Optimering af Industry 4.0-kommunikationsarkitekturer ved hjælp af multiprotokol-I/O-hubs og -konvertere

Kommunikationsprotokoller er vigtige for at understøtte dataoverførsler og kontrol i realtid i Industri 4.0- og Industrial Internet of Things (IIoT)-netværk. Sensorer, aktuatorer, motordrev og controllere har alle specifikke kommunikationsbehov. Der er ikke nogen "one size fits all"-kommunikationsprotokol.

Selv om der ikke findes en enkelt protokol, der passer til alle applikationers krav, skal forskellige enheder ofte forbindes. Sensorer skal forbindes med controllere, og controllere skal forbindes med forskellige systemelementer, der bruger forskellige protokoller som IO-Link, Modbus og flere former for Ethernet.

I mange tilfælde skal hele maskinen have forbindelse til skyen. Det resulterer i komplekse kommunikationsarkitekturer med et utal af protokoller. For at løse den udfordring kan maskinkonstruktører bruge multiprotokol-input/output (I/O)-mastere, -hubs og -konvertere.

Denne artikel begynder med en gennemgang af almindelige Industri 4.0-kommunikationsprotokoller, og hvor de passer ind i netværkshierarkiet. Derefter præsenteres en række I/O-mastere, -hubs og -konvertere fra Banner Engineering, deres funktion gennemgås, og det diskuteres, hvordan de kan lette komplekse Industri 4.0- og IIoT-kommunikationsarkitekturer.

Hvad er OSI's syvlagsmodel?

Netværkskommunikationsprotokoller beskrives ofte i sammenhæng med OSI-modellen (Open Systems Interconnection) med syv lag. Modellen starter med tre medielag, som tager sig af hardwareovervejelser, såsom fysiske forbindelser, datalink og netværksforbindelser.

Dataadressering er fokus for de næste tre lag, som omfatter transport-, sessions- og præsentationsprocesserne.

Det syvende niveau i modellen er applikationslaget, som udgør grænsefladen mellem brugeren og netværket. Protokoller som Modbus og PROFINET ligger i dette lag. OSI-modellen er mere løst forbundet med andre protokoller som EtherNet/IP.

I forbindelse med EtherNet/IP omfatter applikationslaget processer som webadgang (HTTP), e-mail (SMTP), filoverførsler (FTP) osv. De tre værtslag implementerer TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol)-processerne til at etablere sessioner, foretage fejlkorrektioner osv. Medielagene omfatter den fysiske 10 Base-T-forbindelse og implementeringen af Ethernet-datalink og netværksforbindelser (figur 1).

Figur 1: Hvordan EtherNet/IP forholder sig til OSI's syvlagsmodel. (Billedkilde: Banner Engineering)

Hvor passer IO-Link ind?

IO-Link er en single-drop digital kommunikationsgrænseflade (SDCI) til små sensorer, aktuatorer og lignende enheder. Den udvider tovejskommunikationen ned til de enkelte enheder på fabriksgulvet. Det er specificeret i IEC 61131-9 og er designet til at være kompatibelt med industrielle netværksarkitekturer baseret på Modbus, PROFIBUS, EtherNet/IP osv.

IO-Link bruger en masterenhed til at forbinde IO-Link-enheder med protokoller på højere niveau som Modbus, der giver forbindelser til dataforbrugende enheder som programmerbare logiske controllere (PLC'er), menneske-maskine-grænseflader (HMI'er), en cloud-datatjeneste (CDS) osv. På det laveste niveau bruger IO-Link hubs til at samle flere enheder og sende data op til en masterenhed. Derudover kan en analog spænding til IO-Link-konverteren bruges til at tilføje analoge sensorer til IO-Link-netværket (figur 2).

Figur 2: IO-Link-konvertere, -hubs og -mastere kan indsamle data fra feltenheder og sende dem videre til dataforbrugere som PLC'er, HMI'er og CDS'er. (Billedkilde: Banner Engineering)

Hvorfor kombinere IO-Link med andre protokoller?

Massetilpasning og fleksible produktionsprocesser er kendetegnende for Industri 4.0. Ved at kombinere IO-Link med andre protokoller kan man øge fleksibiliteten og alsidigheden i Industri 4.0-fabrikker. Fordelagtige egenskaber ved IO-Link inkluderer:

• Modbus har begrænset understøttelse af analoge enheder som visse sensorer, mens IO-Link er kompatibel med både digitale og analoge enheder.
• Øget fabriksautomatisering og udvidelse kan lettes ved hjælp af en gateway, der understøtter både IO-Link og protokoller på højere niveau som Modbus TCP eller EtherNet/IP og kan fungere som en bro mellem et sensornetværk på feltniveau og et industrielt netværks kommunikationsbackbone.
• IO-Link øger driftseffektiviteten ved at give en standardiseret, ensartet konfigurationsproces for alle sensorer, og det kan bruges til automatisk at udskifte defekte sensorer, når der bruges en identisk model.
• IO-Links dataindsamlings- og kommunikationsfunktioner giver øget synlighed i driften af individuelle sensorer såvel som spredte sensornetværk og fremskynder dataene til en PLC og skyen.

Hvordan kombinerer man Modbus og IO-Link?

Et af de første værktøjer, man bør overveje, er en hybrid I/O Modbus-hub som 8-port bimodal til Modbus R95C-8B21-MQ. Denne diskrete bimodale til Modbus-hub forbinder to diskrete kanaler til hver af de otte unikke porte og giver adgang til at overvåge og konfigurere disse porte via Modbus-registre.

Hybrid I/O Modbus-hubs fås med fire konfigurerbare analoge indgange (spænding eller strøm) og fire analoge udgange, plus otte konfigurerbare PNP (sourcing) eller NPN (sinking) diskrete indgange og udgange for øget applikationsfleksibilitet.

DXMR90-X1 industrielle controllere kan bruges som platform for IIoT-løsninger. De kan konsolidere data fra flere kilder til lokal databehandling og tilgængelighed. DXMR90 indeholder individuelle Modbus-klienter, der understøtter samtidig kommunikation med op til fem uafhængige serielle netværk.

DXMR90-X1 har et hun-M12 D-Code Ethernet-stik og fire hun-M12-tilslutninger til Modbus-masterforbindelser. Andre DXMR90-modeller fås med to hun-M12 D-Code Ethernet-stik og fire hun-M12-forbindelser til Modbus-klientforbindelser eller med et hun-M12 D-Code Ethernet-stik og fire hun-M12-stik til IO-Link-masterforbindelser.

Alle DXMR90-controllere har også en M12-han (Port 0) til indgående strøm og Modbus RS-485 og en M12-hun til seriekobling af Port 0-signaler. Yderligere funktioner i DXMR90-X1 omfatter (figur 3):

• Konverterer Modbus RTU til Modbus TCP/IP, EtherNet/IP eller Profinet
• Intern logik drevet af handlingsregler for nem programmering, eller MicroPython og ScriptBasic til udvikling af mere komplekse løsninger
• Understøttelse af internetprotokoller, herunder RESTful og MQTT
• Velegnet til IIoT-dataanalyse, tilstandsovervågning, forebyggende vedligeholdelse, OEE-analyse (Overall Equipment Effectiveness), diagnosticering og fejlfinding.

Figur 3: DXMR90-X1-controlleren kan bruges sammen med R95C hybrid I/O Modbus-hub. (Billedkilde: Banner Engineering)

Hvad er multi-protokol-understøttelse?

DXMR110-8K 8-port IO-Link master er en kompakt, multi-protokol smart controller, der konsoliderer, behandler og distribuerer IO-link og diskrete data fra flere kilder. Forbindelserne omfatter:

• To hun-M12 D-Code Ethernet-stik til seriekobling og kommunikation til et kontrolsystem på højere niveau
• Otte M12-huntilslutninger til IO-Link-enheder
• En M12-han til indgående strøm og en M12-hun til seriekobling af strøm

DXMR110 understøtter cloud-forbindelse og indeholder avancerede programmeringsfunktioner. ScriptBasic og programmering af handlingsregler kan bruges til at oprette og implementere brugerdefinerede scripts og logik til optimerede automatiseringsprocesser.

Den interne processorkraft i DXMR110 kan bruges til at flytte databehandling til kanten, hvilket minimerer behovet for hardware i kontrolkabinettet og eliminerer I/O-kort på en PLC. Integreret cloud-forbindelse kan gøre data tilgængelige fra hvor som helst i verden. Endelig forenkler IP67-huset installationen på ethvert sted ved at eliminere behovet for et kontrolkabinet (figur 4).

Figur 4: DXMR110-8K 8-port IO-Link master er en smart multiprotokol-controller. (Billedkilde: Banner Engineering)

Der er mere

De enheder, der er blevet præsenteret indtil nu, er ikke de eneste muligheder for at implementere industrielle kommunikationsløsninger med flere protokoller. Maskinkonstruktører kan bruge en række af Banner Engineerings eksterne I/O-blokke til at optimere systemdesign, pladseffektivitet og ydeevne.

Banner tilbyder in-line konvertere og mastere med overstøbt design, der opfylder kravene til indtrængningsevne (IP) i IP65, IP67 og IP68. R45C-seriens inline-konvertere og -mastere er en gateway til tilslutning af IO-Link-enheder til et IIoT-netværk eller systemcontrollere ved hjælp af Modbus RTU-protokollen. Model R45C-2K-MQ forbinder to IO-Link-enheder til en Modbus RTU-grænseflade.

Når der er behov for analoge signaler, kan designerne bruge R45C-MII-IIQ Modbus som en dobbelt analog in-line I/O-konverter. Funktionerne omfatter:

• Analog ind. Når konverteren modtager et analogt input, sender den den numeriske repræsentation af værdien til det tilsvarende Modbus-register. Den kan acceptere analoge indgange fra 0 til 11.000 mV eller 0 til 24.000 µA.
• Analog udgang. Konverteren udsender en analog værdi, der svarer til et numerisk input. Analoge udgange kan variere fra 0 til 11.000 mV eller 0 til 24.000 µA.
• Procesdataværdier uden for det gyldige område (POVR) kan også registreres og behandles, og konverteren sender et signal til systemet.

Når et enkelt analogt input skal konverteres til et IO-Link-signal, kan designere bruge S15C-I-KQ. Denne cylindriske analoge strøm til IO-Link-konverter tilsluttes en 4 til 20 mA strømkilde og udsender den tilsvarende værdi til en IO-Link-master.

Banner tilbyder en række Modbus RTU I/O-blokke, som understøtter tilslutning af flere analoge og diskrete enheder, der er forbundet til et Modbus- eller IO-Link-netværk. De kan blandes eller matches for at understøtte fleksible systemdesigns og interoperabilitet (figur 5).

Figur 5: Eksempler på formfaktorer og konfigurationer af Banners remote I/O-løsninger til IO-Link-integration. (Billedkilde: DigiKey)

Kan trådløse protokoller integreres?

Banners Sure Cross DSX80 Performance trådløse I/O-netværksløsning giver mulighed for trådløs tilslutning. Den kan bruges uafhængigt eller tilsluttes en host-PLC ved hjælp af Modbus eller en personlig computer eller tablet. Den grundlæggende systemarkitektur består af en gateway og en eller flere noder (figur 6).

Figur 6: Banners trådløse I/O-netværksløsning Sure Cross DSX80 Performance omfatter en gateway og en eller flere sensornoder. (Billedkilde: Banner Engineering)

Implementering af et trådløst Sure Cross DX80 Performance-netværk involverer tre elementer: netværkstopologien, master- og slaveforhold og TDMA-arkitekturen (time division multiple access).

Der bruges en stjernetopologi, hvor masteren opretholder en separat forbindelse med hver node. Hvis forbindelsen mellem en node og masteren svigter, påvirkes forbindelsen med resten af noderne ikke.

En gateway som DX80G2M6-QC er masterenheden og indleder al kommunikation med slaveenhederne. En gateway, der bruger en Modbus RTU RS-485-forbindelse, fungerer som slave til en Modbus RTU-værtscontroller. Et enkelt trådløst netværk kan omfatte op til 47 slavenoder.

Slaveenheder kan være trådløse noder som DX80N9Q45DT-temperatursensornoden med dobbelt termistor, DX80N9Q45PS150G-tryksensornoden eller vibrations- og fugtighedssensorer.

Slaveenheder kan ikke starte kommunikation med gatewayen eller kommunikere med hinanden. En seriel dataradio som DX80SR9M-H kan tilføjes for at udvide netværksdækningen, så den passer til fysisk store installationer.

TDMA er nøglen til at kombinere robust forbindelse med minimalt energiforbrug. TDMA-controlleren i gatewayen tildeler hver node en bestemt tid til at sende og modtage data. Gatewayen har altid enhedens ID-nummer 0. Noderne kan nummereres i vilkårlig rækkefølge ved hjælp af enheds-id'erne 1 til 47.

Indstilling af specifikke kommunikationstider for individuelle noder optimerer effektiviteten ved at eliminere muligheden for konflikter mellem noder. Det gør det også muligt for noder at gå i en lavstrømstilstand mellem kommunikationer og kun vågne op på det tildelte tidspunkt. Når man slukker for radioen mellem transmissionerne, sparer man strøm og forlænger levetiden for batteridrevne knudepunkter.

Konklusion

Adgang til flere kommunikationsprotokoller som IO-Link, Modbus, EtherNet/IP og så videre er nødvendig for at understøtte effektiv drift af Industri 4.0- og IIoT-netværk. Banner Engineering giver designere et omfattende udvalg af IO-Link-hubs, -konvertere og -mastere i forskellige formfaktorer til understøttelse af optimerede kommunikationsløsninger.