Senzory, akční členy, motorové pohony a ovladače mají specifické komunikační potřeby. V průmyslové automatizaci je nutné propojit zařízení komunikující různými protokoly s různými rychlostmi a to i v reálném čase. Výsledkem jsou složité komunikační architektury s nesčetným množstvím protokolů. S tímto problémem se lze vypořádat jedině použitím multiprotokolových rozbočovačů a převodníků. Tento článek začíná přehledem běžných komunikačních protokolů v Průmyslu 4.0 a jejich architektury. Poté představí řadu I/O masterů, rozbočovačů (hubů) a převodníků od Banner Engineering.

Sedmivrstvý model OSI

Protokoly síťové komunikace jsou často popisovány v kontextu sedmivrstvého modelu Open Systems Interconnection (OSI). Model začíná třemi vrstvami médií, které se zabývají hardwarem jako je fyzické připojení, datové spojení a síťové připojení. Adresování dat je úkolem dalších tří vrstev, které zahrnují procesy přenosu, relace a prezentace. Sedmou úrovní je vrstva aplikační, která poskytuje rozhraní mezi uživatelem a sítí. V této vrstvě jsou umístěny protokoly Modbus a PROFINET. Model OSI souvisí i s jinými protokoly jako je například EtherNet/IP. V případě EtherNet/IP aplikační vrstva zahrnuje procesy jako je webový přístup (HTTP), e-mail (SMTP), přenos souborů (FTP) a další. Tři hostitelské vrstvy implementují Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) procesy pro vytváření relací, provádění oprav chyb atd. Vrstva médií zahrnuje fyzické připojení 10 Base-T, Ethernet data link a síťovou konektivitu (obrázek 1).

Obrázek 1: Souvislost EtherNet/IP se sedmivrstvým modelem OSI. (Zdroj obrázku: Banner Engineering)

Kam patří IO-Link?

IO-Link je digitální komunikační rozhraní SDCI (Single-Drop Digital Communication System) určené pro malé senzory, akční členy a podobná zařízení. Rozšiřuje obousměrnou komunikaci až na jednotlivá zařízení v architektuře průmyslové sítě. Je specifikován v IEC 61131-9 a je navržen tak, aby byl kompatibilní s průmyslovými síťovými architekturami Modbus, PROFIBUS či EtherNet/IP. IO-Link používá hlavní zařízení (Master Device) k připojení zařízení IO-Link k protokolu vyšší úrovně jako je například Modbus. Díky tomu lze připojit programovatelné logické řadiče (PLC), HMI zařízení, různé cloudové služby atd. Na nejnižší úrovni používá IO-Link rozbočovače (huby) k ​​agregaci více zařízení a dodávání dat do hlavního zařízení (Master Device). IO-Link hub je schopný připojit i analogové senzory do sítě IO-Link (obrázek 2).

Obrázek 2: Převodníky, rozbočovače (huby) a mastery IO-Link shromažďují data z provozních zařízení (senzorů) a předávat je do PLC, HMI či cloudových služeb. (Zdroj obrázku: Banner Engineering)

Proč kombinovat IO-Link s jinými protokoly?

Flexibilní výrobní procesy jsou charakteristickými rysy Průmyslu 4.0. Kombinace IO-Link s dalšími protokoly zvyšuje flexibilitu a všestrannost továren. Mezi výhody IO-Linku patří:

• Modbus neumožňuje připojit analogové senzory, zatímco IO-Link je kompatibilní s digitálními i analogovými zařízeními.
• Rozšíření automatizace v továrně lze usnadnit pomocí brány, která podporuje jak IO-Link, tak protokoly vyšší úrovně jako je Modbus TCP nebo EtherNet/IP. IO-Link Funguje jako most mezi senzorovou sítí a komunikační páteří průmyslové sítě.
• IO-Link zvyšuje provozní efektivitu tím, že poskytuje standardizovaný, jednotný konfigurační proces pro všechny senzory a lze jej použít k automatické výměně vadných senzorů při použití identického modelu.
• Sběr dat a komunikační schopnosti IO-Linku poskytují lepší přehled o provozu jednotlivých senzorů a zvyšují rychlost přenosu data až do PLC nebo cloudu.

Kombinace Modbus a IO-Link

Jedním z prvních nástrojů, které je třeba zvážit použít pro rozšíření sítě je hybridní I/O rozbočovač Modbus jako je 8 portový R95C-8B21-MQ. Tento diskrétní bimodální rozbočovač nabízí dva samostatné diskrétní kanály ke každému z osmi jedinečných portů a poskytuje přístup k monitorování a konfiguraci těchto portů prostřednictvím registrů Modbus. Hybridní I/O rozbočovače Modbus jsou k dispozici se čtyřmi konfigurovatelnými analogovými vstupy (napěťový nebo proudový) a čtyřmi analogovými výstupy, plus osmi konfigurovatelnými diskrétními vstupy a výstupy PNP (sourcing) nebo NPN (sinking) ke zvýšení flexibility systému.

Průmyslové kontroléry DXMR90-X1 lze použít jako platformu pro řešení IIoT. Jsou schopny sbírat data z více zdrojů pro lokální zpracování dat. DXMR90 obsahuje jednotlivé Modbus klienty podporující současnou komunikaci až do pěti nezávislých sériových sítí. DXMR90-X1 obsahuje jeden ethernetový konektor M12 D-Code a čtyři vstupní konektory M12 pro hlavní připojení protokolu Modbus. Ostatní modely DXMR90 jsou k dispozici se dvěma konektory M12 D-Code Ethernet konektory a čtyřmi konektory M12 pro připojení klienta Modbus nebo s jedním konektorem M12 D-Code Ethernet a čtyřmi konektory M12 pro hlavní připojení IO-Link. 

Všechny kontroléry DXMR90 obsahují jeden konektor M12 – male (Port 0) pro vstupní napájení a Modbus RS-485 a jeden konektor M12 - female pro řetězení signálů na Port 0. Mezi další funkce DXMR90-X1 patří (obrázek 3):

• Převod Modbus RTU na Modbus TCP/IP, EtherNet/IP nebo Profinet
• Interní logika řízená pravidly akcí pro snadné programování nebo MicroPython a ScriptBasic pro vývoj složitějších řešení
• Podpora internetových protokolů, včetně RESTful a MQTT
• Je vhodný pro analýzu dat IIoT, monitorování stavu, prediktivní údržbu, analýzu celkové efektivity zařízení (OEE), diagnostiku a odstraňování problémů

Obrázek 3: Průmyslový kontrolér DXMR90-X1 lze použít ve spojení s hybridním I/O Modbus hubem R95C. (Zdroj obrázku: Banner Engineering)

Co znamená podpora více protokolů?

DXMR110-8K je 8 portový IO-Link master je kompaktní multiprotokolový inteligentní řadič, který slučuje, zpracovává a distribuuje IO-link a diskrétní data z více zdrojů. Obsahuje následující možnosti připojení:

• Dva ethernetové konektory M12 D-Code pro řetězení a komunikaci s nadřazeným řídicím systémem
• Osm konektorů M12 – female pro připojení zařízení IO-Link
• Jeden konektor M12 - male pro vstupní napájení a jeden konektor M12 – female pro napájení daisy chaining

DXMR110 podporuje cloudové připojení a obsahuje pokročilé programovací funkce. ScriptBasic a programování pravidel podle jednotlivých akcí lze použít k vytváření a implementaci vlastních skriptů a logiky pro optimalizované procesy automatizace. Interní výpočetní výkon DXMR110 lze využít ke zpracování dat lokálně jako Egde zařízení, čímž se minimalizuje hardware v hubu a eliminují se I/O karty na PLC. Integrovaná cloudová konektivita zpřístupňuje data odkudkoli na světě. Navíc kryt IP67 umožňuje instalaci na jakémkoli místě (obrázek 4).

Obrázek 4: DXMR110-8K je 8 portový IO-Link master čili multiprotokolový inteligentní kontrolér. (Zdroj obrázku: Banner Engineering)

Dosud představená zařízení nejsou jedinou možností implementace multiprotokolových řešení průmyslové komunikace. Lze využít řadu vzdálených I/O bloků od Banner Engineering k optimalizaci systému, efektivity a výkonu. Banner Engineering nabízí in-line převodníky a mastery, které splňují požadavky na IP65, IP67 a IP68. In-line převodníky a mastery řady R45C poskytují bránu pro připojení zařízení IO-Link k síti IIoT nebo systémovým kontrolérům pomocí protokolu Modbus RTU. Model R45C-2K-MQ umožňuje připojit dvě zařízení IO-Link k rozhraní Modbus RTU. Pokud je nutné připojit analogové senzory je možné využít R45C-MII-IIQ pro duální analogový in-line I/O převodník. R45C-MII-IIQ nabízí:

• Analogový vstup - když převodník přijme analogový signál, odešle číselnou reprezentaci hodnoty do odpovídajícího registru Modbus. Může přijímat analogové signály od 0 do 11 000 mV nebo 0 až 24 000 µA.
• Analogový výstup - převodník vygeneruje analogovou hodnotu odpovídající číselné hodnotě na vstupu. Analogový výstup může být v rozsahu 0 až 11 000 mV nebo 0 až 24 000 µA.
• Hodnoty procesních dat mimo platný rozsah (POVR) lze také detekovat a zpracovat. V tomto případě vyšle příslušný signál do systému.

Pokud je nutné převést jeden analogový vstup na signál IO-Link, lze k tomuto účelu použít S15C-I-KQ. Tento analogový převodník proudu na IO-Link se připojuje ke zdroji proudu 4 až 20 mA a předává odpovídající hodnotu na IO-Link master. Banner Engineering nabízí řadu I/O bloků Modbus RTU, které podporují připojení analogových a diskrétních zařízení k síti Modbus nebo IO-Link. Lze je kombinovat tak, aby podporovaly flexibilní návrhy systémů a interoperabilitu (obrázek 5).

Obrázek 5: Příklady konfigurací vzdálených I/O modulů Banner Engineering pro integraci IO-Link. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Lze integrovat i bezdrátové protokoly?

Banner Sure Cross DSX80 Performance umožňuje bezdrátové připojení. Lze ho použit nezávisle nebo aby byl připojen k hostitelskému PLC pomocí Modbus nebo počítače či tabletu. Základní architektura systému obsahuje bránu a jeden nebo více uzlů (obrázek 6).

Obrázek 6: Bezdrátové I/O síťové řešení Banner Sure Cross DSX80 Performance obsahuje bránu a jeden nebo více senzorových uzlů. (Zdroj obrázku: Banner Engineering)

Bezdrátová síť Sure Cross DX80 Performance zahrnuje tři prvky: topologii sítě, vztah mezi master a slave a TDMA architekturu. Používá se hvězdicová topologie, kde master udržuje samostatné spojení s každým uzlem. Pokud selže spojení mezi uzlem a hlavním uzlem, nebude tak připojení s ostatními uzly ovlivněno. Brána jako je například DX80G2M6-QC je hlavním zařízením v bezdrátové síti a zahajuje veškerou komunikaci s podřízenými zařízeními. Brána, která používá připojení Modbus RTU RS-485, funguje jako slave Modbus RTU. Jedna bezdrátová síť může zahrnovat až 47 podřízených uzlů. Slave zařízeními mohou být bezdrátové snímače teploty s dvojitým termistorem DX80N9Q45DT nebo snímač tlaku, vibrací a vlhkosti DX80N9Q45PS150G.

Slave zařízení nemohou zahájit komunikaci s bránou ani komunikovat mezi sebou. Pro rozšíření rádiového signálu lze použít DX80SR9M-H, aby se rozšířilo pokrytí sítě pro fyzicky velké instalace. TDMA je klíčem ke kombinaci robustní konektivity s minimální spotřebou energie. Řadič TDMA v bráně přiděluje každému uzlu konkrétní čas pro odesílání a přijímání dat. Brána má vždy ID zařízení 0. Uzly mohou být číslovány v libovolném pořadí pomocí ID zařízení 1 až 47. Nastavením specifických komunikačních časů pro jednotlivé uzly se optimalizuje efektivita tím, že se eliminuje možnost konfliktů mezi uzly. Umožňuje také uzlům vstoupit do stavu nízké spotřeby mezi komunikacemi a probouzet se pouze v určený čas. Vypnutí rádiového vysílání mezi přenosy se šetří energie a prodlužuje se provozní životnost baterie.

Závěr

Přístup k více komunikačním protokolům jako je IO-Link, Modbus, EtherNet/IP, je nezbytnou funkcí pro efektivní provoz sítí Průmyslu 4.0 a IIoT. Banner Engineering poskytuje komplexní portfolio IO-Link rozbočovačů (hubů), převodníků a masterů v různých variantách k sestavení moderní flexibilní průmyslové sítě.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com