Optimalisatie van Industry 4.0-communicatiearchitecturen met behulp van multiprotocol I/O-hubs en converters

Communicatieprotocollen zijn belangrijk voor de ondersteuning van realtime gegevensoverdracht en besturing in Industry 4.0- en Industrial Internet of Things-netwerken (IIoT). Sensors, actuators, motoraandrijvingen en controllers hebben allemaal specifieke communicatiebehoeften. Er is geen "one size fits all" communicatieprotocol.

Hoewel geen enkel protocol geschikt is voor elke toepassing, moeten verschillende apparaten vaak worden gekoppeld. Sensoren moeten worden gekoppeld aan controllers en controllers moeten verbinding maken met verschillende systeemelementen die verschillende protocollen gebruiken, zoals IO-Link, Modbus en meerdere vormen van Ethernet.

In veel gevallen moet de hele machine verbinding maken met de cloud. Dat resulteert in complexe communicatiearchitecturen met een groot aantal protocollen. Om die uitdaging aan te gaan, kunnen machineontwerpers zich wenden tot multiprotocol input/output (I/O) masters, hubs en convertors.

Dit artikel begint met een overzicht van veelgebruikte Industry 4.0-communicatieprotocollen en waar ze passen in de netwerkhiërarchie. Vervolgens wordt een reeks I/O-masters, hubs en converters van Banner Engineering gepresenteerd, hun werking besproken en hoe ze complexe Industry 4.0- en IIoT-communicatiearchitecturen kunnen faciliteren.

Wat is het OSI-model met zeven lagen?

Netwerkcommunicatieprotocollen worden vaak beschreven in de context van het OSI-model (Open Systems Interconnection) met zeven lagen. Het model begint met drie medialagen die hardwareoverwegingen behandelen, zoals fysieke, datalink- en netwerkverbindingen.

Het adresseren van gegevens is de focus van de volgende drie lagen, die de transport-, sessie- en presentatieprocessen omvatten.

Het zevende niveau van het model is de applicatielaag, die de interface vormt tussen de gebruiker en het netwerk. Protocollen zoals Modbus en PROFINET bevinden zich in deze laag. Het OSI-model is meer losjes gerelateerd aan andere protocollen zoals EtherNet/IP.

In het geval van EtherNet/IP omvat de toepassingslaag processen zoals webtoegang (HTTP), e-mail (SMTP), bestandsoverdracht (FTP), enz. De drie hostlagen implementeren de TCP/IP-processen (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) voor het tot stand brengen van sessies, het uitvoeren van foutcorrecties, enz. De medialagen omvatten de fysieke 10 Base-T verbinding en de implementatie van de Ethernet datalink en netwerkverbindingen (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Hoe EtherNet/IP zich verhoudt tot het OSI-model met zeven lagen. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Waar past IO-Link in dit plaatje?

IO-Link is een single-drop digitale communicatie-interface (SDCI) voor kleine sensors, actuators en vergelijkbare apparaten. Het breidt bidirectionele communicatie uit naar individuele apparaten op de fabrieksvloer. Het is gespecificeerd in IEC 61131-9 en is ontworpen om compatibel te zijn met industriële netwerkarchitecturen op basis van Modbus, PROFIBUS, EtherNet/IP, enz.

IO-Link maakt gebruik van een masterapparaat om IO-Link-apparaten te verbinden met protocollen van een hoger niveau, zoals Modbus, die verbindingen bieden met apparaten die gegevens verbruiken, zoals programmeerbare logische controllers (PLC's), mens-machine-interfaces (HMI's), een clouddataservice (CDS), enzovoort. Op het laagste niveau gebruikt IO-Link Hubs om meerdere apparaten samen te voegen en de gegevens naar een masterapparaat te sturen. Daarnaast kan een analoge spanning naar de IO-Link-convertor worden gebruikt om analoge sensoren toe te voegen aan het IO-Link-netwerk (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: IO-Link-convertors, -hubs en -masters kunnen gegevens van veldapparaten verzamelen en doorsturen naar gegevensverbruikers zoals PLC's, HMI's en CDS. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Waarom IO-Link combineren met andere protocollen?

Mass customization en flexibele productieprocessen zijn kenmerkend voor Industrie 4.0. Door IO-Link te combineren met andere protocollen kan de flexibiliteit en veelzijdigheid van Industry 4.0-fabrieken worden vergroot. De voordelen van IO-Link zijn onder andere:

• Modbus heeft beperkte ondersteuning voor analoge apparaten zoals bepaalde sensoren, terwijl IO-Link compatibel is met zowel digitale als analoge apparaten.
• Meer fabrieksautomatisering en -uitbreiding kan worden vergemakkelijkt met behulp van een gateway die zowel IO-Link als protocollen op een hoger niveau ondersteunt, zoals Modbus TCP of EtherNet/IP, en die kan functioneren als brug tussen een sensornetwerk op veldniveau en een backbone voor industriële netwerkcommunicatie.
• IO-Link verhoogt de operationele efficiëntie door een gestandaardiseerd, uniform configuratieproces voor alle sensoren en kan worden gebruikt om defecte sensoren automatisch te vervangen wanneer een identiek model wordt gebruikt.
• De gegevensverzameling en communicatiemogelijkheden van IO-Link bieden een beter inzicht in de werking van individuele sensoren en verspreide sensornetwerken en versnellen de gegevens naar een PLC en de cloud.

Hoe combineer je Modbus en IO-Link?

Een van de eerste hulpmiddelen om te overwegen is een hybride I/O Modbus hub zoals de 8-poorts bimodal to Modbus R95C-8B21-MQ. Deze discrete bimodale naar Modbus hub verbindt twee discrete kanalen met elk van de acht unieke poorten en biedt toegang tot het bewaken en configureren van die poorten via Modbus-registers.

Hybrid I/O Modbus hubs zijn verkrijgbaar met vier configureerbare analoge ingangen (spanning of stroom) en vier analoge uitgangen, plus acht configureerbare PNP (sourcing) of NPN (sinking) discrete ingangen en uitgangen voor meer flexibiliteit in de toepassing.

DXMR90-X1 industriële controllers kunnen worden gebruikt als platform voor IIoT-oplossingen. Ze kunnen gegevens uit meerdere bronnen consolideren voor lokale gegevensverwerking en toegankelijkheid. De DXMR90 bevat individuele Modbus clients die gelijktijdige communicatie naar maximaal vijf onafhankelijke seriële netwerken ondersteunen.

De DXMR90-X1 bevat één vrouwelijke M12 D-Code Ethernet-connector en vier vrouwelijke M12-aansluitingen voor Modbus-masterverbindingen. Andere DXMR90-modellen zijn verkrijgbaar met twee vrouwelijke M12 D-Code Ethernet-connectors en vier vrouwelijke M12-aansluitingen voor Modbus client-aansluitingen of met één vrouwelijke M12 D-Code Ethernet-connector en vier vrouwelijke M12-connectors voor IO-Link-masteraansluitingen.

Alle DXMR90-controllers bevatten ook een mannelijke M12 (poort 0) voor inkomende voeding en Modbus RS-485 en een vrouwelijke M12 voor het in serie schakelen van poort 0-signalen. Extra functies van de DXMR90-X1 zijn onder andere (Afbeelding 3):

• Converteert Modbus RTU naar Modbus TCP/IP, EtherNet/IP of Profinet.
• Interne logica gedreven door actieregels voor eenvoudig programmeren, of MicroPython en ScriptBasic voor het ontwikkelen van complexere oplossingen
• Ondersteuning voor internetprotocollen, inclusief RESTful en MQTT
• Zeer geschikt voor IIoT-gegevensanalyse, conditiebewaking, voorspellend onderhoud, OEE-analyse (overall equipment effective), diagnostiek en probleemoplossing.

Afbeelding 3: De DXMR90-X1-controller kan worden gebruikt in combinatie met de R95C hybride I/O Modbus-hub. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Wat is multiprotocolondersteuning?

De DXMR110-8K 8-poorts IO-Link-master is een compacte, multiprotocol smart controller die IO-link en discrete gegevens van meerdere bronnen consolideert, verwerkt en distribueert. Verbindingen zijn onder andere:

• Twee vrouwelijke M12 D-Code Ethernet-connectors voor serieschakeling en communicatie met een besturingssysteem van een hoger niveau
• Acht vrouwelijke M12-aansluitingen voor IO-Link-apparaten
• Eén mannelijke M12 voor inkomende stroom en één vrouwelijke M12 voor serieschakeling.

De DXMR110 ondersteunt cloudconnectiviteit en beschikt over geavanceerde programmeerfuncties. ScriptBasic en programmering van actieregels kunnen worden gebruikt om aangepaste scripts en logica te maken en te implementeren voor geoptimaliseerde automatiseringsprocessen.

De interne verwerkingskracht van de DXMR110 kan worden gebruikt om gegevensverwerking naar de rand te verplaatsen, waardoor er minder hardware nodig is in de schakelkast en er geen I/O-kaarten meer nodig zijn op een PLC. Geïntegreerde cloudconnectiviteit kan gegevens overal ter wereld toegankelijk maken. Tot slot vereenvoudigt de IP67-behuizing de installatie op elke locatie doordat er geen schakelkast nodig is (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De DXMR110-8K 8-poorts IO-Link-master is een intelligente controller met meerdere protocollen. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Er is meer

De tot nu toe gepresenteerde apparaten zijn niet de enige opties voor het implementeren van multiprotocol industriële communicatieoplossingen. Machineontwerpers kunnen een reeks externe I/O-blokken van Banner Engineering gebruiken om het systeemontwerp, de ruimte-efficiëntie en de prestaties te optimaliseren.

Banner biedt in-line converters en masters met een overgegoten ontwerp dat voldoet aan de IP-specificaties IP65, IP67 en IP68. De R45C-serie in-line convertors en masters bieden een gateway voor het aansluiten van IO-Link-apparaten op een IIoT netwerk of systeemcontrollers die gebruik maken van het Modbus RTU-protocol. Model R45C-2K-MQ verbindt twee IO-Link apparaten met een Modbus RTU-interface.

Wanneer analoge signalen nodig zijn, kunnen ontwerpers zich wenden tot de R45C-MII-IIQ Modbus voor een dubbele analoge in-line I/O-convertor. Functies zijn onder andere:

• Analoog in. Als de convertor een analoge ingang ontvangt, stuurt hij de numerieke weergave van de waarde naar het bijbehorende Modbus-register. Hij kan analoge ingangen aan van 0 tot 11.000 mV of 0 tot 24.000 µA.
• Analoog uit. De convertor voert een analoge waarde uit die overeenkomt met een numerieke invoer. Analoge uitgangen kunnen variëren van 0 tot 11.000 mV of 0 tot 24.000 µA.
• Procesgegevenswaarden buiten het geldige bereik (POVR) kunnen ook worden gedetecteerd en verwerkt, en de converter stuurt een signaal naar het systeem.

Wanneer een enkele analoge ingang moet worden geconverteerd naar een IO-Link-signaal, kunnen ontwerpers de S15C-I-KQ gebruiken. Deze cilindrische analoge stroom naar IO-Link-convertor wordt aangesloten op een 4 tot 20 mA stroombron en voert de overeenkomstige waarde uit naar een IO-Link-master.

Banner biedt diverse Modbus RTU I/O-blokken die de aansluiting van meerdere analoge en discrete apparaten op een Modbus- of IO-Link-netwerk ondersteunen. Ze kunnen gemengd of gecombineerd worden om flexibele systeemontwerpen en interoperabiliteit te ondersteunen (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Voorbeelden van vormfactoren en configuraties van Banner's remote I/O-oplossingen voor IO-Link-integratie. (Bron afbeelding: DigiKey)

Kunnen draadloze protocollen worden geïntegreerd?

De Sure Cross DSX80 Performance draadloze I/O-netwerkoplossing van Banner maakt draadloze connectiviteit mogelijk. Hij kan onafhankelijk worden gebruikt of worden aangesloten op een host-PLC via Modbus of een pc of tablet. De basissysteemarchitectuur bestaat uit een gateway en een of meer knooppunten (afbeelding 6).

Afbeelding 6: Banners Sure Cross DSX80 Performance draadloze I/O-netwerkoplossing bestaat uit een gateway en een of meer sensorknooppunten. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Het implementeren van een draadloos Sure Cross DX80 Performance-netwerk omvat drie elementen: de netwerktopologie, de master- en slave-relaties en de TDMA-architectuur (Time Division Multiple Access).

Er wordt een stertopologie gebruikt waarbij de master een aparte verbinding met elk knooppunt onderhoudt. Als de verbinding tussen een knooppunt en de master wegvalt, heeft dit geen invloed op de connectiviteit met de rest van de knooppunten.

Een gateway zoals de DX80G2M6-QC is het masterapparaat en initieert alle communicatie met de slaveapparaten. Een gateway die gebruikmaakt van een Modbus RTU RS-485-verbinding fungeert als slave van een Modbus RTU-hostcontroller. Een enkel draadloos netwerk kan tot 47 slaveknooppunten bevatten.

Slave-apparaten kunnen draadloze knooppunten zijn zoals het DX80N9Q45DT dubbele thermistor temperatuursensorknooppunt, het DX80N9Q45PS150G druksensorknooppunt of trillings- en vochtigheidssensors.

Slave-apparaten kunnen geen communicatie starten met de gateway of met elkaar communiceren. Een seriële dataradio zoals de DX80SR9M-H kan worden toegevoegd om het netwerkbereik uit te breiden voor fysiek grote installaties.

TDMA is de sleutel tot het combineren van robuuste connectiviteit met minimaal energieverbruik. De TDMA-controller in de gateway wijst elk knooppunt een specifieke tijd toe om gegevens te verzenden en te ontvangen. De gateway heeft altijd apparaat-ID nummer 0. Knooppunten kunnen in willekeurige volgorde genummerd worden met behulp van apparaat-ID's 1 tot en met 47.

Het instellen van specifieke communicatietijden voor individuele knooppunten optimaliseert de efficiëntie door de mogelijkheid van conflicten tussen knooppunten te elimineren. Het stelt knooppunten ook in staat om tussen communicaties in een spaarstand te gaan en pas op het toegewezen tijdstip wakker te worden. Door de radio tussen transmissies uit te schakelen, bespaar je energie en verleng je de levensduur van nodes die op batterijen werken.

Conclusie

Toegang tot meerdere communicatieprotocollen, zoals IO-Link, Modbus, EtherNet/IP, enzovoort, is noodzakelijk om de efficiënte werking van Industry 4.0- en IIoT-netwerken te ondersteunen. Banner Engineering biedt ontwerpers een uitgebreide selectie IO-Link-hubs, -convertors en -masters in verschillende vormfactoren ter ondersteuning van geoptimaliseerde communicatieoplossingen.