Optimizarea arhitecturilor de comunicații din Industria 4.0 cu ajutorul hub-urilor și convertoarelor I/O multi-protocol

Protocoalele de comunicare sunt importante pentru susținerea transferurilor de date în timp real și a controlului în rețelele Industriei 4.0 și Internetului industrial al lucrurilor (IIoT). Fiecare senzor, actuator, acționare de motor și controler are cerințe specifice de comunicare. Nu există un singur protocol de comunicare universal.

Deși nu există un protocol unic care să se potrivească cerințelor tuturor aplicațiilor, conectarea diferitelor dispozitive este adesea necesară. Senzorii trebuie conectați la controlere, iar controlerele trebuie conectate la diverse elemente de sistem care utilizează protocoale diferite, precum IO-Link, Modbus și mai multe forme de Ethernet.

În multe cazuri, întregul echipament trebuie să se conecteze la cloud. Acest lucru duce la arhitecturi de comunicare complexe cu o multitudine de protocoale. Pentru a face față acestei provocări, proiectanții de echipamente pot apela la dispozitive master, hub-uri și convertoare de intrare/ieșire (I/O) cu protocoale multiple.

Acest articol începe cu o trecere în revistă a protocoalelor comune de comunicare din Industria 4.0 și a locului pe care acestea îl ocupă în ierarhia rețelelor. Apoi prezintă o serie de dispozitive master, hub-uri și convertoare I/O de la Banner Engineering, analizează funcționarea acestora și discută modul în care pot facilita arhitecturile complexe de comunicare din Industria 4.0 și IIoT.

Ce este modelul OSI cu șapte straturi?

Protocoalele de comunicare în rețea sunt adesea descrise în contextul modelului OSI (Open Systems Interconnection) cu șapte straturi. Modelul începe cu trei straturi media care se ocupă de aspectele hardware, cum ar fi conexiunile fizice, cele pentru legătura de date și cele de rețea.

Adresarea datelor este punctul central al următoarelor trei straturi, care includ procesele de transport, sesiune și prezentare.

Al șaptelea nivel al modelului este nivelul aplicației, care asigură interfața dintre utilizator și rețea. În acest strat se află protocoale precum Modbus și PROFINET. Modelul OSI are o legătură mai vagă cu alte protocoale precum EtherNet/IP.

În cazul EtherNet/IP, stratul de aplicație include procese precum accesul la web (HTTP), e-mail (SMTP), transferul de fișiere (FTP) etc. Cele trei straturi gazdă implementează procesele protocolului de control al transmisiei/protocolului internet (TCP/IP) pentru stabilirea sesiunilor, corectarea erorilor etc. Straturile Media includ conexiunea fizică 10 Base-T și implementarea legăturii de date Ethernet și a conexiunilor de rețea (Figura 1).

Figura 1: Cum se raportează EtherNet/IP la modelul OSI cu șapte straturi. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Unde se încadrează IO-Link?

IO-Link este o interfață de comunicare digitală single-drop (SDCI) pentru senzori mici, actuatoare și dispozitive similare. Acesta extinde comunicațiile bidirecționale până la dispozitivele individuale din fabrică. Este specificat în IEC 61131-9 și este conceput pentru a fi compatibil cu arhitecturile de rețea industriale bazate pe Modbus, PROFIBUS, EtherNet/IP etc.

IO-Link utilizează un dispozitiv master pentru a conecta dispozitivele IO-Link la protocoale de nivel superior, cum ar fi Modbus, care oferă conexiuni la dispozitive consumatoare de date, cum ar fi controlere logice programabile (PLC), interfețe om-mașină (HMI), un serviciu de date în cloud (CDS) și așa mai departe. La cel mai scăzut nivel, IO-Link utilizează hub-uri pentru a agrega mai multe dispozitive și a transmite datele către un dispozitiv principal. În plus, o tensiune analogică la convertorul IO-Link poate fi utilizată pentru a adăuga senzori analogici la rețeaua IO-Link (Figura 2).

Figura 2: Convertoarele, hub-urile și dispozitivele master IO-Link pot colecta date de la dispozitivele de teren și le pot transmite către consumatorii de date precum PLC-urile, HMI-urile și CDS-urile. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

De ce să combinați IO-Link cu alte protocoale?

Personalizarea în masă și procesele de producție flexibile sunt caracteristicile distinctive ale Industriei 4.0. Combinarea IO-Link cu alte protocoale poate crește flexibilitatea și versatilitatea fabricilor din Industria 4.0. Caracteristicile benefice ale IO-Link includ:

• Modbus are un suport limitat pentru dispozitivele analogice, cum ar fi anumiți senzori, în timp ce IO-Link este compatibil atât cu dispozitivele digitale, cât și cu cele analogice.
• Automatizarea și extinderea sporită a fabricii pot fi facilitate prin utilizarea unui gateway care acceptă atât IO-Link, cât și protocoale de nivel superior, cum ar fi Modbus TCP sau EtherNet/IP și care poate funcționa ca o punte între o rețea de senzori la nivel de câmp și o rețea industrială de comunicații.
• IO-Link crește eficiența operațională prin furnizarea unui proces de configurare standardizat și uniform pentru toți senzorii și poate fi utilizat pentru a înlocui automat senzorii defecți atunci când se utilizează un model identic.
• Capacitățile de colectare a datelor și de comunicare ale IO-Link oferă o vizibilitate sporită asupra funcționării senzorilor individuali, precum și a rețelelor dispersate de senzori, și accelerează transmiterea datelor către un PLC și Cloud.

Cum combinați Modbus și IO-Link?

Unul dintre primele instrumente de luat în considerare este un hub Modbus I/O hibrid, cum ar fi R95C-8B21-MQ cu 8 porturi bimodale către Modbus. Acest hub bimodal discret la Modbus conectează două canale discrete la fiecare dintre cele opt porturi unice, oferind acces la monitorizarea și configurarea acestor porturi prin intermediul registrelor Modbus.

Hub-urile Modbus I/O hibride sunt disponibile cu patru intrări analogice configurabile (tensiune sau curent) și patru ieșiri analogice, plus opt intrări și ieșiri discrete configurabile PNP (sursă) sau NPN (consum) pentru o flexibilitate sporită a aplicațiilor.

Controlerele industriale DXMR90-X1 pot fi utilizate ca o platformă pentru soluții IIoT. Acestea pot consolida datele din mai multe surse pentru prelucrarea și accesibilitatea locală a datelor. DXMR90 conține clienți Modbus individuali care acceptă comunicarea simultană cu până la cinci rețele seriale independente.

DXMR90-X1 include un conector mamă M12 D-Code Ethernet și patru conexiuni mamă M12 pentru conexiuni master Modbus. Alte modele DXMR90 sunt disponibile cu doi conectori mamă M12 D-Code Ethernet și patru conexiuni mamă M12 pentru conexiuni client Modbus sau cu un conector mamă M12 D-Code Ethernet și patru conectori mamă M12 pentru conexiuni master IO-Link.

Toate controlerele DXMR90 includ, de asemenea, un M12 tată (Portul 0) pentru alimentarea de intrare și Modbus RS-485 și un M12 mamă pentru conectarea în cascadă a semnalelor Portului 0. Caracteristicile suplimentare ale DXMR90-X1 includ (Figura 3):

• Convertește Modbus RTU în Modbus TCP/IP, EtherNet/IP sau Profinet
• Logică internă condusă de reguli de acțiune pentru o programare ușoară sau MicroPython și ScriptBasic pentru dezvoltarea de soluții mai complexe
• Suport pentru protocoale Internet, inclusiv RESTful și MQTT
• Potrivite pentru analiza datelor IIoT, monitorizarea stării, întreținerea predictivă, analiza eficienței generale a echipamentelor (OEE), diagnosticarea și depanarea

Figura 3: Controlerul DXMR90-X1 poate fi utilizat împreună cu hub-ul I/O Modbus hibrid R95C. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Ce este suportul multi-protocol?

Dispozitivul master IO-Link cu 8 porturi DXMR110-8K este un controler multi-protocol compact inteligent, care consolidează, procesează și distribuie IO-link și date discrete din surse multiple. Conexiunile includ:

• Doi conectori mamă M12 D-Code Ethernet pentru conectarea în cascadă și comunicarea cu un sistem de control de nivel superior
• Opt conexiuni mamă M12 pentru dispozitive IO-Link
• Un M12 tată pentru alimentarea de intrare și un M12 mamă pentru alimentarea în cascadă

DXMR110 acceptă conectivitate cloud și include caracteristici avansate de programare. Se pot utiliza ScriptBasic și programarea regulilor de acțiune pentru a crea și implementa scripturi și logică personalizate pentru procese de automatizare optimizate.

Puterea de procesare internă a DXMR110 poate fi utilizată pentru a muta procesarea datelor la periferie, minimizând nevoia de hardware în dulapul de control și eliminând plăcile I/O de pe un PLC. Conectivitatea cloud integrată poate face ca datele să fie accesibile de oriunde din lume. În cele din urmă, carcasa IP67 simplifică instalarea în orice locație, eliminând necesitatea unui dulap de control (Figura 4).

Figura 4: dispozitivul master IO-Link cu 8 porturi DXMR110-8K este un controler inteligent multi-protocol. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Asta nu e tot

Dispozitivele prezentate până acum nu sunt singurele opțiuni pentru implementarea soluțiilor de comunicații industriale multi-protocol. Proiectanții de echipamente pot utiliza o gamă de blocuri I/O la distanță de la Banner Engineering, pentru a optimiza proiectarea sistemului, eficiența spațiului și performanța.

Banner oferă convertoare în linie și dispozitive master cu modele supraturnate care îndeplinesc cerințele de performanță la infiltrare (IP) IP65, IP67 și IP68. Convertoarele și dispozitivele master în linie din seria R45C oferă un gateway pentru conectarea dispozitivelor IO-Link la o rețea IIoT sau la controlere de sistem utilizând protocolul Modbus RTU. Modelul R45C-2K-MQ conectează două dispozitive IO-Link la o interfață Modbus RTU.

Atunci când sunt necesare semnale analogice, proiectanții pot utiliza Modbus R45C-MII-IIQ pentru un convertor I/O dual analogic în linie. Funcțiile includ:

• Intrare analogică. Atunci când convertorul primește o intrare analogică, acesta trimite reprezentarea numerică a valorii la registrul Modbus corespunzător. Poate accepta intrări analogice de la 0 la 11.000 mV sau de la 0 la 24.000 µA.
• Ieșire analogică. Convertorul emite o valoare analogică corespunzătoare unei intrări numerice. Ieșirile analogice pot varia de la 0 la 11.000 mV sau de la 0 la 24.000 µA.
• Valorile datelor de proces din afara intervalului valid (POVR) pot fi, de asemenea, detectate și procesate, iar convertorul trimite un semnal către sistem.

Atunci când o singură intrare analogică trebuie să fie convertită într-un semnal IO-Link, proiectanții pot utiliza S15C-I-KQ. Acest convertor cilindric analogic de curent la IO-Link se conectează la o sursă de curent de la 4 la 20 mA și emite valoarea corespunzătoare către un master IO-Link.

Banner oferă o varietate de blocuri Modbus RTU I/O care acceptă conexiuni ale mai multor dispozitive analogice și discrete conectate la o rețea Modbus sau IO-Link. Acestea pot fi amestecate sau combinate pentru a sprijini proiectarea flexibilă a sistemelor și interoperabilitatea (Figura 5).

Figura 5: Exemple de factori de formă și configurații ale soluțiilor I/O la distanță Banner pentru integrarea IO-Link. (Sursa imaginii: DigiKey)

Pot fi integrate protocoalele wireless?

Soluția de rețea I/O wireless Sure Cross DSX80 Performance de la Banner permite conectivitatea wireless. Aceasta poate fi utilizată independent sau conectată la un PLC gazdă utilizând Modbus sau un computer personal sau o tabletă. Arhitectura de bază a sistemului cuprinde un Gateway și unul sau mai multe Noduri (Figura 6).

Figura 6: Soluția de rețea I/O wireless Sure Cross DSX80 Performance de la Banner include un gateway și unul sau mai multe noduri de senzor. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Implementarea unei rețele wireless Sure Cross DX80 Performance implică trei elemente: topologia rețelei, relațiile master și slave și arhitectura TDMA (Time Division Multiple Access).

Se utilizează o topologie în stea, în care dispozitivul master menține o conexiune separată cu fiecare nod. În cazul în care conexiunea dintre un nod și master se întrerupe, conectivitatea cu restul nodurilor nu este afectată.

Un gateway precum DX80G2M6-QC este dispozitivul master și inițiază toate comunicațiile cu dispozitivele slave. Un gateway care utilizează o conexiune Modbus RTU RS-485 acționează ca un dispozitiv slave la un controler gazdă Modbus RTU. O singură rețea wireless poate include până la 47 de noduri slave.

Dispozitivele slave pot fi noduri wireless, precum nodul senzor de temperatură cu termistor dublu DX80N9Q45DT, nodul senzor de presiune DX80N9Q45PS150G sau senzori de vibrații și umiditate.

Dispozitivele slave nu pot iniția o comunicare cu gateway-ul sau nu pot comunica între ele. Se poate adăuga un radio de date seriale, precum DX80SR9M-H, pentru a extinde acoperirea rețelei în vederea adaptării la instalațiile cu dimensiuni mari.

TDMA este cheia pentru a combina conectivitatea robustă cu un consum minim de energie. Controlerul TDMA din gateway atribuie fiecărui nod un timp specific pentru a trimite și a primi date. Gateway-ul are întotdeauna numărul de identificare al dispozitivului 0. Nodurile pot fi numerotate în orice ordine folosind ID-urile de dispozitiv de la 1 la 47.

Stabilirea unor timpi de comunicare specifici pentru nodurile individuale optimizează eficiența prin eliminarea posibilității de conflicte între noduri. De asemenea, aceasta permite nodurilor să intre într-o stare de consum redus de energie între comunicații, activându-se doar la ora stabilită. Oprirea radioului între transmisiuni economisește energie și prelungește durata de funcționare a nodurilor alimentate cu baterii.

Concluzie

Accesul la mai multe protocoale de comunicare, precum IO-Link, Modbus, EtherNet/IP și așa mai departe, este necesar pentru a sprijini funcționarea eficientă a rețelelor din Industria 4.0 și IIoT. Banner Engineering pune la dispoziția proiectanților o selecție cuprinzătoare de hub-uri, convertoare și dispozitive master IO-Link în diferiți factori de formă pentru a susține soluții de comunicare optimizate.