Hvordan nye IO-Link mastere kan afbalancere fordelene ved cloud-forbindelse og lokal kontrol i Industri 4.0-fabrikker

Det er nu blevet nemmere at afbalancere behovet for cloud-forbindelse og lokal kontrol ved hjælp af programmerbare logiske controllere (PLC'er) i industrielle netværk. Industri 4.0-netværk er komplekse og omfatter flere niveauer af tilslutningsmuligheder fra IO-Link på fabriksgulvet til feltbusser som EtherNet/IP og PROFINET, der forbinder maskiner og PLC'er, og en OPC UA-grænseflade (Open Platform Communications Unified Architecture), der rækker op til skyen.

I et traditionelt Industri 4.0-netværk bruger sensorer, aktuatorer og andre enheder en IO-Link-master til at forbinde med feltbusnetværket, og enheder på feltbusnetværket bruger OPC UA og andre protokoller til at forbinde med skyen.

Designere af maskin- og fabriksnetværk har nu et nyt værktøj - IO-Link masters - der kombinerer den sædvanlige EtherNet/IP-, PROFINET- og andre feltbusforbindelser med en OPC UA-grænseflade til direkte forbindelse til skyen. Den kan bruges til at udjævne forbindelsen og fremskynde leveringen af kritiske data til de højeste niveauer i netværket.

Denne artikel starter med en gennemgang af brugen af lokal kontrol og cloud-forbindelse i en traditionel netværksarkitektur. Derefter præsenteres den fladtrykte arkitektur, der muliggøres af de nye IO-Link-mastere fra Pepperl+Fuchs, som omfatter feltbus- og OPC UA-forbindelse og kan understøtte flere parallelle forbindelser. Den ser også på, hvordan den nye APL-teknologi (Advanced Physical Layer) i Ethernet passer ind.

Den slutter med at beskrive de nye IO-Link-mastere med OPC UA-forbindelse og kompatible IO-Link-hubs til netværksudvidelse sammen med nogle få repræsentative IO-Link-enheder og brugen af en IO-Link USB-master til konfiguration, idriftsættelse og fejlfinding af IO-Link-enheder.

Industri 4.0-fabrikker kræver forskellige blandinger af lokal kontrol og cloud-forbindelse. Hver har sine fordele. Den bedste løsning kombinerer ofte PLC'er og edge-computere til responsiv lokal styring, mens man bruger skyen til at analysere komplekse data.

PLC'er er robuste og designet til brug i industrielle miljøer. De er generelt modulopbyggede og kan imødekomme de skiftende behov i Industri 4.0-fabrikker. PLC'er er mere kompakte og pålidelige end de relæbaserede systemer, de ofte erstatter. Måske vigtigst af alt kan PLC'er understøtte realtidsstyring i kritiske applikationer med direkte feedback fra de tilsluttede maskiner og sensorer.

Cloud-forbindelse giver stort set ubegrænset lagerplads og beregningsmuligheder. Den kan forbinde data fra forskellige applikationer, der styres af individuelle PLC'er, og understøtte en harmoniseret og optimeret samlet fabriksdrift. Cloud-forbindelse kan aflaste PLC'ernes administrative opgaver, og cloud computing-tjenester kan skaleres hurtigt og økonomisk.

Traditionelt IO-Link

IO-Link er en punkt-til-punkt-protokol, ikke en feltbus. I et traditionelt Industri 4.0-netværk er IO-Link-mastere mellemmænd mellem IO-Link-enheder på fabriksgulvet og feltbusnetværket. Hver port på en IO-Link-master forbindes til en enkelt IO-Link-enhed. IO-Link-masteren konsoliderer og oversætter kommunikationen fra tilsluttede IO-Link-enheder og sender den videre til feltbusnetværket.

IO-Link-mastere er tilgængelige til installation inde i kontrolskabet. De kan tilsluttes feltbusnetværket som et fjerntilslutningspunkt med en IP20-miljøklassificering eller bruges på fabriksgulvet med en IP65/67-klassificering (figur 1). Der er ingen direkte forbindelse mellem traditionelle IO-Link-mastere og skyen; al kommunikation til skyen kanaliseres gennem og styres af enheder på feltbussen.

Figur 1: Traditionel netværksanvendelse af IO-Link forbundet med en feltbus. (Billedkilde: Pepperl+Fuchs)

Forbedret IO-Link og et parallelt netværk

Tilføjelse af OPC UA-forbindelse til en IO-Link-master ændrer dramatisk mulighederne for industrielle netværksarkitekturer. Det er ikke længere nødvendigt at kanalisere kommunikationen ud i feltbussen for at komme op i skyen.

Tidsfølsomme data til realtidsstyring kan stadig lægges på feltbussen. Mindre tidsfølsomme data kan samles og sendes direkte til skyen, hvilket fjerner kommunikationsbyrden fra feltbusenhederne.

Pepperl+Fuchs kalder den nye struktur for en "parallel" arkitektur, da den kan bruges parallelt med almindelige industrielle maskinstyringssystemer. Nøglen er virksomhedens MultiLink™-teknologi, der understøtter den parallelle brug af en industriel Ethernet-feltbus til at forbinde med PLC'er ved hjælp af en protokol som EtherNet/IP og MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). Denne open source-meddelelsesprotokol bruger OPC UA og kan forbindes med enheder på IIoT (Industrial Internet of Things), som f.eks. industrielle computere, SCADA-systemer (supervisory control and data acquisition) og skyen.

For at fuldende pakken indeholder IO-Link-mastere med MultiLink også en integreret webserver og IO-Link-enhedsbeskrivelsesfortolker (IODD), der understøtter konfigurationen af feltbusforbindelsen og tilsluttede IO-Link-enheder ved hjælp af en webbrowser (figur 2).

Figur 2: Ny IO-Link-netværksarkitektur, der bruger OPC UA til direkte cloud-forbindelse og en fladere netværksstruktur. (Billedkilde: Pepperl+Fuchs)

Flere netværksmuligheder

Ud over at muliggøre den nye parallelle netværksarkitektur, der er beskrevet ovenfor, kan IO-Link-mastere med OPC UA og MultiLink bruges til andre formål som f.eks:

Retrofit – Denne konventionelle IO-Link-master kan erstattes af en med OPC UA og MultiLink-forbindelse for at tilføje fordelene ved parallel kommunikation til et eksisterende netværk.

Applikationer uden en traditionel PLC – Nogle applikationer, som f.eks. et ERP-system (Enterprise Resource Planning) eller MES-system (Manufacturing Execution System), indsamler data fra sensorer på fabriksgulvet og har ikke brug for en PLC. En IO-Link-master med OPC UA kan sende data direkte til skyen, som kan samles, analyseres og handles på for at maksimere produktiviteten.

Applikationer med flere PLC'er – Komplekse svejseceller er et eksempel på en applikation med flere PLC'er og flere protokoller, som kan drage fordel af tilføjelsen af OPC UA. For eksempel kan en primær PLC styre den overordnede proces ved hjælp af PROFINET-kommunikation, en industri-pc kan styre optisk kvalitetsovervågning med EtherNet/IP-kommunikation, og forskellige robotter og andet udstyr kan bruge proprietære kontrolprotokoller. OPC UA med Pepperl+Fuchs' MultiLink-teknologi muliggør kommunikation og dataudveksling mellem systemerne på trods af de forskellige feltbusprotokoller, og den kan forbinde hele svejsecellen med skyen.

Bygget på fundamentet af Ethernet APL

MultiLink-teknologien er bygget på grundlaget for Ethernet Advanced Physical Layer, eller Ethernet-APL, som gør det muligt at bruge Ethernet til kommunikation og strømforsyning med procesinstrumenter over lange afstande. Det er baseret på 10BASE-T1L Ethernet-standarden for det fysiske lag.

Med en hastighed på 10 Mbps og en rækkevidde på 1.000 meter er Ethernet-APL designet til procesovervågning og -kontrol i realtid og giver mulighed for parallel adgang. Den understøtter EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA, PROFINET og andre protokoller på højere niveau. Det eliminerer behovet for gateways eller andre protokolkonverteringer. Den implementerer 10BASE-T1L ved hjælp af en særlig fysisk Ethernet-forbindelse (PHY) i lag 1 i OSI-modellen (Open Systems Interconnection) (figur 3).

Figur 3: Ethernet-APL er en ny PHY baseret på 10BASE-T1L. (Billedkilde: Pepperl+Fuchs)

De nye industrielle netværksværktøjer

Til industrielle netværksdesignere, der ønsker at udnytte de nye muligheder, som IO-Link-mastere med OPC UA MultiLink-parallelforbindelse giver, tilbyder Pepperl+Fuchs IO-Link-masterserierne ICE2 (med EtherNet/IP) og ICE3 (med PROFINET). Begge typer IO-Link-mastere har otte indgange og udgange og leveres med en webbaseret konfigurationsfunktion til indstilling af alle modulparametre og alle tilsluttede IO-Link-enheder (web IODD-drift). De omfatter integreret IODD-lagring til over 100 IODD'er. Andre funktioner omfatter:

• PortVision® DX-softwaren understøtter netværkskonfiguration, enhedsstyring og kloning/backup af indstillinger i ét program.
• Alle modulindstillinger kan gemmes som en separat fil og overføres til en ny enhed ved hjælp af kloningsfunktionen for at gøre udrulningen hurtigere.
• Blokmodellerne har to L-kodede M12-strømstik, der er beregnet til 16 A. Ind- og udgangene har A-kodede M12-stik, og forbindelsen til feltbussen sker via D-kodede M12-stik.
• DIN-skinnemodeller fås med skrueterminaler eller tilslutningsbare push-in-stik.
• Grader af beskyttelse: Blokmodeller er IP67-klassificerede, og DIN-skinnemodeller er klassificeret til IP20 (figur 4).

Figur 4: Eksempler på IO-Link-mastere til DIN-skinne (venstre) og blok (højre). (Billedkilde: Pepperl+Fuchs)

Eksempler på IO-Link-mastere med OPC UA MultiLink omfatter:

• ICE2-8IOL1-G65L-V1D er en EtherNet/IP- og Modbus IO-Link-master i blokstil med fire IO-Link klasse A-porte, der kan levere op til 200 mA strøm til tilsluttede enheder, og fire IO-Link klasse B-porte til enheder med højere strømforbrug med deres egen uafhængige strømkilde.
• ICE2-8IOL-K45P-RJ45 er en EtherNet/IP IO-Link-master i DIN-skinnestil med otte indgange/udgange og push-in-stik.
• ICE3-8IOL1-G65L-V1D er en PROFINET- og Modbus IO-Link-master i blokstil med 4 IO-Link klasse A- og 4 IO-Link klasse B-porte.
• ICE3-8IOL-K45S-RJ45 er en PROFINET IO IO-Link-master i DIN-skinnestil med otte indgange/udgange og skrueterminaler.

Hubs og konvertere til netværksudvidelse

IO-Link-hubs understøtter udvidede netværk af sensorer, aktuatorer og andre enheder. IO-Link-hubs gør det muligt at forbinde flere digitale sensorer og aktuatorer til en IO-Link-master ved hjælp af et standard sensorkabel. For eksempel kan ICA-16DI-G60A-IO IO-Link-hubben håndtere op til 16 PNP digitale indgange, og det logiske niveau kan konfigureres individuelt for hver port. Afhængigt af den tilsluttede IO-Link-masters kapacitet kan denne hub levere op til 500 mA strøm til de tilsluttede enheder. Den er klassificeret til IP65, IP67 og IP69K.

Når en sensor med en analog udgang skal forbindes til et IO-Link-netværk, kan designere bruge ICA-AI-I/U-IO-V1 IO-Link-konverteren med en analog indgang til strøm eller spænding og en IO-Link-udgang. Den er klassificeret til IP67, og indgangen kan indstilles på følgende måde:

• Strømindgang kan indstilles som 0 til 20 mA eller 4 til 20 mA.
• Spændingsindgang kan indstilles som -10 til 10 V eller 0 til 10 V.

Udbud af IO-Link-enheder

Der findes et omfattende økosystem af IO-Link-enheder til næsten alle industrielle processer, herunder behov for måling og styring. Pepperl+Fuchs' IO-Link-portefølje omfatter induktive nærhedssensorer, induktive positioneringssystemer, fotoelektriske sensorer, ultralydssensorer, vibrationssensorer, drejeenkodere og identifikationssystemer (figur 5). Eksemplerne omfatter:

• Afstandsmålingsenheden VDM28 bruger PRT-teknologi (Pulse Ranging Technology) til at levere en gentagelsesnøjagtighed på 5 mm med et driftsområde på 0,2 til 15 m og en absolut nøjagtighed på 25 mm.
• IUT-F191-IO-V1-FR2-02 RFID-læse-/skriveenheden er optimeret til industrielle anvendelser med afstande på op til ca. en meter. Enheden læser og skriver passive tags baseret på ISO/IEC 18000-63.

Figur 5: Eksempler på den brede vifte af tilgængelige IO-Link-enheder. (Billedkilde: Pepperl+Fuchs)

USB-master til idriftsættelse af IO-Link-enheder

Når det er tid til at installere og idriftsætte IO-Link-enheder, kan netværksteknikere henvende sig til IO-LINK-MASTER02-USB (figur 6). Denne USB-master kan tilslutte IO-Link-enheder til en USB-port på en pc. Den er designet til at understøtte test-, konfigurations- og serviceaktiviteter. Tilsluttede enheder kan konfigureres og parametriseres. Enhedsdiagnostik understøttes også. Enheder med lavt strømforbrug kan strømforsynes direkte fra USB-masteren. Enheder med større strømbehov kan tilsluttes en valgfri ekstern strømforsyning.

Figur 6: Denne IO-Link USB-master forbindes til en pc for at fremskynde netværksudrulningen. (Billedkilde: Pepperl+Fuchs)

Konklusion

Tilføjelsen af OPC UA parallelforbindelse til IO-Link-masterenheder har dramatisk ændret de muligheder, der er tilgængelige for designere af Industri 4.0-netværk. Det er nu muligt at gøre netværksarkitekturen mere flad og skabe direkte forbindelser mellem IO-Link-enhederne på fabriksgulvet og skyen. Den nye teknologi kan bruges i forskellige sammenhænge til at forbedre driftseffektiviteten.