Jak mohou nová IO-Link master zařízení zavést rovnováhu mezi výhodami cloudové konektivity a místní regulace v továrnách s koncepcí Industry 4.0

Dosažení rovnováhy mezi potřebami cloudové konektivity a místní regulace pomocí programovatelných logických automatů (PLC) v průmyslových sítích je nyní jednodušší. Sítě koncepce Industry 4.0 jsou složité a zahrnují více úrovní konektivity od protokolu IO-Link na úrovni továrny po průmyslové sběrnice, jako jsou EtherNet/IP a PROFINET propojující stroje s automatem PLC a rozhraní OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) dosahující až do cloudu.

Senzory, aktuátory a další zařízení v tradiční síti koncepce Industry 4.0 používají IO-Link master zařízení k připojení k síti s průmyslovými sběrnicemi a zařízení v této síti používají rozhraní OPC UA a další protokoly k připojení ke cloudu.

Konstruktéři strojů a továrních sítí nyní mají nový nástroj - IO-Link master zařízení, který kombinuje obvyklou konektivitu EtherNet/IP, PROFINET a další sběrnici s rozhraním OPC UA pro přímé připojení ke cloudu. Tohoto řešení lze využít k vytvoření plošné konektivity a k urychlení doručování kritických dat do nejvyšších úrovní sítě.

Tento článek začíná přehledem použití místní regulace a cloudové konektivity v tradiční síťové architektuře. Poté představuje plošnou architekturu, kterou umožňují nová IO-Link master zařízení od společnosti Pepperl+Fuchs zahrnující průmyslové sběrnice, konektivitu OPC UA a schopnost podpory více paralelních připojení. Dále zohledňuje, jak do tohoto řešení zapadá nová technologie pokročilé fyzické vrstvy Ethernet (APL).

Článek uzavírá podrobným popisem nových IO-Link master zařízení s OPC UA konektivitou a kompatibilními IO-Link huby pro rozšíření sítě, společně s několika reprezentativními IO-Link zařízeními a využitím IO-Link USB master zařízení ke konfiguraci, zprovoznění a odstraňování problémů IO-Link zařízení.

Továrny koncepce Industry 4.0 vyžadují různé kombinace místní regulace a cloudové konektivity. Každé z těchto řešení má své výhody. Nejlepší řešení často kombinuje automaty PLC a počítače na okraji pro dosažení responzivní místní regulace s použitím cloudu k analýze složitých dat.

Automaty PLC jsou robustní a navržené pro použití v průmyslovém prostředí. Obecně se jedná o modulární jednotky schopné vyhovět měnícím se potřebám továren koncepce Industry 4.0. Automaty PLC jsou kompaktnější a spolehlivější než systémy založené na relé, které často nahrazují. Nejdůležitější vlastností automatů PLC je patrně jejich schopnost podpory regulace kritických aplikacích v reálném čase s přímou zpětnou vazbou od připojených strojů a senzorů.

Cloudová konektivita poskytuje v zásadě neomezené úložiště a výpočetní možnosti. Může propojovat data z různých aplikací, řízených jednotlivými automaty PLC, a podporovat celkově harmonizovaný a optimalizovaný tovární provoz. Cloudová konektivita je schopná odlehčit automaty PLC od administrativních úkolů, přičemž služby cloud computingu lze rychle a hospodárně škálovat.

Tradiční protokol IO-Link

IO-Link je protokol typu point-to-point, nikoli průmyslová sběrnice. V tradiční síti koncepce Industry 4.0 plní IO-Link master zařízení úlohu prostředníků mezi zařízeními IO-Link v továrně a v síti průmyslová sběrnice (field bus). Každý port v IO-Link master zařízení se připojuje k jednomu IO-Link zařízení. IO-Link master zařízení konsoliduje a překládá komunikaci z připojených zařízení IO-Link a posílá ji dále do sítě fieldbus.

IO-Link master zařízení jsou k dispozici pro instalaci uvnitř ovládací skříně. Mohou se připojit k síti fieldbus jako vzdálený připojovací bod s krytím IP20 nebo být provozovány v továrně s krytím IP65/67 (obrázek 1). Neexistuje žádné přímé spojení mezi tradičními IO-Link master zařízeními a cloudem; veškerá komunikace s cloudem je vedena a řízena prostřednictvím zařízení na průmyslové sběrnici.

Obrázek 1: tradiční síťová aplikace protokolu IO-Link připojená k průmyslové sběrnici. (Zdroj obrázku: Pepperl+Fuchs)

Vylepšený protokol IO-Link a paralelní síť

Přidání OPC UA konektivity do IO-Link master zařízení dramaticky mění možnosti průmyslových síťových architektur. Přístup do cloudu již nevyžaduje směrování komunikace přes průmyslovou sběrnici.

Časově citlivá data regulace v reálném čase mohou být stále odesílána přes průmyslovou sběrnici. Měně časově citlivá data lze však agregovat a odesílat přímo do cloudu, čímž se odstraní provozní zátěž komunikace od zařízení na průmyslové sběrnici.

Společnost Pepperl+Fuchs označuje tuto novou strukturu jako „paralelní“ architekturu, protože ji lze používat paralelně se standardními systémy řízení průmyslových strojů. Klíčovým prvkem je zde firemní technologie MultiLink™, která podporuje paralelní využití sběrnice průmyslového Ethernetu pro připojení k automatu PLC pomocí protokolů, jako jsou EtherNet/IP a MQTT (přenos vzdálených měření pomocí front zpráv). Tento open-source protokol pro přenos zpráv využívá rozhraní OPC UA a může se propojit se zařízeními v průmyslovém internetu věcí (IIoT), jako jsou průmyslové počítače, systémy dispečerského řízení a sběru dat (SCADA) a cloud.

Jako završení této sady zahrnují IO-Link master zařízení s technologií MultiLink také integrovaný webový server a interpret popisu zařízení IO-Link (IODD), který podporuje konfiguraci připojení průmyslové sběrnice a připojených zařízení IO-Link pomocí webového prohlížeče (obrázek 2).

Obrázek 2: nová síťová architektura IO-Link využívající rozhraní OPC UA pro přímou cloudovou konektivitu a zvýšení plošnosti síťové struktury. (Zdroj obrázku: Pepperl+Fuchs)

Více možností sítě

Kromě podpory nové, výše popsané paralelní síťové architektury lze IO-Link master zařízení s rozhraním OPC UA a technologií MultiLink využívat také v dalších aplikacích, jako například:

Dovybavení - stávající síť lze rozšířit o výhody paralelní komunikace nahrazením tohoto konvenčního IO-Link master zařízení jiným zařízením s rozhraním OPC UA a konektivitou MultiLink.

Aplikace bez tradičního automatu PLC - některé aplikace, například plánování podnikových zdrojů (ERP) nebo výrobní realizační systém (MES), shromažďují data od senzorů v továrně a automat PLC nepotřebují. IO-Link master zařízení s rozhraním OPC UA je schopné odesílat data přímo do cloudu, která mohou být dále agregována, analyzována a zpracovávána za účelem maximalizace produktivity.

Aplikace s více automaty PLC - příkladem aplikace s více automaty PLC a více protokoly jsou komplexní svařovací buňky, které mohou s výhodou využívat přidání rozhraní OPC UA. Například primární automat PLC může řídit celkový proces pomocí komunikace s protokolem PROFINET, průmyslový počítač může řídit monitorování optické kvality pomocí komunikace s protokolem EtherNet/IP a různé roboty a další zařízení mohou využívat firemní řídicí protokoly. Rozhraní OPC UA s technologií MultiLink od společnosti Pepperl+Fuchs umožňuje komunikaci a výměnu dat mezi systémy navzdory různým průmyslovým protokolům a dokáže propojit celou svařovací buňku s cloudem.

Postaveno na základech fyzické vrstvy Ethernet APL

Technologie MultiLink je postavena na základech pokročilé fyzické ethernetové vrstvy neboli Ethernet-APL, která umožňuje využití Ethernetu ke komunikaci a napájení procesního přístrojového vybavení na dlouhé vzdálenosti. Tato technologie je založena na standardu fyzické vrstvy 10BASE-T1L Ethernet.

Ethernet-APL o rychlosti 10 Mbps a dosahu 1 000 m byl navržen s cílem monitorování a řízení procesů v reálném čase, což umožňuje paralelní přístup. Technologie podporuje EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA, PROFINET a další protokoly vyšší úrovně. Odstraňuje potřebu bran nebo jiných konverzí protokolů. Implementuje protokol 10BASE-T1L pomocí speciálního ethernetového fyzického připojení (PHY) ve vrstvě 1 modelu OSI (Open Systems Interconnection) (obrázek 3).

Obrázek 3: Ethernet-APL je nová fyzická vrstva (PHY) založená na protokolu 10BASE-T1L. (Zdroj obrázku: Pepperl+Fuchs)

Nové průmyslové síťové nástroje

Pro konstruktéry průmyslových sítí, kteří chtějí využívat nových možností podporovaným IO-Link master zařízeními s paralelní konektivitou OPC UA MultiLink, nabízí společnost Pepperl+Fuchs IO-link master zařízení řady ICE2 (s protokolem EtherNet/IP) a ICE3 (s protokolem PROFINET). Oba typy těchto IO-Link master zařízení používají osm vstupů a výstupů a dodávají se s funkcemi webové konfigurace pro nastavení veškerých parametrů modulu a všech připojených IO-Link zařízení (webový provoz IODD). Zařízení zahrnují integrované úložiště IODD pro více než 100 popisů IODD. Další vlastnosti zahrnují:

• Software PortVision® DX na podporu konfiguraci sítě, správu zařízení a klonování/zálohování nastavení v jedné aplikaci.
• Veškerá nastavení modulu lze uložit jako samostatný soubor a urychlit instalaci přenesením do nového zařízení pomocí funkce klonování.
• Blokové modely používají dvě zástrčky M12 pro napájecí konektor s L kódováním dimenzované na 16 A. Vstupy a výstupy používají konektorové zástrčky M12 s A kódováním, přičemž připojení k průmyslové sběrnici se provádí pomocí konektorových zástrček M12 s D kódováním.
• Modely na lištu DIN jsou k dispozici se šroubovými svorkami nebo zásuvnými konektory.
• Stupně ochrany: blokové modely, resp. modely na lištu DIN používají stupeň krytí IP67, resp. IP20 (obrázek 4).

Obrázek 4: příklady IO-Link master zařízení na lištu DIN (vlevo) a v blokovém provedení (vpravo). (Zdroj obrázku: Pepperl+Fuchs)

Příklady IO-Link master zařízení s rozhraním OPC UA MultiLink:

• Model ICE2-8IOL1-G65L-V1D je IO-Link master zařízení v blokovém provedení s protokoly EtherNet/IP a Modbu a čtyřmi porty IO-Link Class A, které mohou do připojených zařízení dodávat proud až 200 mA, a se čtyřmi porty IO-Link Class B pro zařízení s vyšším výkonem s vlastním nezávislým napájecím zdrojem.
• Model ICE2-8IOL-K45P-RJ45 je IO-Link master zařízení s protokolem EtherNet/IP v provedení na lištu DIN s osmi vstupy/výstupy a zásuvnými konektory.
• Model ICE3-8IOL1-G65L-V1D je IO-Link master zařízení v blokovém provedení s protokoly PROFINET a Modbus, 4 porty IO-Link Class A a 4 porty IO-Link Class B.
• Model ICE3-8IOL-K45S-RJ45 je IO-Link master zařízení s protokolem PROFINET IO v provedení na lištu DIN s osmi vstupy/výstupy a šroubovými svorkami.

Huby a konvertory pro rozšíření sítě

Huby IO-Link podporují rozšiřující se sítě senzorů, aktuátorů a dalších zařízení. Huby rozhraní IO-Link umožňují připojení několika digitálních senzorů a akčních členů k IO-Link master zařízení pomocí standardního senzorového kabelu. Například hub rozhraní IO-Link ICA-16DI-G60A-IO podporuje až 16 digitálních vstupů PNP, přičemž logickou úroveň lze konfigurovat samostatně pro každý port. V závislosti na schopnostech připojeného IO-Link master zařízení je tento hub schopen dodávat do připojených zařízení proud až 500 mA. Hub používá krytí IP65, IP67 a IP69K.

Je-li potřeba k síti IO-Link připojit senzor s analogovým výstupem, mohou konstruktéři využít IO-Link převodník se vstupem analogového proudu a napětí ICA-AI-I/U-IO-V1 a výstupem ve formátu IO-Link. Převodník je opatřen krytím IP67 a jeho vstup lze nakonfigurovat následujícím způsobem:

• Proudový vstup lze nastavit v rozsahu 0 až 20 mA nebo 4 až 20 mA.
• Napěťový vstup lze nastavit v rozsahu -10 až 10 V nebo 0 až 10 V.

Nabídka zařízení IO-Link

Pro téměř každý průmyslový proces, včetně potřeb snímání a regulace, je k dispozici komplexní ekosystém zařízení IO-Link. Portfolio IO-Link zařízení společnosti Pepperl+Fuchs zahrnuje indukční snímače přiblížení, indukční polohovací systémy, fotoelektrické snímače, ultrazvukové snímače, snímače vibrací, rotační kodéry a identifikační systémy (obrázek 5). Příklady:

• Zařízení na měření vzdálenosti VDM28 využívá pulzní technologii PRT (Pulse Ranging Technology) k zajištění opakovací přesnosti 5 mm s pracovním rozsahem 0,2 až 15 m a absolutní přesností 25 mm.
• Zařízení RFID pro čtení/zápis IUT-F191-IO-V1-FR2-02 je optimalizováno pro průmyslové aplikace zahrnující vzdálenosti do přibližně jednoho metru. Zařízení provádí čtení a zápis pasivních štítků podle normy ISO/IEC 18000-63.

Obrázek 5: příklady široké škály dostupných zařízení IO-Link. (Zdroj obrázku: Pepperl+Fuchs)

USB master zařízení na zprovoznění zařízení IO-Link

Pokud nastane čas na instalaci a zprovoznění zařízení IO-Link, mohou síťoví technici využít model IO-LINK-MASTER02-USB (obrázek 6). Pomocí tohoto USB master zařízení lze připojit zařízení IO-Link k USB portu počítače. Zařízení navrženo tak, aby podporovalo testovací, konfigurační a servisní aktivity. U připojených zařízení lze provádět konfiguraci a nastavení parametrů. Podporována je také diagnostika zařízení. Zařízení s nízkým odběrem proudu lze napájet přímo z USB master zařízení. Zařízení s vyšší potřebou energie lze připojit k volitelnému externímu napájecímu zdroji.

Obrázek 6: toto IO-Link USB master zařízení se připojuje k počítači, aby došlo k urychlení zavedení sítě. (Zdroj obrázku: Pepperl+Fuchs)

Závěr

Přidání paralelního připojení s rozhraním OPC UA k IO-Link master zařízením dramaticky změnilo možnosti, které mají k dispozici konstruktéři sítí koncepce Industry 4.0. Nyní je možné vytvořit plošnou architekturu sítě a poskytovat přímá spojení mezi zařízeními IO-Link v továrně a cloudem. Novou technologii lze využívat v různých aplikačních situacích ke zlepšení provozní efektivity.