Teollisuus 4.0 -tietoliikennearkkitehtuurien optimointi usean protokollan I/O-keskittimillä ja muuntimilla

Tietoliikenneprotokollat ovat tärkeässä asemassa reaaliaikaisen tiedonsiirron ja ohjauksen toteuttamisessa Teollisuus 4.0 -aloitteen ja teollisen esineiden Internetin (Industrial Internet of Things, IIoT) käyttämissä tietoverkoissa. Antureilla, aktuaattoreilla, moottorikäytöillä ja ohjaimilla on kaikilla omat viestintätarpeensa. Mitään kaikkiin tarpeisiin sopivaa viestintäprotokollaa ei ole olemassa.

Tästä huolimatta yhteyksiä täytyy muodostaa hyvin erilaisten laitteiden välille. Anturit täytyy yhdistää ohjaimiin ja ohjaimet erilaisiin järjestelmäelementteihin, jotka käyttävät eri protokollia, kuten IO-Linkiä, Modbusia ja erilaisia Ethernet-versioita.

Usein koko kone täytyy myös yhdistää pilvipalveluun. Tuloksena on monimutkaisia tietoliikennearkkitehtuureja, joissa yhdistyy erinäisiä protokollia. Tämän haasteen ratkaisemiseksi konesuunnittelijat voivat käyttää usean protokollan input/output (I/O) -päälaitteita, keskittimiä ja muuntimia.

Tämän artikkelin ensimmäisessä osassa tutustutaan yleisiin Teollisuus 4.0 -tietoliikenneprotokolliin ja niiden paikkaan verkkohierarkiassa. Sitten artikkelissa esitellään erilaisia Banner Engineeringin I/O-päälaitteita, keskittimiä ja muuntimia, niiden toimintaa ja sitä, kuinka ne mahdollistavat monimutkaiset Teollisuus 4.0- ja IIoT-tietoliikennearkkitehtuurit.

Mikä on seitsemän kerroksen OSI-malli?

Verkkojen tiedonsiirtoprotokollia kuvataan usein käyttäen kontekstina seitsemän kerroksen Open Systems Interconnection (OSI) -mallia. Mallin kolme alinta kerrosta liittyvät laitteistoon ja näitä ovat fyysinen kerros, siirtokerros ja verkkokerros.

Seuraavat kolme kerrosta keskittyvät tietojen osoittamiseen, mihin sisältyvät kuljetus-, istunto- ja esitystapaprosessit.

Mallin seitsemäs kerros on sovelluskerros, joka tarjoaa rajapinnan käyttäjän ja verkon välille. Sellaiset protokollat kuten Modbus ja PROFINET kuuluvat tähän kerrokseen. OSI-malli liittyy löyhemmin muihin protokolliin, kuten EtherNet/IP.

EtherNet/IP-protokollan tapauksessa sovelluskerrokseen kuuluvat esimerkiksi web-yhteydet (HTTP), sähköposti (SMTP) ja tiedostojen siirto (FTP). Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) -prosessit toteutetaan kolmessa isäntäkerroksessa ja ne mahdollistavat istuntojen muodostamisen, virheiden korjaamisen jne. Alimpiin kerroksiin kuuluvat fyysinen 10 Base-T -yhteys sekä Ethernet-tietolinkin ja verkkoyhteyksien toteutus (kuva 1).

Kuva 1: EtherNet/IP vs seitsemän kerroksen OSI-malli. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Mihin IO-Link soveltuu?

IO-Link on SDCI (Single-Drop Digital Communication Interface) -rajapinta pienille antureille, aktuaattoreille ja vastaaville laitteille. Se laajentaa kaksisuuntaisen viestinnän tehdasympäristössä yksittäisiin laitteisiin. Tämä IEC 61131-9 -standardissa määritelty rajapinta on suunniteltu yhteensopivaksi sellaisten teollisten verkkoarkkitehtuurien kanssa, jotka käyttävät protokollia Modbus, PROFIBUS, EtherNet/IP jne.

IO-Link käyttää päälaitetta IO-Link-laitteiden yhdistämiseksi korkeamman tason protokolliin, kuten Modbus, jotka tarjoavat yhteydet tietoa vastaanottaviin kohteisiin, mukaan lukien ohjelmoitavat logiikkaohjaimet (Programmable Logic Controller, PLC), käyttöliittymät (Human-Machine Interface, HMI) ja pilvipalvelut (Cloud Data Service, CDS). Alimmalla tasolla IO-Link käyttää keskittimiä useiden laitteiden yhdistämiseksi ja tietojen syöttämiseksi päälaitteelle. Lisäksi IO-Link-verkkoon voi yhdistää myös analogisia antureita syöttämällä analogijännite IO-Link-muuntimeen (kuva 2).

Kuva 2: IO-Link-muuntimet, keskittimet ja päälaitteet voivat kerätä tietoja kenttälaitteilta ja syöttää nämä tiedot esimerkiksi PLC-, käyttöliittymä- ja CDS-kohteisiin. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

IO-Linkin yhdistäminen muihin protokolliin

Laajamittainen mukautus ja joustavat tuotantoprosessit ovat keskeisiä Teollisuus 4.0 -ominaisuuksia. Yhdistämällä IO-Link muihin protokolliin voidaan tehostaa Teollisuus 4.0 -tehtaiden joustavuutta ja monipuolisuutta. IO-Linkin hyödyllisiä ominaisuuksia:

• Modbus tukee vain rajallisesti analogisia laitteita, kuten tiettyjä antureita, kun taas IO-Link on yhteensopiva sekä digitaalisten että analogisten laitteiden kanssa.
• Tehdasautomaation kasvattamisessa ja laajentamisessa voidaan hyödyntää yhdyskäytävää, joka tukee sekä IO-Linkiä että korkeamman tason protokollia, kuten Modbus TCP tai EtherNet/IP, ja se voi toimia siltana kenttätason anturiverkon ja teollisuusverkon välillä.
• IO-Link parantaa toiminnan tehokkuutta kaikkien antureiden standardisoidulla ja yhdenmukaisella määritysprosessilla, ja sitä voi hyödyntää viallisten antureiden automaattiseen korvaamiseen identtisellä mallilla.
• IO-Linkin tiedonkeruu- ja tietoliikenneominaisuudet tarjoavat paremman näkyvyyden yksittäisten antureiden ja hajanaisten anturiverkkojen toimintaan sekä nopeuttavat tiedonsiirtoa PLC-ohjaimeen ja pilvipalveluun.

Modbusin ja IO-Linkin yhdistäminen

Yksi ensimmäisistä tarkasteltavista työkaluista on I/O-Modbus-hybridikeskitin, kuten 8-porttinen bimodaalinen R95C-8B21-MQ. Tämä bimodaalinen Modbus-keskitin yhdistää kuhunkin kahdeksaan porttiin kaksi erillistä kanavaa. Portteja voidaan monitoroida ja ne voidaan konfiguroida Modbus-rekisterien avulla.

I/O-Modbus-hybridikeskittimiä on saatavilla neljällä konfiguroitavalla analogitulolla (jännite tai virta), neljällä analogilähdöllä ja kahdeksalla konfiguroitavalla PNP- (lähde) tai NPN (nielu) -tulolla ja -lähdöllä, mikä mahdollistaa monipuolisemmat sovellukset.

DXMR90-X1-teollisuusohjaimia voidaan käyttää IIoT-ratkaisujen alustana. Niillä voidaan yhdistellä tietoja useista lähteistä paikallista tietojen käsittelyä ja käyttöä varten. DXMR90 sisältää yksittäiset Modbus-asiakaslaitteet, jotka tukevat samanaikaista viestintää jopa viiden itsenäisen sarjaverkon kanssa.

DXMR90-X1 sisältää yhden M12 D-Code Ethernet -naarasliittimen ja neljä M12-naarasliitintä Modbus-päälaitteen yhteyksiä varten. Saatavana on muita DXMR90-malleja kahdella M12 D-Code Ethernet -naarasliittimellä ja neljällä M12-naarasliittimellä Modbus-asiakasyhteyksiä varten tai yhdellä M12 D-Code Ethernet -naarasliittimellä ja neljällä M12-naarasliittimellä IO-Link-päälaiteyhteyksiä varten.

Kaikissa DXMR90-ohjaimissa on myös yksi M12-urosliitin (portti 0) virransyöttöä varten, Modbus RS-485 sekä yksi M12-naarasliitin portin 0 signaalien ketjuttamiseen. DXMR90-X1-ohjaimen muita ominaisuuksia (kuva 3):

• Muuntaa Modbus RTU -yksikön tukemaan protokollia Modbus TCP/IP, EtherNet/IP tai Profinet.
• Toimintasäännöt tekevät sisäisen logiikan ohjelmoinnista helppoa ja monimutkaisemmat ratkaisut voidaan ohjelmoida MicroPython- tai ScriptBasic-kielellä.
• Tukee Internet-protokollia, kuten RESTful ja MQTT.
• Soveltuu hyvin IIoT-tietoanalytiikkaan, kunnonvalvontaan, ennakoivaan huoltoon, laitteiston kokonaistehokkuuden (Overall Equipment Effectiveness, OEE) analyysiin, diagnostiikkaan ja vianmääritykseen.

Kuva 3: DXMR90-X1-ohjainta voidaan käyttää R95C I/O Modbus -hybridikeskittimen kanssa. (Kuvan lähde: Banner Engineering.)

Usean protokollan tuki

DXMR110-8K-IO-Link-päälaite on kompakti 8-porttinen usean protokollan älyohjain, joka yhdistää, prosessoi ja jakelee useiden lähteiden IO-link-liikennettä ja diskreettiä dataa. Sen liitäntöihin kuuluvat seuraavat:

• kaksi M12 D-Code Ethernet -naarasliitintä ketjutukseen ja tiedonsiirtoon korkeamman tason ohjausjärjestelmän kanssa
• kahdeksan M12-naarasliitintä IO-Link-laitteille
• yksi M12-urosliitin virransyöttöä ja yksi M12-naarasliitin virtaliitäntöjen ketjutusta varten.

DXMR110 tukee pilvipalveluita ja edistyneitä ohjelmointiominaisuuksia. ScriptBasic- ja toimintosääntöohjelmoinnin avulla voi luoda ja toteuttaa optimoitujen automaatioprosessien räätälöityjä komentosarjoja ja logiikkaa.

DXMR110-ohjaimen sisäisen prosessointitehon ansiosta tietojenkäsittelyä voidaan siirtää järjestelmän reunalle, mikä vähentää ohjauskaapin laitteiston ja PLC-ohjaimen I/O-korttien määrää. Integroidut pilviyhteydet mahdollistavat, että tietoihin päästään käsiksi mistä päin maailmaa tahansa paikasta riippumatta. Lisäksi IP67-kotelo yksinkertaistaa asennusta eri paikkoihin, koska ohjauskaappia ei tarvita (kuva 4).

Kuva 4: DXMR110-8K-IO-Link-päälaite on 8-porttinen usean protokollan älyohjain. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Muita vaihtoehtoja

Edellä esitellyt laitteet eivät ole ainoat vaihtoehdot usean protokollan teollisten tietoliikenneratkaisujen toteuttamiseksi. Konesuunnittelijat voivat hyödyntää Banner Engineeringin erilaisia I/O-etälohkoja järjestelmän rakenteen optimointiin, tilankäytön tehostamiseen ja suorituskyvyn parantamiseen.

Banner tarjoaa in-line-muuntimia ja päälaitteita valurakenteella, joka täyttää IP-suojausluokitukset IP65, IP67 ja IP68. R45C-sarjan in-line-muuntimet ja päälaitteet tarjoavat yhdyskäytävän IO-Link-laitteiden kytkemiseksi IIoT-verkkoon tai Modbus RTU -protokollaa käyttäviin järjestelmäohjaimiin. R45C-2K-MQ yhdistää kaksi IO-Link-laitetta Modbus RTU -rajapintaan.

Kun tarvitaan analogisia signaaleja, suunnittelijat voivat käyttää kaksikanavaista in-line-tyyppistä R45C-MII-IIQ Modbus I/O -muunninta. Sen toimintoihin kuuluvat seuraavat:

• Analogitulo. Kun muunnin lukee analogisignaalin, se lähettää sen arvon numeerisena vastaavaan Modbus-rekisteriin. Analogitulot voivat olla välillä 0 – 11 000 mV tai 0 – 24 000 µA.
• Analogilähtö. Muunnin voi lähettää numerosyötettä vastaavan analogiarvon. Analogilähdöt voivat vaihdella välillä 0 – 11 000 mV tai 0 – 24 000 µA.
• Myös validin alueen ulkopuolisia prosessiarvoja (PDO Outside Valid Range, POVR) voidaan havaita ja käsitellä, ja muunnin lähettää signaalin järjestelmään.

Kun yksittäinen analogitulo pitää muuntaa IO-Link-signaaliksi, siihen voidaan käyttää S15C-I-KQ-muunninta. Tämä 4–20 mA:n virtalähteeseen kytkettävä sylinterinmuotoinen laite muuntaa analogivirran IO-Link-signaaliksi ja lähettää arvon IO-Link-päälaitteelle.

Banner tarjoaa erilaisia Modbus RTU I/O -lohkoja, jotka mahdollistavat useiden Modbus- tai IO-Link-verkkoon kytkettyjen analogisten ja erillisten laitteiden yhdistämisen. Niitä voi sekoittaa toisiinsa joustavien järjestelmäratkaisuiden ja yhteentoimivuuden mahdollistamiseksi (kuva 5).

Kuva 5: Esimerkkejä IO-Link-integraatiossa käytettävien Bannerin I/O-etäratkaisujen kokovaihtoehdoista ja konfiguraatioista. (Kuvan lähde: DigiKey)

Langattomien protokollien integrointi

Bannerin Sure Cross DSX80 Performance -I/O-verkkoratkaisu mahdollistaa langattomat yhteydet. Sitä voidaan käyttää itsenäisesti tai se voidaan yhdistää Modbusilla PLC-isäntään, tietokoneeseen tai tablettiin. Järjestelmän perusarkkitehtuuriin kuuluu yhdyskäytävä ja yksi tai useampi solmu (kuva 6).

Kuva 6: Bannerin langaton Sure Cross DSX80 Performance -I/O-verkkoratkaisu sisältää yhdyskäytävän ja yhden tai useamman anturisolmun. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Langattoman Sure Cross DX80 Performance -verkon toteuttamiseen kuuluu kolme elementtiä: verkkotopologia, pää- ja alilaitteiden määrittäminen sekä TDMA (Time Division Multiple Access) -arkkitehtuuri.

Tähtitopologiassa päälaitteella on erillinen yhteys kuhunkin solmuun. Vaikka yhden solmun ja päälaitteen välinen yhteys katkeaisi, muiden solmujen yhteydet säilyvät.

Päälaitteena voidaan käyttää yhdyskäytävää, kuten DX80G2M6-QC, joka alustaa kaikki yhteydet alilaitteisiin. Modbus RTU RS-485 -yhteyttä käyttävä yhdyskäytävä toimii alilaitteena Modbus RTU -isäntäohjaimelle. Yhteen langattomaan verkkoon voi kuulua jopa 47 alisolmua.

Alilaitteet voivat olla langattomia solmuja, kuten kaksitoiminen DX80N9Q45DT-termistori-lämpötila-anturi, DX80N9Q45PS150G-paineanturi tai tärinä- ja kosteusanturi.

Alilaitteet eivät voi aloittaa tiedonsiirtoa yhdyskäytävän tai toistensa kanssa. Verkon alueellista kattavuutta voidaan laajentaa suuria asennuskohteita varten lisäämällä siihen sarjadataradio, kuten DX80SR9M-H.

TDMA-arkkitehtuuri on avainasemassa luotettavien yhteyksien toteuttamiseksi minimaalisella energiankulutuksella. Yhdyskäytävän TDMA-ohjain määrää kullekin solmulle aika-ikkunan tietojen lähettämistä ja vastaanottoa varten. Yhdyskäytävän laitetunnus on aina 0. Solmuille voidaan antaa laitetunnus missä tahansa järjestyksessä välillä 1–47.

Yksittäisten solmujen tiedonsiirtoaikojen määrittäminen optimoi tehokkuutta eliminoimalla solmujen väliset konfliktimahdollisuudet. Tämän ansiosta solmut voivat myös siirtyä virransäästötilaan tiedonsiirtojen välillä ja herätä vain määrättynä aikana. Radion sammuttaminen tiedonsiirtojen välillä säästää virtaa ja pidentää akkutoimisten solmujen käyttöaikaa.

Yhteenveto

Teollisuus 4.0- ja IIoT-verkkojen tehokas toiminta edellyttää useiden tietoliikenneprotokollien tukemista, esimerkkeinä IO-Link, Modbus ja EtherNet/IP. Banner Engineering tarjoaa suunnittelijoille kattavan valikoiman erikokoisia IO-Link-keskittimiä, muuntimia ja päätelaitteita mahdollistaen optimoidut tietoliikenneratkaisut.