Miten uudet IO-Link-masterit voivat tasapainottaa pilviyhteyden ja paikallisen ohjauksen edut Teollisuus 4.0 -tehtaissa

Pilviyhteyden ja ohjelmoitavia logiikkaohjaimia (PLC) käyttävän paikallisen ohjauksen tarpeiden tasapainottamisesta on nyt tullut teollisuusverkoissa helpompaa. Teollisuus 4.0 -verkot ovat kompleksisia ja sisältävät useita yhteystasoja tehdasympäristön IO-Linkistä kenttäväyliin, kuten koneet ja PLC-ohjaimet yhdistävä EtherNet/IP ja PROFINET, sekä pilviyhteyttä käyttävään OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) -rajapintaan.

Perinteisessä Teollisuus 4.0 -verkossa anturit, aktuaattorit ja muut laitteet käyttävät IO-Link-masteria yhteyden muodostamiseen kenttäväyläverkkoon, ja kenttäväyläverkon laitteet käyttävät OPC UA- ja muita protokollia pilviyhteyden muodostamiseen.

Kone- ja tehdasverkkojen suunnittelijat ovat nyt saaneet uuden työkalun – IO-Link-masterit – jotka yhdistävät tavanomaiset EtherNet/IP-, PROFINET- ja muut kenttäväyläyhteydet OPC UA -rajapintaan suoran pilviyhteyden muodostamiseksi. Niitä voidaan käyttää yhteyskerrosten vähentämiseen ja nopeuttamaan kriittisen datan toimitusta verkon ylimmille tasoille.

Tässä artikkelissa tarkastellaan ensin paikallisen ohjauksen ja pilviyhteyden käyttöä perinteisessä verkkoarkkitehtuurissa. Sen jälkeen artikkelissa esitellään Pepperl+Fuchsin uusien IO-Link-masterien mahdollistama matalampi arkkitehtuuri, joka sisältää kenttäväylä- ja OPC UA -yhteyden ja voi tukea useita rinnakkaisia yhteyksiä. Artikkelissa tarkastellaan myös sitä, miten uusi Ethernetin Advanced Physical Layer (APL) sopii tähän kuvioon.

Artikkelin lopuksi käsitellään tarkemmin uusia OPC UA -yhteyden tarjoavia IO-Link-mastereita ja niiden kanssa yhteensopivia verkon laajentamiseen tarkoitettuja IO-Link-keskittimiä sekä muutamia tällaisia IO-Link-laitteita ja IO-Link-USB-masterin käyttöä IO-Link-laitteiden konfigurointiin, käyttöönottoon ja vianetsintään.

Teollisuus 4.0 -tehtaat vaativat paikallisen ohjauksen ja pilviyhteyden erilaisia yhdistelmiä. Kullakin on omat etunsa. Parhaassa ratkaisussa yhdistyvät usein PLC-ohjaimet ja reunatietokoneet, jotka mahdollistavat responsiivisen paikallisen ohjauksen ja pilven käytön kompleksisten tietojen analysointiin.

PLC-ohjaimet ovat kestäviä ja suunniteltu käytettäviksi teollisuusympäristöissä. Ne ovat yleensä modulaarisia ja niitä voidaan muokata Teollisuus 4.0 -tehtaiden muuttuvien tarpeiden mukaan. PLC-ohjaimet ovat kompaktimpia ja luotettavampia kuin relepohjaiset järjestelmät, joiden korvaamiseen niitä usein käytetään. Kenties tärkeintä on, että PLC-ohjaimet voivat tukea reaaliaikaista ohjausta kriittisissä sovelluksissa niihin kytketyiltä koneilta ja antureilta saatavan suoran palautteen avulla.

Pilviyhteys tarjoaa käytännössä rajattoman tallennus- ja laskentakapasiteetin. Sen avulla voidaan yhdistää yksittäisten PLC-ohjainten ohjaamien eri sovellusten tiedot ja parantaa koko tehtaan yhdenmukaista ja optimoitua toimintaa. Pilviyhteys voi vapauttaa PLC-ohjaimet hallinnollisista tehtävistä, ja pilvilaskentapalveluja voidaan skaalata nopeasti ja kustannustehokkaasti.

Perinteinen IO-Link

IO-Link on pisteiden välinen protokolla eikä kenttäväylä. Perinteisessä Teollisuus 4.0 -verkossa IO-Link-masterit toimivat välittäjinä tehdasympäristön IO-Link-laitteiden ja kenttäväyläverkon välillä. IO-Link-masterin jokainen portti yhdistetään yhteen IO-Link-laitteeseen. IO-Link-master yhdistää ja kääntää siihen kytkettyjen IO-Link-laitteiden viestinnän ja lähettää sen kenttäväyläverkkoon.

On saatavana IO-Link-mastereita, jotka voidaan asentaa ohjauskaapin sisälle. Ne voidaan liittää kenttäväyläverkkoon etäyhteyspisteenä IP20-ympäristöluokituksella tai niitä voidaan käyttää tehdasympäristössä IP65/67-luokituksella (kuva 1). Perinteisten IO-Link-mastereiden ja pilven välillä ei ole suoraa yhteyttä; kaikki tietoliikenne pilveen kanavoidaan kenttäväylän laitteiden kautta. Nämä myös ohjaavat niiden kautta kulkevaa tietoliikennettä.

Kuva 1: Perinteinen kenttäväylään yhdistetty IO-Link-verkkosovellus. (Kuvan lähde: Pepperl+Fuchs)

Parannettu IO-Link ja rinnakkaisverkko

OPC UA -yhteyden lisääminen IO-Link-masteriin muuttaa dramaattisesti teollisten verkkoarkkitehtuurien mahdollisuuksia. Tietoliikennettä ei enää tarvitse kanavoida kenttäväylään sen välittämiseksi pilvipalveluun.

Reaaliaikaiseen ohjaukseen tarvittava aikaherkkä data voidaan edelleen syöttää kenttäväylään. Vähemmän aikaherkkä data voidaan koota yhteen ja lähettää suoraan pilvipalveluun, mikä vähentää kenttäväylän laitteiden kommunikaatiotaakkaa.

Pepperl+Fuchs kutsuu tätä uutta rakennetta ”rinnakkaiseksi” arkkitehtuuriksi, koska sitä voidaan käyttää rinnakkain teollisuudessa yleisten koneenohjausjärjestelmien kanssa. Avain tähän on yrityksen MultiLink™-teknologia, joka tukee teollisen Ethernet-kenttäväylän rinnakkaiskäyttöä yhteyksien muodostamisessa EtherNet/IP- ja MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) -protokollaa käyttäviin PLC-ohjaimiin. Tämä avoimen lähdekoodin viestiprotokolla käyttää OPC UA -arkkitehtuuria ja voi muodostaa yhteyden esineiden teollisessa internetissä (Industrial Internet of Things, IIoT) oleviin laitteisiin, kuten teollisuustietokoneisiin, SCADA-järjestelmiin (Supervisory Control and Data Acquisition) ja pilveen.

Tätä täydentää se, että MultiLinkillä varustettuihin IO-Link-mastereihin on integroitu myös web-palvelin ja IO-Link-laitekuvauksen (IODD) tulkki, joka mahdollistaa kenttäväyläyhteyden ja siihen yhdistettyjen IO-Link-laitteiden konfiguroinnin web-selaimen avulla (kuva 2).

Kuva 2: Uusi IO-Link-verkkoarkkitehtuuri, joka käyttää OPC UA -protokollaa suoraa pilviyhteyttä ja matalampaa verkkorakennetta varten. (Kuvan lähde: Pepperl+Fuchs)

Lisää verkkovaihtoehtoja

IO-Link-mastereita, jotka tukevat OPC UA- ja MultiLink-protokollia, voidaan käyttää edellä kuvatun uuden rinnakkaisen verkkoarkkitehtuurin lisäksi myös muihin käyttötapauksiin, kuten:

Jälkiasennukset – Tämä perinteinen IO-Link-master voidaan korvata OPC UA- ja MultiLink-yhteyksiä tukevalla masterilla rinnakkaisen tiedonsiirron etujen lisäämiseksi olemassa olevaan verkkoon.

Sovellukset ilman perinteistä PLC-ohjainta – Jotkin sovellukset, kuten toiminnanohjausjärjestelmä (ERP) tai tuotannonohjausjärjestelmä (MES), keräävät dataa tehdasympäristön antureista, eivätkä ne tarvitse PLC-ohjainta. OPC UA -protokollaa käyttävä IO-Link-master voi lähettää dataa suoraan pilveen, jossa data voidaan koota, analysoida ja käyttää tuottavuuden maksimoimiseksi.

Sovellukset, joissa käytetään useita PLC-ohjaimia – Kompleksiset hitsaussolut ovat esimerkki sovelluksesta, jossa käytetään useita PLC-ohjaimia ja useita protokollia ja jossa OPC UA -protokollan lisäämisestä voi olla paljon etua. Ensisijainen PLC voi esimerkiksi ohjata kokonaisprosessia PROFINET-kommunikaation kautta, teollisuus-PC voi ohjata optista laadunvalvontaa EtherNet/IP-kommunikaation kautta ja erilaiset robotit ja muut laitteet voivat käyttää valmistajakohtaisia ohjausprotokollia. OPC UA mahdollistaa Pepperl+Fuchsin MultiLink-teknologian kanssa järjestelmien välisen kommunikaation ja tiedonvaihdon erilaisista kenttäväyläprotokollista huolimatta. Se voi myös yhdistää koko hitsaussolun pilveen.

Rakennettu Ethernet APL -tekniikan pohjalta

MultiLink-teknologia on rakennettu Ethernet-APL-teknologian (Advanced Physical Layer) päälle, joka mahdollistaa Ethernetin käytön tiedonsiirtoon ja virransyöttöön prosessi-instrumenttien kesken pitkillä etäisyyksillä. Se perustuu Ethernetin fyysisen kerroksen standardiin 10BASE-T1L.

Ethernet-APL tarjoaa nopeuden 10 Mbit/s ja 1000 metrin kantaman. Se on suunniteltu reaaliaikaiseen prosessinvalvontaan ja -ohjaukseen ja se mahdollistaa rinnakkaiskäytön. Se tukee EtherNet/IP-, HART-IP-, OPC UA-, PROFINET- ja muita korkeamman tason protokollia. Se poistaa yhdyskäytävien tai muiden protokollamuunnoksien tarpeen. Se noudattaa 10BASE-T1L-standardia käyttämällä erityistä fyysistä Ethernet-yhteyttä (PHY) Open Systems Interconnection (OSI) -mallin kerroksessa 1 (kuva 3).

Kuva 3: Ethernet-APL on uusi 10BASE-T1L-standardiin perustuva PHY. (Kuvan lähde: Pepperl+Fuchs)

Uudet teollisuusverkkotyökalut

Pepperl+Fuchs tarjoaa ICE2- (EtherNet/IP) ja ICE3- (PROFINET) IO-Link-master-sarjoja teollisuusverkkojen suunnittelijoille, jotka haluavat hyödyntää OPC UA MultiLink -rinnakkaisyhteydet tarjoavien IO-Link-masterien tarjoamia uusia mahdollisuuksia. Molemmissa IO-Link-master-tyypeissä on kahdeksan tuloa ja lähtöä, ja ne tarjoavat verkkopohjaisen konfigurointimahdollisuuden kaikkien moduuliparametrien ja kaikkien liitettyjen IO-Link-laitteiden asetuksia varten (web IODD -toiminto). Niihin kuuluu integroitu IODD-muisti yli 100 IODD-kuvaukselle. Muita ominaisuuksia ovat mm.:

• PortVision® DX -ohjelmisto mahdollistaa verkon konfiguroinnin, laitehallinnan ja asetusten kloonauksen/varmuuskopioinnin yhdessä sovelluksessa.
• Kaikki moduuliasetukset voidaan tallentaa erillisenä tiedostona ja siirtää uuteen laitteeseen kloonaustoiminnon avulla käyttöönoton nopeuttamiseksi.
• Lohkomalleissa on kaksi L-koodattua M12-virtaliitintä, joiden luokitus on 16 A. Tuloissa ja lähdöissä on A-koodatut M12-liittimet, ja yhteys kenttäväylään luodaan D-koodatuilla M12-liittimillä.
• DIN-kiskomallit ovat saatavana ruuviliittimillä tai irrotettavilla push-in-liittimillä varustettuina.
• Suojaustasot: lohkomalleilla on IP67-luokitus ja DIN-kiskomalleilla IP20-luokitus (kuva 4).

Kuva 4: Esimerkkejä DIN-kisko- (vasen) ja lohkotyylisistä (oikea) IO-Link-mastereista. (Kuvan lähde: Pepperl+Fuchs)

Esimerkkejä IO-Link-mastereista OPC UA MultiLink -tuella:

• ICE2-8IOL1-G65L-V1D on lohkotyyppinen EtherNet/IP- ja Modbus-IO-Link-master, johon kuuluu neljä IO-Link-luokan A porttia, jotka voivat tarjota jopa 200 mA:n virran kytketyille laitteille, ja neljä IO-Link-luokan B-porttia tehokkaammille laitteille, joilla on oma itsenäinen virtalähde.
• ICE2-8IOL-K45P-RJ45 on DIN-kiskotyyppinen EtherNet/IP IO-Link-master, johon kuuluu kahdeksan tuloa/lähtöä ja push-in-liittimet.
• ICE3-8IOL1-G65L-V1D on lohkotyyppinen PROFINET- ja Modbus-IO-Link-master, johon kuuluu neljä IO-Link-luokan A ja neljä IO-Link-luokan B porttia.
• ICE3-8IOL-K45S-RJ45 on DIN-kiskotyyppinen PROFINET IO IO-Link-master, johon kuuluu kahdeksan tuloa/lähtöä ja ruuviliittimet.

Keskittimet ja muuntimet verkon laajentamiseen

IO-Link-keskittimet mahdollistavat antureista, aktuaattoreista ja muista laitteista koostuvien verkkojen laajentamisen. IO-Link-keskittimien avulla IO-Link-masteriin voidaan liittää useita digitaalisia antureita ja aktuaattoreita normaalia anturikaapelia käyttämällä. Esimerkiksi IO-Link-keskitin ICA-16DI-G60A-IO voi käsitellä jopa 16 PNP-digitaalituloa, ja jokaisen portin looginen taso voidaan konfiguroida erikseen. Tämä keskitin voi syöttää siihen kytketyille laitteille jopa 500 mA virtaa käytettävän IO-Link-masterin kapasiteetista riippuen. Sillä on IP65-, IP67- ja IP69K-luokitukset.

Kun analogista lähtöä käyttävä anturi on liitettävä IO-Link-verkkoon, suunnittelijat voivat käyttää IO-Link-muunninta ICA-AI-I/U-IO-V1, jossa on analoginen tulo virralle tai jännitteelle sekä IO-Link-lähtö. Sillä on IP67-luokitus ja sen tulo voidaan asettaa seuraavasti:

• Virtatulo voidaan asettaa alueelle 0–20 mA tai 4–20 mA.
• Jännitetulo voidaan asettaa alueelle −10 – 10 V tai 0 – 10 V.

IO-Link-laitetarjonta

IO-Link-laitteiden kattava ekosysteemi on saatavilla lähes kaikkiin teollisuusprosesseihin, myös anturi- ja ohjaustarpeisiin. Pepperl+Fuchsin IO-Link-valikoimaan kuuluu induktiivisia läheisyysantureita, induktiivisia paikannusjärjestelmiä, valosähköisiä antureita, ultraääniantureita, värähtelyantureita, kulma-antureita ja tunnistusjärjestelmiä (kuva 5). Esimerkkejä:

• VDM28-etäisyysmittauslaitteessa käytetään PRT-tekniikkaa (Pulse Ranging Technology), jonka avulla saavutetaan 5 mm:n toistotarkkuus 0,2–15 m:n käyttöetäisyyksillä ja 25 mm:n absoluuttinen tarkkuus.
• RFID-luku/kirjoituslaite IUT-F191-IO-V1-FR2-02 on optimoitu teollisiin sovelluksiin, joissa etäisyys on enintään noin metri. Laite lukee ja kirjoittaa ISO/IEC 18000-63 -standardin mukaisia passiivisia tunnisteita.

Kuva 5: Esimerkkejä saatavilla olevien IO-Link-laitteiden laajasta valikoimasta. (Kuvan lähde: Pepperl+Fuchs)

USB-master IO-Link-laitteiden käyttöönottoon

Kun on aika asentaa ja ottaa käyttöön IO-Link-laitteita, verkkoteknikot voivat käyttää IO-LINK-MASTER02-USB-laitetta (kuva 6). Tällä USB-masterilla voi liittää IO-Link-laitteita tietokoneen USB-porttiin. Sen tehtäviin kuuluu mahdollistaa testaus-, konfigurointi- ja huoltotoimet. Kytketyt laitteet voidaan konfiguroida ja parametroida. Myös laitediagnostiikka on mahdollista. USB-master voi syöttää virtaa suoraan laitteisiin, joilla on alhainen virrankulutus. Enemmän virtaa tarvitsevat laitteet voidaan liittää valinnaiseen ulkoiseen virtalähteeseen.

Kuva 6: Tämä IO-Link USB-master kytketään tietokoneeseen verkon käyttöönoton nopeuttamiseksi. (Kuvan lähde: Pepperl+Fuchs)

Yhteenveto

OPC UA -rinnakkaisyhteyden lisääminen IO-Link-master-laitteisiin on muuttanut merkittävästi Teollisuus 4.0 -verkkojen suunnittelijoiden käytettävissä olevia vaihtoehtoja. Nyt on mahdollista vähentää verkkoarkkitehtuurin kerroksia ja tarjota suorat yhteydet tehdasympäristön IO-Link-laitteiden ja pilvipalvelun välille. Uutta tekniikkaa voidaan käyttää erilaisissa käyttötapauksissa toimintatehokkuuden parantamiseen.