Az Ipar 4.0-s kommunikációs architektúrák optimalizálása többprotokollos be- és kimeneti gyűjtődobozok és átalakítók segítségével

A kommunikációs protokollok fontos szerepet játszanak az Ipar 4.0-s és az ipari dolgok internetére kapcsolódó (IIoT, Industrial Internet of Things) eszközök alkotta hálózatokban a valós idejű adatátvitel és vezérlés támogatásában. Az érzékelőknek, működtetőelemeknek, villanymotor-vezérlőknek és vezérlőegységeknek mind sajátos kommunikációs igényeik vannak. Nincs mindenhez egyformán alkalmas kommunikációs protokoll.

Bár nem létezik egy olyan protokoll, amely minden felhasználási terület követelményeinek megfelel, gyakran különböző eszközöket kell összekapcsolni. Az érzékelőket vezérlőegységekhez kell kapcsolni, a vezérlőegységeknek pedig különböző rendszerelemekhez kell kapcsolódniuk, amelyek különböző protokollokat használnak, például IO-Linket, Modbust vagy az Ethernet többféle formáját.

Sok esetben az egész gépnek kapcsolódnia kell a felhőhöz. Ez bonyolult kommunikációs architektúrákat eredményez, számtalan protokollal. Ennek a kihívásnak a leküzdésére a géptervezők használhatnak többprotokollos be- és kimeneti (I/O) központi egységeket (master), gyűjtődobozokat (hub) és átalakítókat.

Ez a cikk az elterjedt Ipar 4.0-s kommunikációs protokollok áttekintésével kezdődik, és ismerteti, hogy hol helyezkednek el ezek a hálózati hierarchiában. Ezután bemutatja példaként a Banner Engineering néhány be- és kimeneti központi egységét, gyűjtődobozát és átalakítóját, áttekinti a működésüket, és leírja, hogyan segíthetik ezek elő az összetett Ipar 4.0-s és IIoT kommunikációs architektúrákat.

Mi az OSI hétrétegű modellje?

A hálózati kommunikációs protokollokat gyakran az OSI (Open Systems Interconnection, nyílt rendszerek összekapcsolása) hétrétegű modelljét felhasználva írják le. A modell három közvetítőréteggel (media layer) kezdődik (fizikai réteg, adatkapcsolati réteg, hálózati réteg), amelyek a hardveres részeket, például a fizikai, az adat- és a hálózati kapcsolatokat kezelik.

A következő három réteg (szállítási réteg, viszonylati réteg, megjelenítési réteg) középpontjában az adatok címzése áll. Ez a három réteg a szállítási, a viszonylati és a megjelenítési folyamatokat foglalja magában.

A modell hetedik szintje az alkalmazási réteg, amely a felhasználó és a hálózat közötti illesztőfelületet biztosítja. Az olyan protokollok, mint a Modbus és a PROFINET, ebben a rétegben helyezkednek el. Az OSI modell lazán viszonyul más protokollokhoz, például az EtherNet/IP-hez.

Az EtherNet/IP esetében az alkalmazási réteg olyan folyamatokat foglal magában, mint a webes hozzáférés (HTTP), az e-mail (SMTP), a fájlátvitel (FTP) stb. A munkamenetek létrehozásához, a hibajavításokhoz stb. szükséges TCP/IP-folyamatok a három hordozórétegben (host layer) valósulnak meg. A fizikai 10 Base-T-kapcsolat, valamint az Ethernet-adatkapcsolat és a hálózati kapcsolatok megvalósítása a közvetítőrétegekben megy végbe (1. ábra).

1. ábra: Az EtherNet/IP viszonya az OSI hétrétegű modelljéhez (ábra: Banner Engineering)

Hová illik az IO-Link protokoll?

Az IO-Link egy kis méretű érzékelőkhöz, működtetőelemekhez és más hasonló eszközökhöz szánt, egyetlen eszköz csatlakoztatására alkalmas digitális kommunikációs illesztőfelület (SDCI, single-drop digital communication interface). A kétirányú kommunikációt egészen a gyárüzemben lévő egyes eszközökig terjeszti ki. Az IEC 61131-9 szabványban van meghatározva, és úgy tervezték, hogy kompatibilis legyen a Modbus-, a PROFIBUS-, az EtherNet/IP- stb. alapú ipari hálózati architektúrákkal.

Az IO-Link egy központi (master) egység segítségével csatlakoztatja az IO-Link-eszközöket a magasabb szintű protokollokhoz, mint a Modbus, amelyek kapcsolatot teremtenek olyan adatfogyasztó eszközökkel, mint a PLC-k (programmable logic controller, programozható logikai vezérlő), a kezelőfelületek (HMI, human-machine interface), a felhőalapú adatszolgáltatás (CDS, cloud data service) stb. A legalacsonyabb szinten az IO-Link rendszer gyűjtődobozokat használva egyesít több eszközt. A gyűjtődobozok aztán az adatokat egy központi egységbe továbbítják. Ezenkívül az IO-Link-átalakítók digitálissá alakítják az analóg feszültséget, ennélfogva analóg érzékelők IO-Link-hálózathoz való hozzáadására használhatók (2. ábra).

2. ábra: Az IO-Link-átalakítók, -gyűjtődobozok és központi egységek képesek adatokat gyűjteni a helyi eszközökből, és továbbítani azokat az adatfogyasztóknak, például PLC-knek, kezelőfelületeknek és a felhőalapú adatszolgáltatásnak (ábra: Banner Engineering)

Miért érdemes az IO-Linket más protokollokkal kombinálni?

A tömeges testreszabás és a rugalmas gyártási folyamatok az Ipar 4.0 megkülönböztető jellemzői. Az IO-Link más protokollokkal való kombinálása növelheti az Ipar 4.0-s gyárak rugalmasságát és sokoldalúságát. Az IO-Link előnyei:

• A Modbus protokoll korlátozottan támogatja az analóg eszközöket, például bizonyos érzékelőket, míg az IO-Link mind a digitális, mind az analóg eszközökkel kompatibilis.
• Az IO-Linket és a magasabb szintű protokollokat, például a Modbus TCP-t vagy az EtherNet/IP-t egyaránt támogató átjáró, amely hídként szolgálhat a helyi érzékelőhálózat és az ipari hálózat kommunikációs gerinchálózata között, megkönnyíti a nagyobb mértékű gyárautomatizálást és a gyárbővítést.
• Az IO-Link növeli a működési hatékonyságot annak révén, hogy szabványos, egységes beállítási folyamatot tesz lehetővé az összes érzékelő esetében, és módot ad a hibás érzékelők azonos típusúra való automatikus cseréjére.
• Az IO-Link adatgyűjtési és kommunikációs képességei nagyobb rálátást kínálnak az egyes érzékelők, valamint a szétszórtan elhelyezkedő érzékelők alkotta hálózatok működésére, és felgyorsítják az adatok továbbítását a PLC és a felhő felé.

Hogyan kombinálható a Modbus és az IO-Link?

Az egyik első eszköz, amelynek használatát érdemes megfontolni, egy hibrid I/O Modbus-gyűjtődoboz, amilyen például a 8 portos, két üzemmódú Modbus R95C-8B21-MQ. Ez a két üzemmódú diszkrét Modbus-gyűjtődoboz két diszkrét csatornát csatlakoztat mind a nyolc egyedi porthoz, hozzáférést adva a portok Modbus-regisztereken keresztül történő felügyeletéhez és beállításához.

A hibrid I/O Modbus-gyűjtődobozoknak négy beállítható analóg bemenetük (feszültség vagy áram) és négy analóg kimenetük, valamint nyolc beállítható pnp (befolyó áramirányú) vagy npn (kifolyó áramirányú) diszkrét bemenetük és kimenetük van a nagyobb felhasználási rugalmasság érdekében.

A DXMR90-X1 ipari vezérlőegységek használhatók az ipari dolgok internetére kapcsolódó eszközök platformjaként. Több forrásból származó adatokat tudnak egyesíteni helyi adatfeldolgozás és hozzáférés céljából. A DXMR90 egyedi Modbus-ügyfeleket tartalmaz, amelyek akár öt független soros hálózattal való egyidejű kommunikációt is lehetővé tesznek.

A DXMR90-X1 egy M12 D Ethernet-aljzattal és a Modbus központi egységek csatlakozására szolgáló négy M12-es aljzattal van felszerelve. Más DXMR90-altípusok két M12 D Ethernet-aljzattal és négy Modbus-ügyfelek csatlakoztatására szolgáló M12-es aljzattal vagy egy M12 D Ethernet-aljzattal és négy IO-Link központi egységek csatlakozására szolgáló M12-es aljzattal kaphatóak.

Minden DXMR90 vezérlőegységen található egy M12-es dugasz (0. port) a bejövő áramellátás és a Modbus RS-485 csatlakoztatására, valamint egy M12-es aljzat a 0. portra csatlakoztatott áramellátás láncba kapcsolva más egységekre való továbbítására. Az DXMR90-X1 további jellemzői (3. ábra):

• A Modbus RTU protokoll átalakítása Modbus TCP/IP, EtherNet/IP vagy Profinet protokollá.
• Az egyszerű programozás érdekében műveleti szabályokkal vezérelt belső logika, illetve MicroPython és ScriptBasic az összetettebb megoldások fejlesztéséhez.
• Internetes protokollok támogatása, beleértve a RESTful és az MQTT protokollt is.
• Jól használható IIoT-adatelemzésre, állapotfigyelésre, megelőző karbantartásra, a berendezések általános hatásfokának (OEE, overall equipment effective) elemzésére, diagnosztikára és hibakeresésre.

3. ábra: A DXMR90-X1 vezérlőegység használható az R95C hibrid I/O-Modbus-gyűjtődobozzal együtt (ábra: Banner Engineering)

Mit jelent a több protokoll támogatása?

A DXMR110-8K 8 portos IO-Link központi egység egy kis méretű, több protokollt használó intelligens vezérlőegység, amely egyesíti, feldolgozza és elosztja a több forrásból származó IO-Link- és diszkrét adatokat. Csatlakozói:

• két M12 D Ethernet-aljzat a láncba kapcsoláshoz és a magasabb szintű vezérlőrendszerekkel való kommunikációhoz
• nyolc M12-es aljzat az IO-Link-eszközök csatlakoztatására
• egy M12-es dugasz a bejövő áramellátás csatlakoztatására és egy M12-es aljzat az áramellátás láncba kapcsolva más egységekre való továbbítására

A DXMR110 lehetővé teszi a felhőhöz csatlakozást, és fejlett programozási funkciókat tartalmaz. A ScriptBasic és a műveleti szabályokkal való programozás az optimalizált automatizálási folyamatokhoz alkalmas egyéni szkriptek és logika létrehozására és végrehajtására használható.

A DXMR110 belső feldolgozási teljesítménye segítségével áthelyezhető az adatfeldolgozás a helyi eszközökre, minimálisra csökkentve a vezérlőszekrényben szükséges hardver mennyiségét, és szükségtelenné téve a be- és kimeneti kártyák használatát a PLC-ben. A beépített felhőkapcsolat révén az adatok a világ bármely pontjáról elérhetőek. Végül pedig az IP67 védettségű ház a vezérlőszekrényt szükségtelenné téve egyszerűsíti a bármilyen helyre történő telepítést (4. ábra).

4. ábra: A DXMR110-8K 8 portos IO-Link központi egység egy többprotokollos intelligens vezérlőegység (ábra: Banner Engineering)

Van még tovább is

Az eddig bemutatott eszközök mellett további lehetőségek is vannak a több protokollt használó ipari kommunikációs megoldások megvalósítására. A géptervezők a Banner Engineering távoli be- és kimeneti blokkjainak széles választékát vehetik igénybe a rendszertervezés, a helytakarékosság és a teljesítmény optimalizálása érdekében.

A Banner közbeiktatható, öntött házas, IP65, IP67 és IP68 védettségű átalakítókat és központi egységeket is kínál. Az R45C sorozatú közbeiktatható átalakítók és központi egységek átjáróként szolgálnak, az ipari dolgok internetes hálózatára vagy Modbus RTU protokollt használó rendszervezérlőkhöz kapcsolva az IO-Link-eszközöket. Az R45C-2K-MQ típusú központi egység két IO-Link-eszközt csatlakoztat egy Modbus RTU-illesztőegységhez.

Ha analóg jelekre van szükség, a tervezők használhatják a közbeiktatható R45C-MII-IIQ Modbus kétcsatornás analóg I/O-Link-átalakítót. Az eszköz funkciói:

• Analóg bemenet. Amikor az átalakító analóg bemenőjelet kap, annak megfelelő digitális értéket küld a megfelelő Modbus-regiszterbe. Analóg bemenőjelet 0 és 11 000 mV, illetve 0 és 24 000 µA között képes fogadni.
• Analóg kimenet. Az átalakító a digitális bemenőjel értékének megfelelő analóg jelet ad ki. Az analóg kimenőjelek 0 és 11 000 mV, illetve 0 és 24 000 µA között lehetnek.
• Az átalakító az érvényes tartományon kívül eső folyamatadat-értékek (POVR, process data values outside the valid range) érzékelésére és feldolgozására is képes, és jelzést küld erről a rendszer felé.

Ha egyetlen analóg bemenőjelet kell IO-Link-jellé alakítani, a tervezők használhatják az S15C-I-KQ típusú átalakítót. Ez a henger alakú, analóg áramot IO-Link-jellé alakító eszköz egy 4–20 mA-es áramforráshoz csatlakozik, a kimenőjelét pedig egy IO-Link központi egységnek küldi el.

A Banner számos olyan Modbus RTU be- és kimeneti blokkot kínál, amelyek több analóg és diszkrét eszköz Modbus- vagy IO-Link-hálózathoz csatlakoztatását teszik lehetővé. A rugalmas rendszertervezés és az együttműködés támogatása érdekében ezek keverhetők egymással, illetve egymáshoz illeszthetők (5. ábra).

5. ábra: Példák a Banner IO-Link-csatlakozásra alkalmas távoli be- és kimeneti egységeinek méretére és kialakítására (kép: DigiKey)

Beépíthetőek-e a vezeték nélküli protokollok az eszközökbe?

A Banner Sure Cross DSX80 Performance vezeték nélküli be- és kimeneti hálózati megoldása vezeték nélküli csatlakozást tesz lehetővé. Használható önállóan, vagy csatlakoztatható egy központi PLC-hez Modbus, személyi számítógép vagy táblagép segítségével. A rendszer alapvető felépítésben egy átjáróból és egy vagy több csomópontból áll (6. ábra).

6. ábra: A Banner Sure Cross DSX80 Performance vezeték nélküli be- és kimeneti hálózati megoldása egy átjárót és egy vagy több érzékelő csomópontot tartalmaz (ábra: Banner Engineering)

A Sure Cross DX80 Performance vezeték nélküli hálózati megoldása három elemből áll, ezek: a hálózati elrendezés, a központi egység (master) és a helyi (slave) eszközök közti kapcsolatok és az időosztásos többszörös hozzáférésű (TDMA, time division multiple access) architektúra.

Csillagpontos elrendezést használ, ahol a központi egység minden egyes csomóponttal külön kapcsolatot tart fenn. Ha az egyik csomópont és a központi egység között megszakad a kapcsolat, a többi csomóponttal való kapcsolatot ez nem érinti.

Egy olyan átjáró, mint a DX80G2M6-QC, a központi egység szerepét tölti be, és minden kommunikációt ez kezdeményez a helyi eszközökkel. A Modbus RTU RS-485 kapcsolatot használó átjáró egy Modbus RTU központi vezérlőegységhez kapcsolódó helyi eszközként működik. Egyetlen vezeték nélküli hálózat maximum 47 helyi csomópontot tartalmazhat.

A helyi eszközök lehetnek vezeték nélküli csomópontok, mint például a DX80N9Q45DT kéttermisztoros hőmérséklet-érzékelő csomópont, a DX80N9Q45PS150G nyomásérzékelő csomópont, vagy rezgés- és páratartalom-érzékelők.

A helyi eszközök nem tudnak kommunikációt kezdeményezni az átjáróval, illetve egymással kommunikálni. A DX80SR9M-H egységhez hasonló soros adatrádióval bővíthető a hálózati lefedettség, hogy fizikailag nagy méretű létesítményekben is használni lehessen a rendszert.

Az erős kapcsolat és a minimális fogyasztás kombinálásához az időosztásos többszörös hozzáférés (TDMA) a kulcs. Az átjáróban lévő TDMA-vezérlőegység minden egyes csomóponthoz meghatározott időtartamot rendel az adatok küldésére és fogadására. Az átjárónak mindig 0 az eszközazonosító száma. A csomópontok számozása tetszőleges sorrendben történhet az 1-től 47-ig terjedő eszközazonosítók használatával.

Az egyes csomópontokhoz megadott kommunikációs időtartamok beállítása azzal optimalizálja a hatékonyságot, hogy kiküszöböli a csomópontok közötti ütközések lehetőségét. Lehetővé teszi továbbá, hogy a csomópontok két kommunikáció között kis fogyasztású állapotba kerüljenek, és csak a kijelölt időpontban éledjenek fel. A rádiónak az adások közti kikapcsolása energiát takarít meg, és meghosszabbítja az akkumulátorról működő csomópontok üzemidejét.

Összegzés

Az Ipar 4.0-s és az ipari dolgok internetére kapcsolódó hálózatok hatékony működésének elősegítéséhez szükség van az IO-Link, a Modbus, az EtherNet/IP stb. kommunikációs protokollokhoz való hozzáférésre. A Banner Engineering az optimalizált kommunikációs megoldások segítése érdekében az IO-Link-gyűjtődobozok, -átalakítók és központi egységek széles választékát kínálja a tervezőknek különböző méretekben.