Optimalisering av Industri 4.0-kommunikasjonsarkitekturer ved å bruke I/O-hubber og -omformere med multiprotokoll

Kommunikasjonsprotokoller er viktige for å støtte dataoverføring og -styring i sanntid i Industri 4.0-nettverk og IIoT-nettverk (IIoT – Industrial Internet of Things). Sensorer, aktuatorer, motordrivere og styringer har alle spesifikke kommunikasjonsbehov. Det er ingen kommunikasjonsprotokoller som passer for alle formål.

Selv om det ikke finnes noen enkelt protokoll som oppfyller kravene til alle utrustninger, må ulike enheter ofte kobles sammen. Sensorer må kobles til styringer, og styringer må kobles til forskjellige systemelementer som bruker forskjellige protokoller, for eksempel IO-Link, Modbus og flere typer Ethernet.

I mange tilfeller må hele maskinen kobles til skyen. Dette resulterer i komplekse kommunikasjonsarkitekturer med et mylder av protokoller. For å håndtere denne utfordringen kan maskinkonstruktører velge å bruke I/O-hovedenheter, -hubber og -omformere med multiprotokoll.

Denne artikkelen begynner med en gjennomgang av vanlige kommunikasjonsprotokoller for Industri 4.0 og hvor de passer inn i nettverkshierarkiet. Deretter presenterer den en rekke I/O-hovedenheter, -hubber og -omformere fra Banner Engineering, gjennomgår driften og tar for seg hvordan de kan tilrettelegge for komplekse Industri 4.0- og IIoT-kommunikasjonsarkitekturer.

En nærmere titt på OSI-modellen med syv lag

Nettverkskommunikasjonsprotokoller beskrives ofte i sammenheng med OSI-modellen (OSI – Open Systems Interconnection) med syv lag. Modellen starter med tre medielag som tar for seg maskinvarefaktorer, for eksempel fysisk, dataforbindelse og nettverkstilkoblinger.

Dataadressering er hovedfokuset til de neste tre lagene, som omfatter transport-, økt- og presentasjonsprosesser.

Det syvende nivået i modellen er applikasjonslaget, som leverer grensesnittet mellom brukeren og nettverket. Protokoller som Modbus og PROFINET eksisterer i dette laget. OSI-modellen er mer løst knyttet til andre protokoller som EtherNet/IP.

Når det gjelder EtherNet/IP, omfatter programlaget prosesser som nettilgang (HTTP), e-post (SMTP), filoverføringer (FTP) osv. De tre vertslagene implementerer TCP/IP-prosessene (TCP/IP – Transmission Control Protocol/Internet Protocol) for å etablere økter, foreta feilrettinger osv. Medielagene inkluderer den fysiske 10 Base-T-tilkoblingen og implementeringen av Ethernet-dataforbindelsen og nettverkstilkoblinger (figur 1).

Figur 1: Slik forholder EtherNet/IP seg til OSI-modellen med syv lag. (Bildekilde: Banner Engineering)

IO-Link er best egnet i disse situasjonene

IO Link er et enkelt digitalt kommunikasjonsgrensesnitt (SDCI – Single-drop Digital Communication Interface) for nettverk med små sensorer, aktuatorer og lignende anordninger. Den utvider toveiskommunikasjon ned til individuelle enheter på fabrikkgulvet. Den er spesifisert i IEC 61131-9 og er konstruert for å være kompatibel med industrielle nettverksarkitekturer basert på Modbus, PROFIBUS, EtherNet/IP, osv.

IO-Link bruker en hovedenhet til å koble IO-Link-enheter til protokoller på høyere nivå, f.eks. Modbus, som gir tilkoblinger til datakrevende enheter som programmerbare logiske styringer (PLS), menneske-maskin-interaksjon (MMI), en skybasert datatjeneste (CDS – cloud data service) og så videre. På det laveste nivået bruker IO-Link hubber til å aggregere flere enheter og mate dataene opp til en hovedenhet (master). I tillegg kan en analog spenning til IO-Link-omformeren brukes til å legge til analoge sensorer på IO-Link-nettverket (figur 2).

Figur 2: IO-Link-omformere, -hubber og -hovedenheter kan samle inn data fra feltenheter og sende dem til dataforbrukere som PLS-er, MMI-er og CDS-er. (Bildekilde: Banner Engineering)

Derfor kombineres IO-Link med andre protokoller

Massetilpasning og fleksible produksjonsprosesser er karakteristiske egenskaper knyttet til Industri 4.0. Ved å kombinere IO-Link med andre protokoller kan fleksibiliteten og allsidigheten til Industri 4.0-fabrikker forbedres. Fordelaktige egenskaper forbundet med IO-Link, omfatter:

• Modbus har begrenset støtte for analoge enheter, f.eks. visse sensorer, mens IO-Link er kompatibel med både digitale og analoge enheter.
• Økt fabrikkautomatisering og -utvidelse kan tilrettelegges ved å bruke en gateway som støtter både IO-Link og protokoller på høyere nivå, for eksempel Modbus TCP eller EtherNet/IP, og kan fungere som en bro mellom et sensornettverk på feltnivå og en ryggrad i industriell nettverkskommunikasjon.
• IO-Link øker driftens yteevne ved å tilby en standardisert, ensartet konfigurasjonsprosess for alle sensorer, og den kan brukes til å erstatte defekte sensorer automatisk når en identisk modell brukes.
• Datainnsamlings- og kommunikasjonsfunksjonene til IO-Link gir økt synlighet i driften av individuelle sensorer, samt for spredte sensornettverk, og øker datahastigheten opp til en PLS og skyen.

Slik kombineres Modbus og IO-Link

Et av de første verktøyene å vurdere er en hybrid I/O Modbus-hub som R95C-8B21-MQ, en bimodal til Modbus med åtte porter. Denne frittstående bimodal til Modbus-hubben kobler sammen to frittstående kanaler til hver av de åtte unike portene, noe som muliggjør overvåking og konfigurering av disse portene via Modbus-registre.

Hybride I/O Modbus-hubber er tilgjengelige med fire konfigurerbare analoge innganger (spenning eller strøm) og fire analoge utganger, pluss åtte konfigurerbare PNP (source) eller NPN (kollektor/sink) frittstående innganger og utganger for økt utrustningsfleksibilitet.

Industrielle DXMR90-X1-styringer kan brukes som plattform for IIoT-løsninger. De kan samle data fra flere kilder for lokal databehandling og tilgjengelighet. DXMR90 inneholder individuelle Modbus-klienter som støtter parallell kommunikasjon til opptil fem uavhengige serielle nettverk.

DXMR90-X1 har én M12 D-Code Ethernet-hunnkontakt og fire M12-hunnforbindelser for Modbus-hovedenhetsforbindelser. Andre DXMR90-modeller er tilgjengelige med to M12 D-kode Ethernet-hunnkontakter og fire M12-hunnforbindelser for Modbus-klientforbindelser eller med én M12 D-kode Ethernet-hunnkontakt og fire M12-hunnkontakter for IO-Link-hovedenhetsforbindelser.

Alle DXMR90-styringer inkluderer også én M12-hannkontakt (port 0) for innkommende strøm og Modbus RS-485 og én M12-hunnkontakt for seriekobling av Port 0-signaler. Ytterligere funksjoner i DXMR90-X1 omfatter (figur 3):

• Omformer Modbus RTU til Modbus TCP/IP, EtherNet/IP eller Profinet
• Intern logikk drevet av handlingsregler for enkel programmering, eller MicroPython og ScriptBasic for utvikling av mer komplekse løsninger
• Støtte for Internett-protokoller, inkludert RESTful og MQTT
• Velegnet for IIoT-dataanalyse, tilstandsovervåking, forebyggende vedlikehold, OEE-analyse (OEE – overall equipment effective), diagnostikk og feilsøking

Figur 3: DXMR90-X1-styringen kan brukes sammen med R95C, en hybrid I/O Modbus-hub. (Bildekilde: Banner Engineering)

Hva er multiprotokollstøtte?

DXMR110-8K IO-Link-hovedenheten med åtte porter er en kompakt smartstyring med multiprotokoll, som konsoliderer, behandler og distribuerer IO-link og frittstående data fra flere kilder. Tilkoblinger omfatter:

• To M12 D-Code Ethernet-hunnkontakter for seriekobling og kommunikasjon til et styringssystem på høyere nivå
• Åtte M12-hunnforbindelser for IO-Link-enheter
• Én M12-hannkontakt for innkommende strøm og én M12-hunnkontakt for seriekobling av strøm

DXMR110 støtter skytilkobling og har avanserte programmeringsfunksjoner. Programmering med ScriptBasic og handlingsregler kan brukes til å opprette og implementere egendefinerte skript og logikk for optimaliserte automatiseringsprosesser.

Den interne prosessorkraften til DXMR110 kan brukes til å flytte databehandling til inngangspunktet (edge), noe som minimerer behovet for maskinvare i styringsskapet og eliminerer I/O-kort på en PLS. Integrert skytilkobling kan gjøre data tilgjengelige fra hvor som helst i verden. Til slutt forenkler IP67-huset installasjoner overalt, ved å eliminere behovet for styringsskap (figur 4).

Figur 4: DXMR110-8K IO-Link-hovedenheten med 8 porter er en smartstyring med multiprotokoll. (Bildekilde: Banner Engineering)

Det er mer

Enhetene som er presentert så langt, er ikke de eneste alternativene når det gjelder å implementere industrielle kommunikasjonsløsninger med multiprotokoll. Maskinkonstruktører kan bruke en rekke eksterne I/O-blokker fra Banner Engineering til å optimalisere systemkonstruksjon, plasseffektivitet og ytelse.

Banner tilbyr integrerte omformere og hovedenheter med overstøpt konstruksjon, som oppfyller kravene til inntrengningsytelse (IP – ingress protection) for IP65, IP67 og IP68. R45C-seriens på-linje-omformere og -hovedenheter gir en gateway for tilkobling av IO-Link-enheter til et IIoT-nettverk eller systemstyringer ved hjelp av Modbus RTU-protokollen. R45C-2K-MQ-modellen kobler to IO-Link-enheter til et Modbus RTU-grensesnitt.

Når analoge signaler er påkrevd, kan konstruktører bruke R45C-MII-IIQ Modbus for å få en dobbel analog på-linje-I/O-omformer. Funksjoner omfatter:

• Analog inn. Når omformeren mottar et analogt inngangssignal, sender den en numerisk representasjon av verdien til det korresponderende Modbus-registeret. Den kan ta imot analoge innganger fra 0 til 11 000 mV eller 0 til 24 000 µA.
• Analog ut. Omformeren sender ut en analog verdi som korresponderer med en numerisk inngang. Analoge utganger kan variere fra 0 til 11 000 mV eller 0 til 24 000 µA.
• Prosessdataverdier utenfor det gyldige området (POVR – process data values outside the valid range) kan også detekteres og behandles, og omformeren sender et signal til systemet.

Når et enkelt analogt inngangssignal må omformes til et IO-Link-signal, kan konstruktører bruke S15C-I-KQ. Denne sylindriske analoge strømmen til IO-Link-omformer kobles til en strømkilde på 4 til 20 mA, og sender ut den korresponderende verdien til en IO-Link-hovedenhet.

Banner tilbyr en rekke Modbus RTU I/O-blokker som støtter tilkoblinger for flere analoge og frittstående enheter som er koblet til et Modbus- eller IO-Link-nettverk. De kan blandes eller samsvares for å støtte fleksible systemkonstruksjoner og driftskompatibilitet (figur 5).

Figur 5: Eksempler på formfaktorer og konfigurasjoner for Banners eksterne I/O-løsninger for IO-Link-integrering. (Bildekilde: DigiKey)

Kan trådløse protokoller integreres?

Banners trådløse I/O-nettverksløsning Sure Cross DSX80 Performance muliggjør trådløs konnektivitet. Den kan brukes uavhengig eller kobles til en verts-PLS ved å bruke Modbus eller en datamaskin eller et nettbrett. Den grunnleggende systemarkitekturen omfatter en gateway og én eller flere noder (figur 6).

Figur 6: Banners trådløse I/O-nettverksløsning Sure Cross DSX80 Performance inkluderer en gateway og én eller flere sensornoder. (Bildekilde: Banner Engineering)

Implementering av et trådløst Sure Cross DX80 Performance-nettverk omfatter tre elementer: nettverkstopologien, master/slave-forhold og TDMA-arkitekturen (TDMA – Time Division Multiple Access).

En stjernetopologi brukes der hovedenheten (master) opprettholder en separat forbindelse med hver node. Hvis forbindelsen mellom en node og hovedenheten svikter, påvirkes ikke konnektiviteten til resten av nodene.

En gateway som DX80G2M6-QC er hovedenheten, og den initierer all kommunikasjon med slaveenhetene. En gateway som bruker en Modbus RTU RS-485-tilkobling, fungerer som en slave til en Modbus RTU-vertsstyring. Et enkelt trådløst nettverk kan omfatte opptil 47 slavenoder.

Slaveenheter kan være trådløse noder, slik som temperatursensornoden DX80N9Q45DT med to termistorer, trykksensornoden DX80N9Q45PS150G eller vibrasjons- og fuktighetssensorer.

Slaveenheter kan ikke starte kommunikasjon med gatewayen eller kommunisere med hverandre. En seriell dataradio som DX80SR9M-H kan legges til for å utvide nettverksdekningen for å imøtekomme fysisk store installasjoner.

TDMA er svært viktig for å kombinere robust konnektivitet med minimalt energiforbruk. TDMA-styringen i gatewayen tilordner hver node et bestemt tidspunkt for sending og mottak av data. Gatewayen har alltid enhets-ID-nummer 0. Noder kan nummereres i en hvilken som helst rekkefølge ved å bruke enhets-ID 1 til 47.

Innstilling av spesifikke kommunikasjonstidspunkter for individuelle noder optimaliserer ytelsen ved å eliminere muligheten for konflikter mellom noder. Den gjør det også mulig for noder å gå inn i en tilstand med lavt strømforbruk mellom kommunikasjonene, slik at de bare våkner på det angitte tidspunktet. Ved å slå av radioen mellom overføringene reduseres strømforbruket, og levetiden til batteridrevne noder forlenges.

Konklusjon

Tilgang til flere kommunikasjonsprotokoller, for eksempel IO-Link, Modbus, EtherNet/IP og så videre, er nødvendig for å støtte effektiv drift av Industri 4.0- og IIoT-nettverk. Banner Engineering gir konstruktører et omfattende utvalg av IO-Link-hubber, -omformere og -hovedenheter i ulike formfaktorer for å støtte optimaliserte kommunikasjonsløsninger.