Optimera kommunikationsarkitekturer för Industry 4.0 med hubbar och omvandlare för I/O med flera protokoll

Kommunikationsprotokoll är viktiga för att stödja dataöverföringar och styrningar i realtid i nätverk med Industry 4.0 och IIoT (Industrial Internet of Things). Givare, ställdon, motorstyrningar och styrenheter har alla specifika kommunikationsbehov. Det finns inget kommunikationsprotokoll som passar alla.

Det finns inget protokoll som passar för kraven hos alla tillämpningar och olika enheter behöver ofta kopplas samman. Givare måste kopplas till styrenheter och styrenheter måste kopplas till olika system som använder olika protokoll, som t.ex. IO-Link, Modbus och flera olika former av Ethernet.

I många fall behöver hela maskinen ansluta till molnet. Detta medför komplexa arkitekturer för kommunikation med en mängd olika protokoll. För att hantera den utmaningen kan maskinkonstruktörer använda sig av masterenheter, hubbar eller omvandlare för I/O:s med flera olika protokoll.

Artikeln inleds med en genomgång av vanliga kommunikationsprotokoll för Industry 4.0 och hur de passar in i nätverkshierarkin. Därefter presenteras en serie av masterenheter, hubbar och omvandlare för I/O:s från Banner Engineering. Funktioner granskas och det diskuteras hur de kan underlätta komplexa arkitekturer för kommunikation med Industry 4.0 och IIoT.

Vad är OSI-modellen med sju lager?

Kommunikationsprotokoll för nätverk beskrivs ofta i samband med OSI-modellen (Open Systems Interconnection) med sju lager. Modellen börjar med tre medialager som behandlar hårdvaruaspekter, som t.ex. fysiska anslutningar, datalänk- och nätverksanslutningar.

Dataadressering är fokus för de tre följande lagren som omfattar transport-, sessions- och presentationsprocesserna.

Den sjunde nivån i modellen är applikationslagret som utgör gränssnittet mellan användaren och nätverket. I detta lager finns protokoll som t.ex. Modbus och PROFINET. OSI-modellen är mer löst relaterad till andra protokoll som t.ex. EtherNet/IP.

När det gäller EtherNet/IP omfattar applikationslagret processer som exempelvis webbåtkomst (HTTP), e-post (SMTP), filöverföring (FTP) osv. De tre värdlagren implementerar TCP/IP-processerna (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) för att upprätta sessioner, göra korrigeringar av fel etc. Medialagren omfattar den fysiska anslutningen för 10 Base-T och implementeringen av datalänken för Ethernet samt nätverksanslutningarna (figur 1).

Figur 1: Hur EtherNet/IP förhåller sig till OSI-modellen med sju lager. (Bildkälla: Banner Engineering)

Var passar IO-Link in?

IO-Link är ett digitalt kommunikationsgränssnitt (SDCI) för små givare, ställdon och liknande enheter. Den ger möjlighet för enskilda enheter på fabriksgolvet att använda dubbelriktad kommunikation. Den specificeras i IEC 61131-9 och är utformad för att vara kompatibel med industriella nätverksarkitekturer baserade på Modbus, PROFIBUS, EtherNet/IP etc.

IO-Link använder en masterenhet för att ansluta enheter med IO-Link till protokoll på högre nivå, som t.ex. Modbus, som skapar anslutningar till datakrävande enheter som exempelvis programmerbara logiska styrenheter (PLC), gränssnitt mellan människa och maskin (HMI), tjänst för molndata (CDS) osv. På den lägsta nivån används hubbar för IO-Link för att samla ihop flera enheter och vidarebefordra data till en masterenhet. Dessutom kan en analog spänning till omvandlaren för IO-Link användas för att lägga till analoga givare i nätverket för IO-Link (figur 2).

Figur 2: Omvandlare, hubbar och masterenheter för IO-Link kan samla in data från fältenheter och skicka upp denna till datakonsumenter som t.ex. programmerbara logiska styrenheter, gränssnitt mellan människa och maskin och tjänster för molndata. (Bildkälla: Banner Engineering)

Varför kombinera IO-Link med andra protokoll?

Massanpassning och flexibel bearbetning vid produktion är utmärkande egenskaper för Industry 4.0. Genom att kombinera IO-Link med andra protokoll kan man öka flexibiliteten och mångsidigheten i fabriker med Industry 4.0. Fördelaktiga egenskaper hos IO-Link inkluderar:

• Modbus har begränsat stöd för analoga enheter, som t.ex. vissa givare, medan IO-Link är kompatibelt med både digitala och analoga enheter.
• Ökad fabriksautomation och utökning kan underlättas med hjälp av en gateway som stödjer både IO-Link och protokoll på högre nivå, som t.ex. Modbus TCP eller EtherNet/IP, och kan fungera som en brygga mellan ett nätverk för givare på fältnivå och ett stamnät för kommunikation via industriella nätverk.
• IO-Link ökar driftens effektivitet genom att tillhandahålla en standardiserad, enhetlig konfigurationsprocess för alla givare samt kan användas för att automatiskt ersätta trasiga givare när en identisk modell används.
• IO-Links funktioner för datainsamling och kommunikation ger ökad insyn i driften av enskilda givare såväl som spridda givarnätverk, och överför data snabbt till programmerbara logiska styrenheter och molnet.

Hur kan Modbus och IO-Link kombineras?

Ett av de första verktygen att överväga är en hybrid I/O-hubb för Modbus, som t.ex R95C-8B21-MQ, en bimodal omvandlare med åtta portar till Modbus. Den diskreta hubben för bimodal omvandling till Modbus ansluter två diskreta kanaler till var och en av de åtta unika portarna, vilket ger tillgång till övervakning och konfiguration av portarna via Modbus-register.

De hybrida I/O-hubbarna för Modbus finns med fyra konfigurerbara analoga ingångar (spänning eller ström) och fyra analoga utgångar, plus åtta konfigurerbara diskreta in- och utgångar för PNP för ökad flexibilitet i tillämpningen.

De industriella styrenheterna DXMR90-X1 kan användas som en plattform för IIoT-lösningar. De kan sammanställa data från flera olika källor för lokal databehandling och tillgänglighet. DXMR90 innehåller individuella Modbus-klienter som stödjer samtidig kommunikation med upp till fem oberoende seriella nätverk.

DXMR90-X1 har ett honkontaktdon för M12 D-Code Ethernet och fyra honkontaktdon för M12 för anslutning till masterenheter med Modbus. Andra modeller av DXMR90 finns med två honkontaktdon för M12 D-Code Ethernet och fyra honkontaktdon för M12-anslutning till Modbus-klient, eller med ett honkontaktdon för M12 D-Code Ethernet och fyra honkontaktdon för M12 för anslutningar mot masterenheter med IO-Link.

Alla styrenheter för DXMR90 har även ett hankontaktdon för M12 (Port 0) för inkommande ström och Modbus RS-485 samt ett honkontaktdon M12 för seriekoppling av signaler för Port 0. Ytterligare funktioner hos DXMR90-X1 inkluderar (figur 3):

• Omvandling av Modbus RTU till Modbus TCP/IP, EtherNet/IP eller Profinet
• Intern logik som drivs av åtgärdsregler för enkel programmering eller MicroPython och ScriptBasic för utveckling av mer komplexa lösningar
• Stöd för internetprotokoll, inklusive RESTful och MQTT
• Väl lämpad för dataanalys av IIoT, statusövervakning, förebyggande underhåll, analys av OEE (Overall Equipment Effectiveness), diagnostik och felsökning

Figur 3: Styrenheten DXMR90-X1 kan användas tillsammans med den hybrid I/O-hubben R95C för Modbus. (Bildkälla: Banner Engineering)

Vad är stöd för flera protokoll?

Masterenheten DXMR110-8K med åtta portar för IO-Link är en liten, smart styrenhet med flera protokoll som förenar, bearbetar och distribuerar IO-Link och diskret data från flera källor. Anslutningarna inkluderar:

• Två honkontaktdon för M12 D-Code Ethernet för seriekoppling och kommunikation till ett överordnat styrsystem
• Åtta honkontaktdon för M12 för enheter med IO-Link
• Ett hankontaktdon med M12 för inkommande ström och ett honkontaktdon med M12 för seriekoppling av ström

DXMR110 har stöd för molnanslutning och avancerade programmeringsfunktioner. Programmering för ScriptBasic och åtgärdsregler kan användas för att skapa och implementera anpassade skript och logik för optimerade automatiseringsprocesser.

Den interna processorkraften i DXMR110 kan användas för att flytta databehandlingen till kanten vilket minimerar behovet av hårdvara i styrskåpet samt eliminerar I/O-kort för en programmerbar logisk styrenhet. Integrerad molnanslutning kan göra data tillgänglig överallt i världen. Slutligen förenklar kapslingen med IP67-klassificering installationen på alla platser genom att eliminera behovet av ett styrskåp (figur 4).

Figur 4: Masterenheten DXMR110-8K med åtta portar för IO-Link är en smart styrenhet med flera protokoll. (Bildkälla: Banner Engineering)

Det finns mer

De enheter som presenterats hittills är inte de enda alternativen för att implementera industriella kommunikationslösningar med flera protokoll. Maskinkonstruktörer kan använda en rad olika fjärrstyrda I/O-block från Banner Engineering för att optimera systemkonstruktionen, utrymmeseffektiviteten och prestandan.

Banner har linjeomvandlare och masterenheter med gjutna konstruktioner som uppfyller klassificeringarna IP65, IP67 samt IP68. Serien R45C med linjeomvandlare och masterenheter utgör en gateway för anslutning av enheter med IO-Link till ett nätverk för IIoT eller systemstyrenheter med protokollet Modbus RTU. Modellen R45C-2K-MQ ansluter två enheter för IO-Link till gränssnittet Modbus RTU.

När analoga signaler krävs kan konstruktörer använda sig av R45C-MII-IIQ för Modbus för linjeomvandlare med dubbla analoga I/O:s. Funktionerna innefattar:

• Analog ingång. När omvandlaren tar emot en analog insignal skickas den numeriska representationen av värdet till motsvarande Modbus-register. Den kan ta emot analoga insignaler på 0 till 11 000 mV eller 0 till 24 000 µA.
• Analog utgång. Omvandlaren matar ut ett analogt värde som motsvarar en numerisk inmatning. Analoga utsignaler kan variera från 0 till 11 000 mV eller 0 till 24 000 µA.
• Processdatavärden utanför det giltiga området (POVR) kan även detekteras och bearbetas, och omvandlaren skickar en signal till systemet.

När endast en analog ingång behöver omvandlas till en signal för IO-Link kan konstruktörer använda S15C-I-KQ. Den cylindriska omvandlaren för analog ström till IO-Link ansluts till en strömkälla på mellan 4 och 20 mA och matar ut värdet till en masterenhet för IO-Link.

Banner har en mängd olika I/O-block för Modbus RTU som stödjer anslutningar av flera analoga och diskreta enheter som är anslutna till ett nätverk med Modbus eller IO-Link. De kan kombineras och matchas för att stödja flexibla systemkonstruktioner och kompatibilitet (figur 5).

Figur 5: Exempel på format och konfigurationer med fjärrstyrda lösningar för I/O för integration av IO-Link från Banner. (Bildkälla: DigiKey)

Kan trådlösa protokoll integreras?

Den trådlösa nätverkslösningen Sure Cross DSX80 Performance för I/O från Banner möjliggör trådlös anslutning. Den kan användas självständigt eller anslutas till en värdenhet för programmerbar logisk styrenhet via Modbus eller en dator eller surfplatta. Den grundläggande systemarkitekturen består av en gateway och en eller flera noder (figur 6).

Figur 6: Den trådlösa nätverkslösningen Sure Cross DSX80 Performance för I/O innehåller en gateway och en eller flera givarnoder. (Bildkälla: Banner Engineering)

Implementeringen av ett trådlöst nätverk med Sure Cross DX80 Performance omfattar tre element: nätverkstopologin, förhållandet mellan master- och slavenheter samt arkitekturen för TDMA (multiåtkomst med tidsuppdelning) (TDMA).

En stjärntopologi används där masterenheten upprätthåller en separat anslutning till varje nod. Om anslutningen mellan en nod och en masterenhet bryts påverkas inte anslutningen till resten av noderna.

En gateway som t.ex. DX80G2M6-QC är masterenhet och initierar all kommunikation med slavenheterna. En gateway som använder en RS-485-anslutning för Modbus RTU fungerar som en slavenhet till en värdstyrenhet för Modbus RTU. Ett enda trådlöst nätverk kan innehålla upp till 47 slavnoder.

Slavenheter kan vara trådlösa noder som t.ex. temperaturgivarnoden DX80N9Q45DTmed dubbla termistorer, tryckgivarnoden DX80N9Q45PS150G eller vibrations- och fuktgivare.

Slavenheterna kan inte initiera kommunikation med gatewayen eller kommunicera med varandra. En radioenhet för seriell data, som t.ex. DX80SR9M-H, kan läggas till för att utöka nätverkstäckningen så att den passar fysiskt stora installationer.

TDMA är nyckeln till att kombinera en robust anslutning med minimal energiförbrukning. Styrenheten för TDMA i gatewayen tilldelar varje nod en specifik tid för att skicka och ta emot data. Gatewayen har alltid enhets-ID nummer 0. Noderna kan numreras i valfri ordning med hjälp av ID-nummer 1 till 47.

Genom att ange specifika kommunikationstider för enskilda noder optimeras effektiviteten tack vare att risken för konflikter mellan noderna elimineras. Det gör det även möjligt för noderna att gå in i ett läge med låg strömförbrukning mellan förbindelserna och enbart vara aktiva vid den tilldelade tiden. Genom att stänga av radion mellan sändningarna sparar man ström och förlänger drifttiden för batteridrivna noder.

Sammanfattning

Tillgång till flera kommunikationsprotokoll, som t.ex. IO-Link, Modbus, EtherNet/IP och med flera, är nödvändigt för att stödja en effektiv drift av nätverk för Industry 4.0 och IIoT. Banner Engineering erbjuder konstruktörer ett omfattande urval av hubbar, omvandlare och masterenheter för IO-Link i olika format för att stödja optimerade kommunikationslösningar.