Optimalizace komunikačních architektur koncepce Industry 4.0 pomocí multiprotokolových I/O hubů a převodníků

Komunikační protokoly jsou důležité při podpoře přenosů dat v reálném čase a řízení v sítích koncepce Industry 4.0 a průmyslového Internetu věcí (IIoT). Snímače, aktuátory, motorové pohony a řídicí jednotky mají specifické komunikační potřeby. Neexistuje žádný komunikační protokol s „jednou velikostí vyhovující všem“.

Vzhledem k tomu, že žádný protokol nevyhovuje požadavkům všech aplikací, je často nutné propojit různá zařízení. Senzory musí být propojeny s řídicími jednotkami a řídicí jednotky musí být propojeny s různými prvky systému, které používají různé protokoly, jako je IO-Link, Modbus a různé formy Ethernetu.

V mnoha případech je třeba propojit kompletní stroj s cloudem. Výsledkem jsou složité komunikační architektury s nesčetným počtem protokolů. Aby se konstruktéři strojů s tímto problémem vypořádali, mohou využívat multiprotokolová vstupně/výstupní (I/O) master zařízení, huby a převodníky.

Tento článek začíná přehledem běžných komunikačních protokolů koncepce Industry 4.0 a jejich zařazení do hierarchie sítí. Poté představuje řadu I/O master zařízení, hubů a převodníků od společnosti Banner Engineering, vyhodnocuje jejich funkci a zabývá se jejich schopností usnadnit složité komunikační architektury koncepce Industry 4.0 a IIoT.

Co je sedmivrstvý model OSI?

Síťové komunikační protokoly se často popisují v kontextu sedmivrstvého modelu OSI (Open Systems Interconnection). Model začíná třemi vrstvami médií, které se zabývají hardwarovými aspekty, jako jsou fyzické připojení, datové spojení a síťová připojení.

Další tři vrstvy, které zahrnují procesy přenosu, relace a prezentace, se zaměřují na adresování dat.

Sedmou úrovní modelu je pak aplikační vrstva, která poskytuje rozhraní mezi uživatelem a sítí. V této vrstvě se nacházejí protokoly, jako jsou Modbus a PROFINET. Model OSI volněji souvisí s jinými protokoly, například EtherNet/IP.

V případě protokolu EtherNet/IP zahrnuje aplikační vrstva procesy, jako webový přístup (HTTP), e-mail (SMTP), přenos souborů (FTP) atd. Tři hostitelské vrstvy implementují procesy protokolu TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) pro vytváření relací, opravy chyb atd. Vrstvy médií zahrnují fyzické připojení 10 Base-T a implementaci datového spojení Ethernet i síťových připojení (obrázek 1).

Obrázek 1: vztah protokolu EtherNet/IP k sedmivrstvému modelu OSI. (Zdroj obrázku: Banner Engineering)

Kam patří protokol IO-Link?

IO-Link je drobné digitální komunikační rozhraní (SDCI) pro malé senzory, aktuátory a podobná zařízení. Rozšiřuje obousměrnou komunikaci až k jednotlivým zařízením ve výrobní hale. Toto rozhraní specifikované v normě IEC 61131-9 je navrženo tak, aby bylo kompatibilní s průmyslovými síťovými architekturami založenými na protokolech Modbus, PROFIBUS, EtherNet/IP atd.

Protokol IO-Link využívá master zařízení k připojení IO-Link zařízení k protokolům vyšší úrovně, například Modbus, které zajišťují připojení k zařízením odebírajícím data, jako jsou programovatelné logické automaty (PLC), rozhraní člověk-stroj (HMI), cloudová datová služba (CDS) atd. Protokol IO-Link na nejnižší úrovni využívá huby k agregaci více zařízení a k přenosu dat do hlavního zařízení. Dále platí, že využitím analogového napětí přivedeného do převodníku IO-Link lze přidávat analogové senzory do sítě IO-Link (obrázek 2).

Obrázek 2: převodníky, huby a master zařízení IO-Link mohou získávat data z provozních zařízení a předávat je spotřebitelům dat, jako jsou PLC, HMI a CDS. (Zdroj obrázku: Banner Engineering)

Proč kombinovat IO-Link s jinými protokoly?

Masové přizpůsobení a flexibilní výrobní procesy jsou charakteristickými rysy koncepce Industry 4.0. Kombinace IO-Link s dalšími protokoly může zvýšit flexibilitu a všestrannost továren s koncepcí Industry 4.0. Přednosti protokolu IO-Link zahrnují:

• Protokol Modbus poskytuje omezenou podporu analogovým zařízením, jako jsou určité snímače, přičemž protokol IO-Link je kompatibilní s digitálními i analogovými zařízeními.
• Zvýšení tovární automatizace a expanze lze usnadnit použitím brány, která podporuje IO-Link i protokoly vyšší úrovně, jako jsou Modbus TCP nebo EtherNet/IP, a je schopná plnit úlohu mostu mezi sítí senzorů na provozní úrovni a páteří průmyslové síťové komunikace.
• Protokol IO-Link, který zvyšuje provozní efektivitu nabídkou standardizovaného, jednotného procesu konfigurace pro všechny senzory, lze využívat k automatické výměně vadných snímačů při použití totožného modelu.
• Získávání dat a komunikační schopnosti protokolu IO-Link poskytují lepší přehled o provozu jednotlivých senzorů i rozptýlených senzorových sítí a urychlují přenos dat až do programovatelných logických automatů (PLC) a cloudu.

Jak se dá kombinovat rozhraní Modbus s protokolem IO-Link?

Jedním z prvních nástrojů, které je třeba vzít v úvahu, je hybridní I/O hub Modbus, například 8portový bimodální hub Modbus R95C-8B21-MQ. Tento diskrétní bimodální hub Modbus připojuje dva diskrétní kanály ke každému z osmi jedinečných portů, čímž zpřístupňuje monitorování a konfiguraci těchto portů prostřednictvím registrů Modbus.

Hybridní I/O rozbočovače Modbus jsou k dispozici se čtyřmi konfigurovatelnými analogovými vstupy (napěťovými nebo proudovými) a čtyřmi analogovými výstupy, plus osmi konfigurovatelnými diskrétními vstupy a výstupy PNP (sourcing) nebo NPN (sinking) pro zvýšenou flexibilitu aplikací.

Průmyslové řadiče DXMR90-X1 lze využívat jako platformu pro řešení IIoT. Dokážou konsolidovat data z více zdrojů pro místní zpracování dat a dostupnost. Řadič DXMR90 obsahuje jednotlivé klienty Modbus podporující současnou komunikaci až do pěti nezávislých sériových sítí.

Řadič DXMR90-X1 obsahuje jeden samičí ethernetový konektor M12 D-Code a čtyři samičí přípojky M12 pro připojení master zařízení Modbus. Ostatní modely DXMR90 jsou k dispozici se dvěma samičími konektory M12 D-Code Ethernet a čtyřmi samičími konektory M12 pro připojení klienta Modbus nebo s jedním samičím konektorem M12 D-Code Ethernet a čtyřmi samičími konektory M12 pro připojení master zařízení IO-Link.

Všechny řadiče DXMR90 také obsahují jeden samčí konektor M12 (Port 0) pro vstup napájení a rozhraní Modbus RS-485 a jeden samičí konektor M12 na řetězení signálů portu Port 0. Další funkce řadiče DXMR90-X1 zahrnují (obrázek 3):

• Převod protokolu Modbus RTU na protokol Modbus TCP/IP, EtherNet/IP nebo Profinet
• Interní logika řízená pravidly akcí pro snadné programování nebo podpora jazyků MicroPython a ScriptBasic pro vývoj složitějších řešení
• Podpora internetových protokolů včetně RESTful a MQTT
• Řadič je vhodný zejména pro analýzu dat IIoT, monitorování stavu, prediktivní údržbu, analýzu celkové efektivity zařízení (OEE), diagnostiku a odstraňování problémů

Obrázek 3: řadič DXMR90-X1 lze použít ve spojení s hybridním hubem I/O Modbus R95C. (Zdroj obrázku: Banner Engineering)

Co je to podpora více protokolů?

8portové IO-Link master zařízení DXMR110-8K je kompaktní multiprotokolová inteligentní řídicí jednotka, která konsoliduje, zpracovává a distribuuje data IO-link a diskrétní data z různých zdrojů. Jednotlivé propojovací prvky zahrnují:

• Dva samičí ethernetové konektory M12 D-Code pro řetězení a komunikaci s nadřazeným řídicím systémem
• Osm samičích konektorů M12 pro zařízení IO-Link
• Jeden samčí port M12 pro vstupní napájení a jeden samičí port M12 pro napájení daisy chaining

Řadič DXMR110 podporuje cloudové připojení a obsahuje pokročilé programovací funkce. K vytváření a implementaci vlastních skriptů a logiky pro optimalizované procesy automatizace lze využívat jazyk ScriptBasic a programování pravidel akcí.

Interní výpočetní výkon řadiče DXMR110 lze využívat k přesunu zpracování dat na okraj sítě, čímž se minimalizuje potřeba hardwaru v řídicí skříni a eliminují se I/O karty v jednotce PLC. Integrovaná cloudová konektivita může zpřístupnit data z libovolného místa na světě. A konečně, stupeň krytí IP67 zjednodušuje instalaci na libovolném místě odstraněním potřeby ovládací skříně (obrázek 4).

Obrázek 4: 8portové IO-Link master zařízení DXMR110-8K je multiprotokolová inteligentní řídicí jednotka. (Zdroj obrázku: Banner Engineering)

Je toho víc

Dosud představená zařízení nejsou jedinou možností implementace multiprotokolových řešení průmyslové komunikace. Konstruktéři strojů mohou využítvat řadu vzdálených I/O bloků od společnosti Banner Engineering k optimalizaci návrhu systému, prostorové efektivity a výkonu.

Společnost Banner nabízí in-line převodníky a mastery s přelisovanou konstrukcí, která splňuje požadavky krytí IP65, IP67 a IP68 na vstupní výkon (IP). In-line převodníky a master zařízení řady R45C poskytují bránu pro připojení zařízení IO-Link k síti IIoT nebo systémovým řídicím jednotkám pomocí protokolu Modbus RTU. Model R45C-2K-MQ připojuje dvě zařízení IO-Link k rozhraní Modbus RTU.

V případě požadavku na analogové signály mohou konstruktéři využít model R45C-MII-IIQ Modbus jako duální analogový in-line I/O převodník. Jeho funkce zahrnují:

• Analogový vstup. Pokud převodník přijme analogový signál, odešle číselnou reprezentaci hodnoty do odpovídajícího registru Modbus. Převodník je schopen přijímat analogové signály v rozsahu 0 až 11 000 mV nebo 0 až 24 000 µA.
• Analogový výstup. Převodník odesílá analogovou hodnotu odpovídající numerickému vstupu. Analogové výstupní hodnoty mohou ležet rozsahu 0 až 11 000 mV nebo 0 až 24 000 µA.
• Je také možné detekovat a zpracovávat hodnoty procesních dat mimo platný rozsah (POVR), kdy převodník vyšle signál do systému.

Je-li třeba převést jeden analogový vstup na signál IO-Link, mohou konstruktéři využít převodník S15C-I-KQ. Tento cylindrický převodník analogového proudu do formátu IO-Link se připojuje ke zdroji proudu 4 až 20 mA a odesílá odpovídající hodnotu do master zařízení IO-Link.

Společnost Banner nabízí řadu I/O bloků Modbus RTU podporujících připojení více analogových a diskrétních zařízení připojených k síti Modbus nebo IO-Link. Tyto bloky lze kombinovat nebo párovat, aby podporovaly flexibilní návrhy systémů a interoperabilitu (obrázek 5).

Obrázek 5: příklady tvarových faktorů a konfigurací vzdálených I/O řešení společnosti pro integraci protokolu IO-Link od společnosti Banner (Zdroj obrázku: DigiKey)

Lze integrovat bezdrátové protokoly?

Bezdrátové I/O síťové řešení Sure Cross DSX80 Performance od společnosti Banner umožňuje bezdrátové připojení. Toto řešení lze používat nezávisle nebo je připojit k hostitelskému programovatelému logickému automatu (PLC) pomocí protokolu Modbus, osobního počítače nebo tabletu. Základní architektura systému zahrnuje bránu a jeden nebo více uzlů (Obrázek 6).

Obrázek 6: bezdrátové I/O síťové řešení Banner Sure Cross DSX80 Performance zahrnuje bránu a jeden nebo více snímačových uzlů. (Zdroj obrázku: Banner Engineering)

Implementace bezdrátové sítě Sure Cross DX80 Performance zahrnuje tři prvky: topologii sítě, vztahy mezi master a slave zařízeními a architekturu vícenásobného přístupu s časovým dělením (TDMA).

Používá se hvězdicová topologie, kde master zařízení udržuje samostatné spojení s jednotlivými uzly. V případě selhání spojení mezi uzlem a master zařízením nedojde k neovlivnění spojení se zbytkem uzlů.

Brána, jako například model DX80G2M6-QC je master zařízení, které zahajuje veškerou komunikaci se slave zařízeními. Brána, která používá připojení Modbus RTU RS-485, plní úlohu podřízeného hostitelského řadiče Modbus RTU. Jedna bezdrátová síť může zahrnovat až 47 podřízených uzlů.

Slave zařízení můžou být bezdrátové uzly, jako je třeba uzel snímače teploty DX80N9Q45DT s dvojitým termistorem, uzel snímače tlaku DX80N9Q45PS150G nebo snímače vibrací a vlhkosti.

Podřízená zařízení nemohou zahájit komunikaci s bránou, ani vzájemně komunikovat. Pro rozšíření pokrytí sítě ve fyzicky rozsáhlých instalacích lze přidat sériové datové rádio, například model DX80SR9M-H.

Technologie TDMA (vícenásobný přístup s časovým dělením) je klíčem ke kombinaci robustní konektivity s minimální spotřebou energie. Řadič TDMA v bráně přiděluje každému uzlu konkrétní čas pro odesílání a příjem dat. Brána má vždy ID zařízení 0. Uzly mohou být číslovány v libovolném pořadí pomocí ID zařízení v rozsahu 1 až 47.

Nastavení specifických komunikačních časů pro jednotlivé uzly optimalizuje efektivitu eliminací možnosti konfliktů mezi uzly. Umožňuje také uzlům vstoupit do stavu nízké spotřeby mezi komunikacemi a probouzet se pouze v určený čas. Vypnutí rádia v době mezi přenosy šetří energii a prodlužuje provozní životnost uzlů napájených z baterie.

Závěr

Přístup k více komunikačním protokolům, jako jsou IO-Link, Modbus, EtherNet/IP a další, je nezbytný pro podporu efektivního provozu sítí Průmyslu 4.0 a IIoT. Společnost Banner Engineering poskytuje konstruktérům kompletní výběr IO-Link hubů, převodníků a master zařízení v různých tvarových faktorech na podporu optimalizovaných komunikačních řešení.