datelor complexe.

PLC-urile sunt robuste și concepute pentru a fi utilizate în medii industriale. În general, acestea sunt modulare și se pot adapta nevoilor în schimbare ale fabricilor din Industria 4.0. PLC-urile sunt mai compacte și mai fiabile decât sistemele bazate pe relee pe care le înlocuiesc adesea. Poate cel mai important, PLC-urile pot susține controlul în timp real în aplicații critice cu feedback direct de la utilajele și senzorii conectați.

Conectivitatea cloud oferă capacități de stocare și de calcul care sunt, practic, nelimitate. Aceasta poate conecta date de la diverse aplicații, controlate de PLC-uri individuale, și susține o funcționare generală armonizată și optimizată a fabricii. Conectivitatea cloud poate ușura PLC-urile de sarcini administrative, iar serviciile de cloud computing pot fi scalate rapid și economic.

IO-Link tradițional

IO-Link este un protocol punct la punct, nu o magistrală de câmp. Într-o rețea tradițională din Industria 4.0, dispozitivele master IO-Link sunt intermediarii dintre dispozitivele IO-Link din fabrică și rețeaua magistralelor de câmp. Fiecare port de pe un master IO-Link se conectează la un singur dispozitiv IO-Link. Dispozitivul master IO-Link consolidează și traduce comunicațiile de la dispozitivele IO-Link conectate și le trimite în rețeaua magistralelor de câmp.

Dispozitivele master IO-Link pot fi instalate în interiorul dulapului de comandă. Acestea se pot conecta la rețeaua magistralelor de câmp ca punct de conectare la distanță cu o clasificare de mediu IP20 sau pot fi utilizate în fabrică cu o clasificare IP65/67 (Figura 1). Nu există o conexiune directă între dispozitivele master IO-Link tradiționale și cloud; toate comunicațiile către cloud sunt transmise prin și controlate de dispozitivele de pe magistrala de câmp.

Figura 1: Aplicație de rețea tradițională cu IO-Link conectat la o magistrală de câmp. (Sursa imaginii: Pepperl+Fuchs)

IO-Link îmbunătățit și o rețea paralelă

Adăugarea conectivității OPC UA la un master IO-Link schimbă dramatic posibilitățile pentru arhitecturile de rețea industriale. Nu mai este necesară transmiterea comunicațiilor prin magistrala de câmp pentru a ajunge la cloud.

Datele sensibile la timp pentru controlul în timp real pot fi introduse în continuare pe magistrala de câmp. Datele mai puțin sensibile la timp pot fi agregate și trimise direct în cloud, eliminând astfel sarcina de comunicare de la dispozitivele magistralei de câmp.

Pepperl+Fuchs se referă la această nouă structură ca la o arhitectură „paralelă”, deoarece poate fi utilizată în paralel cu sistemele standard de control al utilajelor industriale. Cheia este tehnologia MultiLink™ a companiei, care susține utilizarea paralelă a unei magistrale de câmp Ethernet industrial pentru conectarea cu PLC-uri care utilizează un protocol precum EtherNet/IP și Message Queuing Telemetry Transport (MQTT). Acest protocol de mesagerie open-source utilizează OPC UA și se poate conecta cu dispozitive din Internetul industrial al lucrurilor (IIoT), cum ar fi computerele industriale, sistemele de supraveghere, control și achiziție de date (SCADA) și cloud-ul.

Pentru a completa pachetul, dispozitivele master IO-Link cu MultiLink includ, de asemenea, un server web integrat și un interpretor de descriere a dispozitivelor IO-Link (IODD) care acceptă configurarea conexiunii magistralei de câmp și a dispozitivelor IO-Link atașate utilizând un browser web (Figura 2).

Figura 2: Noua arhitectură de rețea IO-Link care utilizează OPC UA pentru conectivitate directă la cloud și o structură de rețea mai eficientă. (Sursa imaginii: Pepperl+Fuchs)

Mai multe opțiuni de rețea

Pe lângă faptul că permit noua arhitectură de rețea paralelă descrisă mai sus, dispozitivele master IO-Link cu OPC UA și MultiLink pot fi utilizate și pentru alte aplicații, cum ar fi:

Modernizări – Acest master IO-Link convențional poate fi înlocuit cu unul cu conectivitate OPC UA și MultiLink pentru a adăuga beneficiile comunicării paralele într-o rețea existentă.

Aplicații fără un PLC tradițional – Unele aplicații, cum ar fi un sistem de planificare a resurselor întreprinderii (ERP) sau un sistem de execuție a producției (MES), colectează date de la senzorii din fabrică și nu au nevoie de un PLC. Un master IO-Link cu OPC UA poate trimite datele direct în cloud, care pot fi agregate, analizate și utilizate pentru a maximiza productivitatea.

Aplicații cu mai multe PLC-uri – Celulele cu sudură complexă sunt un exemplu de aplicație cu mai multe PLC-uri și mai multe protocoale care pot beneficia de adăugarea OPC UA. De exemplu, un PLC primar poate controla întregul proces utilizând comunicarea PROFINET, un PC industrial poate controla monitorizarea calității optice cu ajutorul comunicării EtherNet/IP, iar diverși roboți și alte echipamente pot utiliza protocoale de control brevetate. OPC UA cu tehnologia MultiLink de la Pepperl+Fuchs permite comunicarea și schimbul de date între sisteme, în ciuda diferitelor protocoale de magistrală de câmp, și poate conecta întreaga celulă de sudură la cloud.

Construită pe baza Ethernet APL

Tehnologia MultiLink este construită pe baza stratului fizic avansat Ethernet, sau Ethernet-APL, care permite utilizarea Ethernet pentru comunicare și alimentare cu instrumente de proces pe distanțe lungi. Se bazează pe standardul de nivel fizic Ethernet 10BASE-T1L.

Cu o viteză de 10 Mbps și o rază de 1 000 de metri, Ethernet-APL a fost proiectat pentru monitorizarea și controlul proceselor în timp real, permițând accesul paralel. Acesta acceptă EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA, PROFINET și alte protocoale de nivel superior. Elimină nevoia de gateway-uri sau alte conversii de protocol. Implementează 10BASE-T1L utilizând o conexiune fizică Ethernet (PHY) specială în stratul 1 al modelului OSI (Open Systems Interconnection) (Figura 3).

Figura 3: Ethernet-APL este un nou PHY bazat pe 10BASE-T1L. (Sursa imaginii: Pepperl+Fuchs)

Instrumente noi pentru rețele industriale

Pentru proiectanții de rețele industriale care doresc să profite de noile posibilități oferite de dispozitivele master IO-Link cu conectivitate paralelă OPC UA MultiLink, Pepperl+Fuchs oferă seriile de dispozitive master IO-Link ICE2 (cu EtherNet/IP) și ICE3 (cu PROFINET). Ambele tipuri de dispozitive master IO-Link au opt intrări și ieșiri și vin cu o capacitate de configurare bazată pe web pentru setarea tuturor parametrilor modulului și a tuturor dispozitivelor IO-Link conectate (operare web IODD). Acestea includ stocare IODD integrată pentru peste 100 de IODD-uri. Alte caracteristici includ:

• Software-ul PortVision® DX care suportă configurarea rețelei, gestionarea dispozitivelor și clonarea/copiile de rezervă pentru setări într-o singură aplicație.
• Toate setările modulului pot fi salvate ca un fișier separat și transferate pe un dispozitiv nou utilizând funcția de clonare, pentru a accelera implementările.
• Modelele tip bloc au două fișe de conector de alimentare M12 cu cod L, cu capacitate nominală de 16 A. Intrările și ieșirile au fișe de conector M12 cu cod A, iar conexiunea la magistrala de câmp se realizează prin fișe de conector M12 cu cod D.
• Modelele pentru șină DIN sunt disponibile cu terminale cu șurub sau conectori fișabili cu împingere.
• Grad de protecție: modelele tip bloc sunt clasificate IP67, iar modelele pentru șină DIN sunt clasificate IP20 (Figura 4).

Figura 4: Exemple de dispozitive master IO-Link pentru șină DIN (stânga) și tip bloc (dreapta). (Sursa imaginii: Pepperl+Fuchs)

Dispozitivele master IO-Link exemplificative cu OPC UA MultiLink includ:

• ICE2-8IOL1-G65L-V1D este un master EtherNet/IP și Modbus IO-Link tip bloc cu patru porturi IO-Link Clasa A, care pot furniza alimentare de până la 200 mA pentru dispozitivele conectate și patru porturi IO-Link Clasa B pentru dispozitive cu putere mai mare și propria sursă de alimentare independentă.
• ICE2-8IOL-K45P-RJ45 este un dispozitiv master EtherNet/IP IO-Link pentru șină DIN cu opt intrări/ieșiri și conectori cu împingere.
• ICE3-8IOL1-G65L-V1D este un dispozitiv master PROFINET și Modbus IO-Link de tip bloc cu 4 porturi IO-Link clasa A și 4 porturi IO-Link clasa B.
• ICE3-8IOL-K45S-RJ45 este un dispozitiv master PROFINET IO IO-Link pentru șină DIN cu opt intrări/ieșiri și terminale cu șurub.

Hub-uri și convertoare pentru extinderea rețelei

Hub-urile IO-Link sprijină extinderea rețelelor de senzori, actuatoare și alte dispozitive. Hub-urile IO-Link permit conectarea mai multor senzori și actuatoare digitale la un dispozitiv master IO-Link utilizând un cablu standard pentru senzori. De exemplu, hub-ul ICA-16DI-G60A-IO IO-Link poate gestiona până la 16 intrări digitale PNP, iar nivelul logic poate fi configurat individual pentru fiecare port. În funcție de capacitatea dispozitivului master IO-Link conectat, acest hub poate furniza până la 500 mA de energie dispozitivelor conectate. Este clasificat pentru IP65, IP67 și IP69K.

Atunci când un senzor cu o ieșire analogică trebuie conectat la o rețea IO-Link, proiectanții pot utiliza convertorul IO-Link ICA-AI-I/U-IO-V1 cu o intrare analogică pentru curent sau tensiune și o ieșire IO-Link. Este clasificat pentru IP67, iar intrarea poate fi configurată după cum urmează:

• Intrarea de curent poate fi configurată de la 0 la 20 mA sau de la 4 la 20 mA.
• Intrarea de tensiune poate fi configurată de la -10 la 10 V sau de la 0 la 10 V.

Oferta de dispozitive IO-Link

Un ecosistem cuprinzător de dispozitive IO-Link este disponibil pentru aproape fiecare proces industrial, inclusiv pentru nevoile de detectare și control. Portofoliul IO-Link de la Pepperl+Fuchs include senzori de proximitate inductivi, sisteme de poziționare inductive, senzori fotoelectrici, senzori cu ultrasunete, senzori de vibrații, codificatoare rotative și sisteme de identificare (Figura 5). Printre exemple se numără:

• Dispozitivul de măsurare a distanței VDM28. care utilizează tehnologia Pulse Ranging Technology (PRT) pentru a oferi o precizie de repetare de 5 mm cu o gamă de operare de la 0,2 la 15 m, precum și o precizie absolută de 25 mm.
• Dispozitivul de citire/scriere RFID IUT-F191-IO-V1-FR2-02, care este optimizat pentru aplicații industriale ce implică distanțe de până la aproximativ un metru. Dispozitivul citește și scrie etichete pasive pe baza ISO/IEC 18000-63.

Figura 5: Exemple din gama largă de dispozitive IO-Link disponibile. (Sursa imaginii: Pepperl+Fuchs)

Dispozitiv master USB pentru punerea în funcțiune a dispozitivelor IO-Link

Când este timpul să instaleze și să pună în funcțiune dispozitive IO-Link, tehnicienii de rețea pot utiliza IO-LINK-MASTER02-USB (Figura 6). Acest master USB poate conecta dispozitive IO-Link la un port USB de pe un PC. Este conceput pentru a sprijini activitățile de testare, configurare și service. Dispozitivele conectate pot fi configurate și parametrizate. De asemenea, este posibilă diagnosticarea dispozitivelor. Dispozitivele cu un consum redus de curent pot fi alimentate direct de la dispozitivul master USB. Dispozitivele cu cerințe energetice mai mari pot fi conectate la o sursă de alimentare externă opțională.

Figura 6: Acest dispozitiv master USB IO-Link se conectează la un PC pentru a accelera implementarea în rețea. (Sursa imaginii: Pepperl+Fuchs)

Concluzie

Adăugarea conectivității paralele OPC UA la dispozitivele master IO-Link a schimbat dramatic opțiunile disponibile pentru proiectanții de rețele din Industria 4.0. Acum este posibilă uniformizarea arhitecturii de rețea și furnizarea de conexiuni directe între dispozitivele IO-Link din fabrică și cloud. Noua tehnologie poate fi utilizată în diverse cazuri de utilizare, pentru a îmbunătăți eficiența operațională.