Hoe nieuwe IO-Link-masters de voordelen van cloudconnectiviteit en lokale besturing in Industry 4.0-fabrieken in balans kunnen brengen

Het in evenwicht brengen van de behoefte aan cloudconnectiviteit en lokale besturing met behulp van programmeerbare logische controllers (PLC's) in industriële netwerken is zojuist eenvoudiger geworden. Industry 4.0-netwerken zijn complex en omvatten meerdere connectiviteitsniveaus, van IO-Link op de fabrieksvloer tot veldbussen zoals EtherNet/IP en PROFINET die machines en PLC's verbinden en een Open Platform Communications Unified Architecture-interface (OPC UA) die reikt tot de cloud.

In een traditioneel Industry 4.0-netwerk gebruiken sensoren, actuatoren en andere apparaten een IO-Link-master om verbinding te maken met het veldbusnetwerk en apparaten op het veldbusnetwerk gebruiken OPC UA en andere protocollen om verbinding te maken met de cloud.

Machine- en fabrieksnetwerkontwerpers hebben nu een nieuwe tool - IO-Link-masters - dat de gebruikelijke EtherNet/IP-, PROFINET- en andere veldbusconnectiviteit combineert met een OPC UA-interface voor een directe verbinding met de cloud. Dat kan worden gebruikt om connectiviteit af te vlakken en de levering van kritieke gegevens naar de hoogste niveaus van het netwerk te versnellen.

Dit artikel begint met een overzicht van het gebruik van lokale besturing en cloudconnectiviteit in een traditionele netwerkarchitectuur. Vervolgens wordt de afgeplatte architectuur gepresenteerd die mogelijk wordt gemaakt door de nieuwe IO-Link-masters van Pepperl+Fuchs, die veldbus- en OPC UA-connectiviteit bevatten en meerdere parallelle verbindingen kunnen ondersteunen. Ook wordt bekeken hoe de nieuwe APL-technologie (Advanced Physical Layer) van Ethernet hierin past.

Tot slot worden de nieuwe IO-Link-masters met OPC UA-connectiviteit en compatibele IO-Link-hubs voor netwerkuitbreiding beschreven, samen met enkele representatieve IO-Link apparaten en het gebruik van een IO-Link USB-master voor het configureren, in bedrijf stellen en oplossen van problemen met IO-Link-apparaten.

Industry 4.0-fabrieken vereisen verschillende mixen van lokale besturing en cloudconnectiviteit. Elk heeft zijn voordelen. De beste oplossing combineert vaak PLC's en randcomputers voor responsieve lokale besturing, terwijl de cloud wordt gebruikt om complexe gegevens te analyseren.

PLC's zijn robuust en ontworpen voor gebruik in industriële omgevingen. Ze zijn over het algemeen modulair en kunnen voldoen aan de veranderende behoeften van Industry 4.0-fabrieken. PLC's zijn compacter en betrouwbaarder dan de relaisgebaseerde systemen die ze vaak vervangen. Het belangrijkste is misschien wel dat PLC's real-time besturing kunnen ondersteunen in kritieke toepassingen met directe feedback van de aangesloten machines en sensoren.

Cloudconnectiviteit biedt vrijwel onbeperkte opslag- en rekenmogelijkheden. Het kan gegevens van verschillende toepassingen koppelen, die worden bestuurd door afzonderlijke PLC's, en een geharmoniseerde en geoptimaliseerde algehele werking van de fabriek ondersteunen. Cloudconnectiviteit kan administratieve taken van PLC's overnemen en cloudcomputingdiensten kunnen snel en economisch worden geschaald.

Traditionele IO-Link

IO-Link is een point-to-point protocol, geen veldbus. In een traditioneel Industry 4.0-netwerk zijn IO-Link-masters de tussenpersonen tussen IO-Link-apparaten op de fabrieksvloer en het veldbusnetwerk. Elke poort op een IO-Link-master maakt verbinding met één IO-Link-apparaat. De IO-Link-master consolideert en vertaalt de communicatie van aangesloten IO-Link-apparaten en stuurt deze door naar het veldbusnetwerk.

IO-Link-masters zijn beschikbaar voor installatie in de schakelkast. Ze kunnen worden aangesloten op het veldbusnetwerk als een extern aansluitpunt met een IP20-omgevingsclassificatie of worden gebruikt op de fabrieksvloer met een IP65/67-classificatie (Afbeelding 1). Er is geen directe verbinding tussen traditionele IO-Link-masters en de cloud; alle communicatie naar de cloud wordt gekanaliseerd via en bestuurd door apparaten op de veldbus.

Afbeelding 1: Traditionele netwerktoepassing van IO-Link aangesloten op een veldbus. (Bron afbeelding: Pepperl+Fuchs)

Verbeterde IO-Link en een parallel netwerk

Door OPC UA-connectiviteit toe te voegen aan een IO-Link-master veranderen de mogelijkheden voor industriële netwerkarchitecturen drastisch. Het is niet langer nodig om de communicatie door te sturen naar de veldbus om naar de cloud te gaan.

Tijdgevoelige gegevens voor realtime besturing kunnen nog steeds op de veldbus worden gezet. Minder tijdgevoelige gegevens kunnen worden samengevoegd en direct naar de cloud worden gestuurd, waardoor de veldbusapparaten niet langer worden belast met communicatieoverhead.

Pepperl+Fuchs noemt deze nieuwe structuur een "parallelle" architectuur omdat deze parallel gebruikt kan worden met standaard industriële machinebesturingssystemen. De sleutel is de MultiLink™-technologie van het bedrijf die het parallelle gebruik ondersteunt van een industriële Ethernet-veldbus voor verbinding met PLC's die gebruik maken van een protocol zoals EtherNet/IP en message queuing telemetry transport (MQTT). Dit open-source berichtenprotocol maakt gebruik van OPC UA en kan verbinding maken met apparaten op het Industrial Internet of Things (IIoT), zoals industriële computers, SCADA-systemen (Supervision Control and Data Acquisition) en de cloud.

Om het pakket compleet te maken, bevatten IO-Link-masters met MultiLink ook een geïntegreerde webserver en IO-Link device description (IODD) interpreter die de configuratie van de veldbusverbinding en aangesloten IO-Link-apparaten met behulp van een webbrowser ondersteunt (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Nieuwe IO-Link-netwerkarchitectuur met OPC UA voor directe cloudconnectiviteit en een vlakkere netwerkstructuur. (Bron afbeelding: Pepperl+Fuchs)

Meer netwerkkeuzes

Naast het mogelijk maken van de nieuwe parallelle netwerkarchitectuur die hierboven is beschreven, kunnen IO-Link-masters met OPC UA en MultiLink worden gebruikt voor andere use cases zoals:

Retrofits - Deze conventionele IO-Link-master kan worden vervangen door een master met OPC UA en MultiLink-connectiviteit om de voordelen van parallelle communicatie toe te voegen aan een bestaand netwerk.

Toepassingen zonder traditionele PLC - Sommige toepassingen, zoals ERP (enterprise resource planning) of MES (manufacturing execution system), verzamelen gegevens van sensoren op de fabrieksvloer en hebben geen PLC nodig. Een IO-Link-master met OPC UA kan de gegevens rechtstreeks naar de cloud sturen, die kunnen worden samengevoegd, geanalyseerd en gebruikt om de productiviteit te maximaliseren.

Toepassingen met meerdere PLC's - Complexe lascellen zijn een voorbeeld van een toepassing met meerdere PLC's en meerdere protocollen die kunnen profiteren van de toevoeging van OPC UA. Een primaire PLC kan bijvoorbeeld het totale proces besturen via PROFINET-communicatie, een industriële pc kan optische kwaliteitsbewaking besturen via EtherNet/IP-communicatie en verschillende robots en andere apparatuur kunnen bedrijfseigen besturingsprotocollen gebruiken. OPC UA met Pepperl+Fuchs' MultiLink technologie maakt communicatie en gegevensuitwisseling tussen de systemen mogelijk ondanks de verschillende veldbusprotocollen, en het kan de hele lascel aan de cloud koppelen.

Gebouwd op de basis van Ethernet APL

De MultiLink-technologie is gebouwd op het fundament van de Ethernet geavanceerde fysieke laag, of Ethernet-APL, waarmee Ethernet kan worden gebruikt voor communicatie en voeding met procesinstrumentatie over lange afstanden. Het is gebaseerd op de 10BASE-T1L Ethernet standaard voor fysieke lagen.

Met een snelheid van 10 Mbps en een bereik van 1000 meter is Ethernet-APL ontworpen voor real-time procesbewaking en -besturing, waardoor parallelle toegang mogelijk is. Het ondersteunt EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA, PROFINET en andere protocollen op een hoger niveau. Er zijn geen gateways of andere protocolconversies nodig. Het implementeert 10BASE-T1L met behulp van een speciale fysieke Ethernetverbinding (PHY) in laag 1 van het OSI-model (Open Systems Interconnection) (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Ethernet-APL is een nieuwe PHY gebaseerd op 10BASE-T1L. (Bron afbeelding: Pepperl+Fuchs)

De nieuwe tools voor industriële netwerken

Voor industriële netwerkontwerpers die willen profiteren van de nieuwe mogelijkheden van IO-Link masters met OPC UA MultiLink parallelle connectiviteit, biedt Pepperl+Fuchs de IO-Link-masterserie ICE2 (met EtherNet/IP) en ICE3 (met PROFINET). Beide typen IO-Link-masters hebben acht in- en uitgangen en worden geleverd met een webgebaseerde configuratiemogelijkheid voor het instellen van alle moduleparameters en alle aangesloten IO-Link-apparaten (web IODD-werking). Ze bevatten geïntegreerde IODD-opslag voor meer dan 100 IODD's. Andere kenmerken zijn onder andere:

• De PortVision® DX-software ondersteunt netwerkconfiguratie, apparaatbeheer en het klonen/back-uppen van instellingen in één toepassing.
• Alle module-instellingen kunnen worden opgeslagen als een apart bestand en worden overgezet naar een nieuw apparaat met behulp van de kloonfunctie om implementaties te versnellen.
• Blokmodellen hebben twee L-gecodeerde M12-voedingsconnectorplugs die geschikt zijn voor 16 A. De ingangen en uitgangen hebben M12-connectorplugs met A-codering en de verbinding met de veldbus wordt gemaakt via M12-connectorplugs met D-codering.
• DIN-railmodellen zijn verkrijgbaar met schroefklemmen of insteekbare push-in-connectors.
• Beschermingsgraden: Blokmodellen hebben beschermingsgraad IP67 en DIN-railmodellen hebben beschermingsgraad IP20 (afbeelding 4).

Afbeelding 4: Voorbeelden van IO-Link-masters op DIN-rail (links) en blokstijl (rechts). (Bron afbeelding: Pepperl+Fuchs)

Voorbeelden van IO-Link-masters met OPC UA MultiLink zijn onder andere:

• De ICE2-8IOL1-G65L-V1D is een EtherNet/IP- en Modbus IO-Link-master in blokstijl met vier IO-Link klasse A-poorten die tot 200 mA voeding kunnen leveren aan aangesloten apparaten en vier IO-Link klasse B-poorten voor apparaten met een hoger vermogen en een eigen onafhankelijke voedingsbron.
• De ICE2-8IOL-K45P-RJ45 is een EtherNet/IP IO-Link-master in DIN-railstijl met acht in-/uitgangen en push-in-connectors.
• De ICE3-8IOL1-G65L-V1D is een blokvormige PROFINET en Modbus IO-Link-master met 4 IO-Link klasse A- en 4 IO-Link klasse B-poorten.
• De ICE3-8IOL-K45S-RJ45 is een PROFINET IO IO-Link-master in DIN-railuitvoering met acht in-/uitgangen en schroefklemmen.

Hubs en convertors voor netwerkuitbreiding

IO-Link-hubs ondersteunen de uitbreiding van netwerken van sensors, actuators en andere apparaten. Met IO-Link-hubs kunnen meerdere digitale sensors en actuators worden aangesloten op een IO-Link-master met behulp van een standaard sensorkabel. De ICA-16DI-G60A-IO IO-Link-hub kan bijvoorbeeld tot 16 PNP digitale ingangen aan en het logische niveau kan voor elke poort afzonderlijk worden geconfigureerd. Afhankelijk van de mogelijkheden van de aangesloten IO-Link-master kan deze hub tot 500 mA stroom leveren aan aangesloten apparaten. Hij is geclassificeerd voor IP65, IP67 en IP69K.

Wanneer een sensor met een analoge uitgang moet worden aangesloten op een IO-Link-netwerk, kunnen ontwerpers zich wenden tot de ICA-AI-I/U-IO-V1 IO-Link-convertor met een analoge ingang voor stroom of spanning en een IO-Link-uitgang. Hij is geschikt voor IP67 en de ingang kan als volgt worden ingesteld:

• De stroomingang kan worden ingesteld als 0 tot 20 mA of 4 tot 20 mA.
• De spanningsingang kan worden ingesteld als -10 tot 10 V of 0 tot 10 V.

IO-Link-apparaataanbod

Er is een uitgebreid ecosysteem van IO-Link-apparaten beschikbaar voor bijna elk industrieel proces, inclusief detectie- en besturingsbehoeften. Het IO-Link-portfolio van Pepperl+Fuchs omvat inductieve naderingssensors, inductieve positioneersystemen, foto-elektrische sensors, ultrasone sensors, trillingssensors, roterende encoders en identificatiesystemen (afbeelding 5). Voorbeelden zijn:

• Het VDM28-afstandmeetapparaat maakt gebruik van Pulse Ranging Technology (PRT) voor een herhaalnauwkeurigheid van 5 mm met een werkbereik van 0,2 tot 15 m en een absolute nauwkeurigheid van 25 mm.
• De IUT-F191-IO-V1-FR2-02 RFID-lees/schrijfeenheid is geoptimaliseerd voor industriële toepassingen met afstanden tot ongeveer één meter. Het apparaat leest en schrijft passieve tags op basis van ISO/IEC 18000-63.

Afbeelding 5: Voorbeelden van het brede scala aan beschikbare IO-Link-apparaten. (Bron afbeelding: Pepperl+Fuchs)

USB-master voor inbedrijfstelling van IO-Link-apparaten

Wanneer het tijd is om IO-Link-apparaten te installeren en in bedrijf te stellen, kunnen netwerktechnici zich wenden tot de IO-LINK-MASTER02-USB (Afbeelding 6). Deze USB-master kan IO-Link-apparaten aansluiten op een USB-poort van een pc. Het is ontworpen om test-, configuratie- en onderhoudsactiviteiten te ondersteunen. Aangesloten apparaten kunnen worden geconfigureerd en geparametriseerd. Apparaatdiagnostiek wordt ook ondersteund. Apparaten met een laag stroomverbruik kunnen rechtstreeks vanaf de USB-master worden gevoed. Apparaten die meer vermogen nodig hebben, kunnen worden aangesloten op een optionele externe voeding.

Afbeelding 6: Deze IO-Link USB-master kan worden aangesloten op een pc om netwerkimplementaties te versnellen. (Bron afbeelding: Pepperl+Fuchs)

Conclusie

De toevoeging van OPC UA parallelle connectiviteit aan IO-Link-masterapparaten heeft de opties voor ontwerpers van Industry 4.0-netwerken drastisch veranderd. Het is nu mogelijk om de netwerkarchitectuur af te vlakken en directe verbindingen te bieden tussen de IO-Link-apparaten op de fabrieksvloer en de cloud. De nieuwe technologie kan in verschillende toepassingen worden gebruikt om de operationele efficiëntie te verbeteren.