A felhőcsatlakozás és a helyi vezérlés előnyei közötti egyensúly megteremtése az Ipar 4.0-s gyárakban az új IO-Link központi egységek segítségével

Nemrég ismét tettünk egy lépést a felhővel való kapcsolat és a helyi vezérlés igényeinek az ipari hálózatokban PLC-k (programmable logic controller, programozható logikai vezérlő) segítségével történő kiegyensúlyozása felé. Az Ipar 4.0-s hálózatok összetettek, és többszintű csatlakozásokat foglalnak magukban, az IO-Linktől a gyárban a gépeket és a PLC-ket összekötő EtherNet/IP és PROFINET helyi síneken át a felhőig terjedő OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture, egységes architektúra nyílt platformú kommunikációhoz) illesztőfelületig.

Egy hagyományos Ipar 4.0-s hálózatban az érzékelők, működtetőelemek és egyéb eszközök IO-Link központi egységeken (IO-Link master) keresztül csatlakoznak a helyisín-hálózathoz, a helyisín-hálózaton lévő eszközök pedig OPC UA és egyéb protokollok segítségével a felhőhöz.

A gép- és gyárhálózatok tervezőinek mostantól egy új eszköz – a IO-Link központi egységek – van a kezében, amely OPC UA illesztőfelülettel kombinálja a szokványos EtherNet/IP, PROFINET és más helyi sínek kínálta csatlakozási lehetőségeket a felhőhöz való közvetlen csatlakozás érdekében. Ez felhasználható a csatlakozások egyszintűvé (azaz hierarchiamentessé) tételére és a kritikus adatoknak a hálózat legmagasabb szintjeire való gyorsabb eljuttatására.

Ez a cikk a helyi vezérlés és a felhőcsatlakozás hagyományos hálózati architektúrában történő használatának áttekintésével kezdődik. Ezután bemutatja a Pepperl+Fuchs új IO-Link központi egységei által lehetővé tett egyszintű architektúrát, amely magában foglalja a helyisín- és az OPC UA-csatlakozást, és több párhuzamos kapcsolatot is lehetővé tesz. Azt is megvizsgálja, hogy az új Ethernet APL (advanced physical layer, fejlett fizikai réteg) technika hogyan illeszkedik ebbe a rendszerbe.

A cikket az OPC UA-kapcsolatú új IO-Link központi egységek és az ezekkel kompatibilis, a hálózat bővítéséhez szükséges IO-Link-elosztók, valamint néhány jellegzetes IO-Link-eszköz bemutatása és az USB-s IO-Link központi egységnek az IO-Link-eszközök beállításához, üzembe helyezéséhez és hibaelhárításához való használatának ismertetése zárja.

Az Ipar 4.0-s gyárak a helyi vezérlés és a felhőhöz csatlakozás különböző kombinációit igénylik. Mindegyiknek megvannak a maga előnyei. A legjobb megoldás a helyi vezérlés terén gyakran kombinálja a PLC-ket és a helyi számítógépeket, miközben az összetett adatokat a felhő segítségével elemzi.

A PLC-k strapabírók, és ipari környezetben való használatra tervezték őket. Általában modulrendszerűek, és képesek alkalmazkodni az Ipar 4.0-s gyárak változó igényeihez. A PLC-k kisebb méretűek és megbízhatóbbak, mint a reléalapú rendszerek, amelyeket gyakran PLC-kre cserélnek le. Talán a legfontosabb, hogy a PLC-k a kritikus felhasználási területeken lehetőséget adnak a valós idejű szabályozásra a csatlakoztatott gépektől és érzékelőktől kapott közvetlen visszacsatolások alapján.

A felhővel való kapcsolat lényegében korlátlan tárolási és számítási kapacitást tesz elérhetővé. Képes összekapcsolni az egyes PLC-k által vezérelt különböző felhasználási területekről származó adatokat, és lehetőséget ad a teljes üzem összehangolt és optimalizált működtetésére. A felhővel való kapcsolat révén az adminisztratív feladatok lekerülhetnek a PLC-kről, a felhőalapú számítástechnikai szolgáltatások pedig gyorsan és gazdaságosan méretezhetőek.

A hagyományos IO-Link

Az IO-Link egy két pont közötti protokoll, nem pedig egy helyi sín. Egy hagyományos Ipar 4.0-s hálózatban az IO-Link központi egységek közvetítő szerepet töltenek be a gyárban lévő IO-Link-eszközök és a helyisín-hálózat között. Az IO-Link központi egység minden egyes portjához egyetlen IO-Link eszköz csatlakozik. Az IO-Link központi egység egyesíti és lefordítja a hozzá csatlakoztatott IO-Link-eszközök kommunikációját, és továbbítja azt a helyisín-hálózatra.

Az IO-Link központi egységeket vezérlőszekrényben kell elhelyezni. Távoli csatlakozási pontként IP20 védettségi besorolással csatlakozhatnak a helyisín-hálózathoz, vagy használhatók a gyárüzemben IP65/67 védettségi besorolással (1. ábra). A hagyományos IO-Link központi egységek és a felhő között nincs közvetlen kapcsolat. A felhővel való minden kommunikáció a helyi sínre kapcsolódó eszközökön keresztül történik, és ezek az eszközök vezérlik a kommunikációt.

1. ábra: Az IO-Link hagyományos, helyi sínhez csatlakoztatott hálózati felhasználási módja (ábra: Pepperl+Fuchs)

A továbbfejlesztett IO-Link és a párhuzamos hálózat

Az IO-Link központi egység OPC UA-kapcsolattal való kiegészítése nagymértékben megváltoztatja az ipari hálózati architektúrák lehetőségeit. Többé nem szükséges a kommunikációt a helyi sínre kapcsolni, hogy létrejöjjön a kapcsolat a felhővel.

A valós idejű vezérléshez szükséges időérzékeny adatok továbbra is a helyi sínre kapcsolhatók. A kevésbé időérzékeny adatok összesíthetők és közvetlenül a felhőbe küldhetők, így a kommunikációs terhek lekerülnek a helyi sínre kapcsolt eszközökről.

A Pepperl+Fuchs ezt az új rendszerfelépítést „párhuzamos” architektúrának nevezi, mivel párhuzamosan használható a szabványos ipari gépvezérlő rendszerekkel. A kulcs a vállalat MultiLink™ technikája, amely lehetővé teszi az ipari ethernetes helyi sín párhuzamos használatát a PLC-khez EtherNet/IP, MQTT (Message Queuing Telemetry Transport, üzenet-sorbaállítási telemetriás átvitel) és más hasonló protokoll útján történő csatlakozáshoz. Ez a nyílt forráskódú üzenetküldő protokoll az OPC UA-t használja, és képes csatlakozni az ipari dolgok internetére (IIoT, Industrial Internet of Things) kapcsolódó eszközökhöz, például ipari számítógépekhez, SCADA (supervisory control and data acquisition, felügyeleti, vezérlő- és adatgyűjtő) rendszerekhez és a felhőhöz.

A csomag teljessége érdekében a MultiLink protokollal ellátott IO-Link központi egységek beépített webkiszolgálót és IO-Link eszközleíró (IODD, IO-Link device description) parancsértelmezőt is tartalmaznak, ami lehetővé teszi a helyisín-kapcsolat és a csatlakoztatott IO-Link-eszközök webböngészővel történő beállítását (2. ábra).

2. ábra: A felhővel való közvetlen kapcsolathoz és az egyszintű hálózati struktúra megteremtéséhez OPC UA protokollt használó új IO-Link hálózati architektúra (ábra: Pepperl+Fuchs)

További hálózatkialakítási lehetőségek

A fent leírt új párhuzamos hálózati architektúra lehetővé tétele mellett az OPC UA- és MultiLink-kapcsolatot használó IO-Link központi egységek más feladatokra is használhatók, például a következőkre:

Utólagos feljavítás: A hagyományos IO-Link központi egységek lecserélhetők OPC UA- és MultiLink-kapcsolatot használó központi egységre, hogy egy meglévő hálózatot felruházzunk a párhuzamos kommunikáció előnyeivel.

Hagyományos PLC nélküli felhasználási területek: Egyes felhasználási területek, például a vállalati erőforrás-tervezés (ERP, Enterprise Resource Planning) és a gyártásvégrehajtó rendszer (MES, Manufacturing Execution System) a gyárban elhelyezett érzékelőkről gyűjtenek adatokat, és nincs szükségük PLC-re. Az OPC UA-kapcsolatot használó IO-Link központi egység közvetlenül a felhőbe tudja küldeni az adatokat, amelyek összesíthetők, elemezhetők, és felhasználhatók a termelékenység maximalizálása érdekében.

Több PLC-t használó felhasználási területek: Az összetett hegesztőcellákban több PLC-t és több protokoll használnak. Ez például egy olyan felhasználási terület, ahol előnyös lehet az OPC UA használata. Az elsődleges PLC vezérelheti például a teljes folyamatot PROFINET kommunikációval, egy ipari számítógép vezérelheti az optikai minőség-ellenőrzést EtherNet/IP kommunikációval, a különböző robotok és egyéb berendezések pedig saját vezérlőprotokollokat használhatnak. Az OPC UA a Pepperl+Fuchs MultiLink technikájával használva a különböző helyisín-protokollok ellenére lehetővé teszi a rendszerek közötti kommunikációt és adatcserét, és képes a teljes hegesztőcellát összekapcsolni a felhővel.

A megoldás az Ethernet APL alapjaira épül

A MultiLink technika az Ethernet fejlett fizikai rétegének, azaz az Ethernet APL-nek (advanced physical layer) az alapjaira épül, amely lehetővé teszi az Ethernet használatát a folyamat-ellenőrző műszerekkel való nagy távolságú kommunikációra és azok áramellátására. A technika a 10BASE-T1L Ethernet fizikai réteget meghatározó szabványon alapul.

A 10 Mb/s sebességű és 1000 méter hatótávolságú Ethernet APL-t valós idejű folyamatfelügyeletre és -irányításra tervezték, lehetővé téve a párhuzamos hozzáférést. Támogatja az EtherNet/IP, a HART-IP, az OPC UA és a PROFINET protokollt és más magasabb szintű protokollokat. Ez szükségtelenné teszi az átjárók használatát és más protokollátalakításokat. Az Ethernet APL a 10BASE-T1L protokollt egy speciális Ethernet fizikai rétegbeli (PHY) kapcsolat segítségével valósítja meg az OSI-modell (Open Systems Interconnection, nyílt rendszer-összekapcsolás) 1. rétegében (3. ábra).

3. ábra: Az Ethernet APL egy új fizikai rétegbeli kapcsolat, amely a 10BASE-T1L protokollon alapul (ábra: Pepperl+Fuchs)

Az ipari hálózatok új eszközei

Az ipari hálózatok azon tervezőinek, akik ki akarják használni az OPC UA MultiLink párhuzamos kapcsolatot használó IO-Link központi egységek nyújtotta új lehetőségeket, a Pepperl+Fuchs az ICE2 (EtherNet/IP protokollal) és az ICE3 (PROFINET protokollal) IO-Link központiegység-sorozatot kínálja. Mindkét IO-Link központiegység-típusnak nyolc bemenete és kimenete van, és webalapúan beállítható az összes modulparaméter és az összes csatlakoztatott IO-Link-eszköz (webes IO-Link eszközleírós működés). Ezek az eszközök több mint 100 IO-Link eszközleíró tárolására alkalmas integrált IODD-tárolót tartalmaznak. Egyéb jellemzők:

• A PortVision® DX szoftver egyetlen alkalmazásban támogatja a hálózati beállítások megadását, az eszközkezelést és a beállítások klónozását és biztonsági mentését.
• A tömeges telepítések felgyorsítása érdekében az összes modulbeállítás külön fájlba menthető, és a klónozási funkció segítségével átvihető új eszközökre.
• Az önálló típusokon két 16 A névleges áramerősségű, L kódú M12-es tápcsatlakozó dugó található. A be- és kimenetek A kódú M12-es csatlakozódugókkal vannak megoldva, a helyi sínhez csatlakozás pedig D kódú M12-es csatlakozódugókon keresztül történik.
• A DIN sínes típusok csavaros csatlakozókkal vagy a vezetéket benyomva csatlakoztatható csatlakozókkal kaphatóak.
• Védettségi szintek: az önálló típusok IP67-es, a DIN sínes típusok pedig IP20-as védettségűek (4. ábra).

4. ábra: Példák DIN-sínes (balra) és önálló (jobbra) IO-Link központi egységekre (kép: Pepperl+Fuchs)

OPC UA MultiLink kapcsolatot használó IO-Link központi egységek például a következők:

• Az ICE2-8IOL1-G65L-V1D egy önálló, EtherNet/IP és Modbus protokollos IO-Link központi egység négy IO-Link A osztályú porttal, amelyek akár 200 mA áramot is képesek szolgáltatni a csatlakoztatott eszközök számára, valamint négy IO-Link B osztályú porttal a nagyobb teljesítményű, saját független áramellátással rendelkező eszközök számára.
• Az ICE2-8IOL-K45P-RJ45 egy DIN sínes, EtherNet/IP protokollos IO-Link központi egység nyolc be- és kimenettel és a vezetéket benyomva csatlakoztatható csatlakozókkal.
• Az ICE3-8IOL1-G65L-V1D egy önálló, PROFINET és Modbus protokollos IO-Link központi egység 4 IO-Link A osztályú és 4 IO-Link B osztályú porttal.
• Az ICE3-8IOL-K45S-RJ45 egy DIN sínes, PROFINET protokollos IO-Link központi egység nyolc be- és kimenettel és csavaros csatlakozókkal.

Elosztók és átalakítók a hálózat bővítéséhez

Az IO-Link-elosztók elősegítik az érzékelőkből, működtetőelemekből és egyéb eszközökből álló hálózatok bővítését. Az IO-Link-elosztók lehetővé teszik több digitális érzékelő és működtetőelem csatlakoztatását egy IO-Link központi egységhez, szabványos érzékelőkábelek segítségével. Az ICA-16DI-G60A-IO IO-Link-elosztó például akár 16 digitális pnp-bemenetet is képes kezelni, és mindegyik porthoz külön-külön állítható be a logikai szint. A csatlakoztatott IO-Link központi egység képességeitől függően ez az elosztó akár 500 mA áramot is képes szolgáltatni a csatlakoztatott eszközöknek. IP65, IP67 és IP69K védettséggel kapható.

Ha analóg kimenetű érzékelőt kell IO-Link-hálózathoz csatlakoztatni, a tervezők használhatják az ICA-AI-I/U-IO-V1 IO-Link-átalakítót, amely analóg bemenetén áramot és feszültséget is tud fogadni, és IO-Link-kimenőjelet ad ki. IP67-es védettségű, és a bemenet a következőképpen állítható be:

• az árambemenet 0–20 mA vagy 4–20 mA értékűre
• a feszültségbemenet –10 V – +10 V vagy 0–10 V értékűre

IO-Link-eszközkínálat

Szinte minden ipari folyamathoz elérhető valamilyen IO-Link-eszközökből álló átfogó ökorendszer, beleértve az érzékelési és vezérlési igényeket is. A Pepperl+Fuchs IO-Link-termékválasztékában megtalálhatók az induktív közelségérzékelők, az induktív helyzetbeállító rendszerek, a fotocellás érzékelők, az ultrahangos érzékelők, a rezgésérzékelők, a forgókódolók és az azonosítórendszereket is (5. ábra). Néhány példa ezekre:

• A VDM28 távolságmérő eszköz impulzusos távolságmérő technikát (PRT, Pulse Ranging Technology) használ, amely 5 mm-es ismétlési pontosságra képes 0,2–15 m működési tartományban, és 25 mm-es abszolút pontosságra.
• Az IUT-F191-IO-V1-FR2-02 RFID-író-olvasó készüléket ipari felhasználási területekre optimalizálták, körülbelül 1 méteres távolságig. A készülék az ISO/IEC 18000-63 szabvány alapján olvassa és írja a passzív címkéket.

5. ábra: Az elérhető IO-Link-eszközök széles választékát bemutató példa (ábra: Pepperl+Fuchs)

USB-s központi egység az IO-Link-eszközök üzembe helyezéséhez

Amikor az IO-Link-eszközök telepítésére és üzembe helyezésére kerül a sor, a hálózati szakemberek rendelkezésére áll az IO-LINK-MASTER02-USB (6. ábra). Ez az USB-s központi egység IO-Link-eszközöknek a számítógép USB-portjához csatlakoztatására alkalmas. Úgy tervezték, hogy a tesztelési, beállítási és szervizelési tevékenységeket segítse. A csatlakoztatott eszközök beállíthatók és paraméterezhetők. A készülék lehetőséget ad az eszközdiagnosztikára is. A kis áramfelvételű eszközök közvetlenül az USB-s központi egységről kaphatnak áramellátást. A nagyobb teljesítményigényű eszközöket külön beszerezhető külső tápegységhez lehet csatlakoztatni.

6. ábra: Ez az USB-s IO-Link központi egység a hálózati telepítések felgyorsítása érdekében számítógéphez csatlakoztatható (kép: Pepperl+Fuchs)

Összegzés

Azzal, hogy az IO-Link központi egységet ellátták OPC UA párhuzamos csatlakozási lehetőséggel, drámaian megváltoztak az Ipar 4.0-s hálózatokkal foglalkozó tervezők rendelkezésére álló lehetőségek. Mostantól lehetőség nyílik a hálózati architektúra egyszintűvé tételére, és közvetlen kapcsolatot lehet létrehozni a gyárban lévő IO-Link-eszközök és a felhő között. Az új technika különböző módokon használható fel a működési hatásfok javítására.