Hur nya IO-Link Masters kan balansera fördelarna med molnanslutning och lokal styrning i fabriker med Industry 4.0

Att balansera behoven av molnanslutning och lokal styrning med hjälp av programmerbara logiska styrenheter (PLC) i industriella nätverk blev just enklare. Nätverk för Industry 4.0 är komplexa och omfattar flera anslutningsnivåer, från IO-Link på fabriksgolvet till fältbussar som EtherNet/IP och PROFINET som kopplar samman maskiner och PLC:er samt ett OPC UA-gränssnitt (Open Platform Communications Unified Architecture) som når upp till molnet.

I ett traditionellt nätverk för Industry 4.0 använder sensorer, ställdon och andra enheter en IO-Link-master för att ansluta till fältbussnätverket, och enheter i fältbussnätverket använder OPC UA och andra protokoll för att ansluta till molnet.

Konstruktörer av maskin- och fabriksnätverk har nu ett nytt verktyg - IO-Link masters - som kombinerar de vanliga EtherNet/IP-, PROFINET- och övriga fältbussanslutningarna med ett OPC UA-gränssnitt för direktanslutning till molnet. Det kan användas för att göra anslutningen plattare och skynda på leveransen av viktig information data till de högsta nivåerna i nätverket.

Artikeln inleds med en genomgång av användningen av lokal styrning och molnanslutning i en traditionell nätverksarkitektur. Därefter presenteras den plattare arkitekturen som möjliggörs av nya IO-Link-masters från Pepperl+Fuchs, och inkluderar anslutningsmöjligheter för fältbuss och OPC UA och har stöd för flera parallella anslutningar. Den tar även upp hur den nya tekniken APL (Advanced Physical Layer) för Ethernet passar in i sammanhanget.

Avslutningsvis beskrivs hur nya IO-Link-masters med anslutningsmöjligheter för OPC UA och kompatibla IO-Link-hubbar för nätverksutbyggnad, tillsammans med några representativa enheter för IO-Link och användningen av en IO-Link USB-master för konfiguration, driftsättning och felsökning av IO-Link-enheter.

Fabriker med Industry 4.0 har blandade krav på lokal styrning och molnanslutning. Alla har sina fördelar. Den bästa lösningen kombinerar ofta PLC:er och datorer i molnkanten för lokal styrning med snabbt gensvar, samtidigt som molnet används för att analysera komplex information.

PLC:erna är robusta och konstruerade för användning i industriella miljöer. De är i allmänhet modulära och kan anpassas till de föränderliga behoven i fabriker med Industry 4.0. PLC:er är mer kompakta och tillförlitliga än de reläbaserade system som de ofta ersätter. Kanske viktigast av allt är att PLC:er kan stödja realtidsstyrning i viktiga tillämpningar med direkt återkoppling från de anslutna maskinerna och sensorerna.

Molnanslutning ger i princip obegränsad lagrings- och beräkningskapacitet. Den kan länka information från olika tillämpningar, som styrs av individuella PLC:er, och stödja en harmoniserad och optimerad övergripande fabriksdrift. Molnanslutningen kan avlasta PLC:erna från administrativa uppgifter, och molntjänster kan skalas upp snabbt och ekonomiskt.

Traditionell IO-Link

IO-Link är ett protokoll för punkt till punkt-kommunikation och inte en fältbuss. I ett traditionellt nätverk för Industry 4.0 är IO-Link-mastrar mellanhänder mellan IO-Link-enheter på fabriksgolvet och fältbussnätverket. Respektive port på en IO-Link-master ansluts till en IO-Link-enhet. IO-Link-mastern sammanställer och översätter kommunikationen från anslutna IO-Link-enheter och skickar den vidare till fältbussnätverket.

IO-Link-masters finns tillgängliga för installation i styrskåpet. De kan anslutas till fältbussnätverket som en fjärranslutningspunkt med miljöklassificering IP20 eller användas på fabriksgolvet med klassificering IP65/67 (bild 1). Det finns ingen direkt anslutning mellan traditionella IO-Link-masters och molnet; all kommunikation till molnet kanaliseras genom och styrs av enheter på fältbussen.

Bild 1: Traditionell nätverkstillämpning med IO-Link ansluten till en fältbuss. (Bildkälla: Pepperl+Fuchs)

Förbättrad IO-Link och ett parallellt nätverk

Genom att lägga till anslutningsmöjligheter för OPC UA i en IO-Link-master förändras möjligheterna för industriella nätverksarkitekturer dramatiskt. Det är inte längre nödvändigt att kanalisera kommunikationen till fältbussen för att skicka den vidare till molnet.

Tidskritisk information för realtidsstyrning kan fortfarande läggas in på fältbussen. Mindre tidskritisk information kan sammanställas och skickas direkt till molnet, vilket medför att fältbussenheterna inte längre behöver bära denna kommunikationsbörda.

Pepperl+Fuchs kallar den nya strukturen för en "parallell" arkitektur eftersom den kan användas parallellt med vanliga styrsystem för industrimaskiner. Nyckeln är bolagets teknik MultiLink™ med stöd för parallell användning av en industriell Ethernet-fältbuss för anslutning till PLC:er som använder ett protokoll som EtherNet/IP och MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). Detta meddelandeprotokoll med öppen källkod använder OPC UA och kan anslutas till enheter som använder Industrial Internet of Things (IIoT), som t.ex. industridatorer, SCADA-system (Supervisory Control and Data Acquisition) och molnet.

För att göra paketet komplett innehåller IO-Link-mastrar med MultiLink även en integrerad webbserver och en IO-Link Device Description (IODD)-tolk som stöder konfiguration av fältbussanslutningen och anslutna IO-Link-enheter med hjälp av en webbläsare (bild 2).

Figur 2: Ny nätverksarkitektur för IO-Link som använder OPC UA för direkt anslutning till molnet och en plattare nätverksstruktur. (Bildkälla: Pepperl+Fuchs)

Fler valmöjligheter för nätverk

Förutom att möjliggöra den nya parallella nätverksarkitekturen som beskrivs ovan kan IO-Link-masters med OPC UA och MultiLink användas för andra användningsområden som t.ex:

Eftermontering - Den konventionella IO-Link-mastern kan ersättas av en enhet med OPC UA och MultiLink-anslutning för att lägga till fördelarna med parallell kommunikation i ett befintligt nätverk.

Tillämpningar utan traditionell PLC - Vissa tillämpningar, som t.ex. ERP (Enterprise Resource Planning) eller MES (Manufacturing Execution System), samlar in information från sensorer på fabriksgolvet och behöver inte någon PLC. En IO-Link-master med OPC UA kan skicka information direkt till molnet, där den kan sammanställas, analyseras och användas för att maximera produktiviteten.

Tillämpningar med flera PLC:er – Komplexa svetsceller är ett exempel på en tillämpning med flera PLC:er och flera protokoll som kan dra nytta av tillägget OPC UA. En primär PLC kan exempelvis styra hela processen med PROFINET-kommunikation, en industridator kan styra optisk kvalitetsövervakning med EtherNet/IP-kommunikation och olika robotar och annan utrustning kan använda egna styrprotokoll. OPC UA med tekniken MultiLink från Pepperl+Fuchs möjliggör kommunikation och informationsutbyte mellan systemen trots de olika fältbussprotokollen, och kan koppla hela svetscellen till molnet.

Konstruerad med Ethernet APL som grund

Tekniken MultiLink bygger på Ethernet Advanced Physical Layer, eller Ethernet-APL, som gör det möjligt att använda Ethernet för kommunikation och strömförsörjning med processinstrument över långa avstånd. Den är baserad på standarden 10BASE-T1L Ethernet Physical Layer.

Med en hastighet på 10 Mbit/s och en räckvidd på 1000 meter är Ethernet-APL utformat för processövervakning och -styrning i realtid, vilket möjliggör parallell åtkomst. Den har stöd för EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA, PROFINET och andra protokoll på högre nivå. Den eliminerar behovet av gateways eller andra protokollomvandlingar. Den implementerar 10BASE-T1L med hjälp av en särskild fysisk Ethernet-anslutning (PHY) i lager 1 i OSI-modellen (Open Systems Interconnection) (bild 3).

Figur 3: Ethernet-APL är en ny PHY baserad på 10BASE-T1L. (Bildkälla: Pepperl+Fuchs)

De nya verktygen för industriella nätverk

För konstruktörer av industriella nätverk som vill dra nytta av de nya möjligheterna med IO-Link-mastrar med parallell anslutning med OPC UA och MultiLink erbjuder Pepperl+Fuchs IO-Link-masterserierna ICE2 (med EtherNet/IP) och ICE3 (med PROFINET). Båda typerna av IO-Link-masters har åtta in- och utgångar och levereras med en webbaserad konfigurationsfunktion för inställning av alla modulparametrar och alla anslutna IO-Link-enheter (web IODD-drift). De innehåller även inbyggd IODD-lagring för över 100 IODD:er. Övriga funktioner innefattar:

• Programvaran PortVision® DX med stöd för nätverkskonfiguration, enhetshantering och kopiering/säkerhetskopiering av inställningar i ett och samma program.
• Alla modulinställningar kan sparas som en separat fil och överföras till en ny enhet med hjälp av koperingsfunktionen för att skynda på driftsättningen.
• Blockmodellerna har två L-kodade M12-strömkontakter som är dimensionerade för 16 A. In- och utgångar har A-kodade M12-kontaktdon och anslutningen till fältbussen sker via D-kodade M12-kontaktdon.
• Modellerna för DIN-skena finns med skruvplintar eller anslutningsbara kontaktdon.
• Olika skyddsklassificeringar: Blockmodellerna är klassificerade enligt IP67 och modellerna för DIN-skena är klassificerade enligt IP20 (figur 4).

Bild 4: Exempel på IO-Link masters för DIN-skena (vänster) och block (höger). (Bildkälla: Pepperl+Fuchs)

Exempel på IO-Link-mastrar med OPC UA MultiLink inkluderar:

• ICE2-8IOL1-G65L-V1D som är en master med EtherNet/IP och Modbus IO-Link i blockutförande med fyra IO-Link Class A-portar som kan ge upp till 200 mA ström till anslutna enheter och fyra IO-Link Class B-portar för enheter med högre effekt och egen oberoende strömkälla.
• ICE2-8IOL-K45P-RJ45 är en master för EtherNet/IP IO-Link i DIN-skenemodell med åtta in-/utgångar och anslutningsbara kontaktdon.
• ICE3-8IOL1-G65L-V1D är en IO-Link master för PROFINET och Modbus i blockformat med 4 IO-Link Class A-portar och 4 IO-Link Class B-portar.
• ICE3-8IOL-K45S-RJ45 är en master för PROFINET IO-Link med åtta in-/utgångar och anslutningsbara kontaktdon.

Hubbar och omvandlare för nätverksutbyggnad

Hubbar för IO-Link ger stöd för utökning av nätverk med sensorer, ställdon och andra enheter. Med hubbar för IO-Link kan flera digitala sensorer och ställdon anslutas till en IO-Link master med hjälp av en vanlig sensorkabel. Hubben ICA-16DI-G60A-IO för IO-Link kan exempelvis hantera upp till 16 digitala PNP-ingångar, och logiknivån kan konfigureras individuellt för respektive port. Beroende på kapaciteten hos den anslutna IO-Link mastern kan hubben ge upp till 500 mA ström till anslutna enheter. Den är klassificerad för IP65, IP67 och IP69K.

När en sensor med analog utgång behöver anslutas till ett nätverk med IO-Link kan konstruktörer använda sig av IO-Link-omvandlaren ICA-AI-I/U-IO-V1 med en analog ingång för ström eller spänning och en utgång för IO-Link. Den är klassificerad enligt IP67 och ingången kan ställas in enligt följande:

• Strömingången kan ställas in som 0 till 20 mA eller 4 till 20 mA.
• Spänningsingången kan ställas in som -10 till 10 V eller 0 till 10 V.

Enheter med IO-Link

Det finns ett omfattande ekosystem av enheter med IO-Link för nästan alla industriella processer, inklusive behov för avkänning och styrning. Sortimentet för IO-Link från Pepperl+Fuchs omfattar induktiva närhetssensorer, induktiva positioneringssystem, fotoelektriska sensorer, ultraljudssensorer, vibrationssensorer, roterande kodare och identifieringssystem (figur 5). Exempel på detta är:

• Avståndsmätaren VDM28 som använder Pulse Ranging Technology (PRT) för att ge en upprepad noggrannhet på 5 mm inom ett arbetsområde på 0,2 till 15 m och en absolut noggrannhet på 25 mm.
• RFID-enheten IUT-F191-IO-V1-FR2-02 för läsning/skrivning som är optimerad för industriella tillämpningar med avstånd på upp till cirka en meter. Enheten läser och skriver passiva taggar baserat på ISO/IEC 18000-63.

Figur 5: Exempel på det stora sortimentet tillgängliga IO-Link-enheter. (Bildkälla: Pepperl+Fuchs)

USB-master för driftsättning av enheter med IO-Link

När det är dags att installera och driftsätta enheter med IO-Link kan nätverkstekniker använda sig av IO-LINK-MASTER02-USB (figur 6). Denna USB-master kan ansluta enheter med IO-Link till en USB-port på en PC. Den är utformad för att stödja test-, konfigurations- och serviceaktiviteter. Anslutna enheter kan konfigureras och parametriseras. Det finns även stöd för diagnostik av enheter. Enheter med låg strömförbrukning kan strömförsörjas direkt från USB-mastern. Enheter med högre effektbehov kan anslutas till en extern strömförsörjning som tillval.

Bild 6: Denna USB-master för IO-Link ansluts till en PC för att skynda på nätverksinstallationer. (Bildkälla: Pepperl+Fuchs)

Sammanfattning

Tillägget av parallell anslutning för OPC UA till IO-Link master-enheter har dramatiskt förändrat de alternativ som finns tillgängliga för konstruktörer av nätverk för Industry 4.0. Det är nu möjligt att göra nätverksarkitekturen plattare och tillhandahålla direktanslutningar mellan enheter med IO-Link på fabriksgolvet och molnet. Den nya tekniken kan användas i olika sammanhang för att förbättra verksamhetens effektivitet.