כיצד IO-Link Masters‏ חדשים יכולים לאזן את יתרונות חיבוריות ענן ובקרה מקומית במפעלי Industry 4.0‏

האיזון בין הצרכים עבור חיבוריות ענן ובקרה מקומית באמצעות בקרי לוגיקה ניתנים-לתכנות (PLC) ברשתות תעשייתיות פשוט נעשה קל יותר. רשתות Industry 4.0 הן מורכבות וכוללות מספר רמות חיבוריות, מ-IO-Link ברצפת המפעל ועד ל-field busses‏ כמו EtherNet/IP ו-PROFINET המחברים מכונות ובקרי PLC‏, כמו גם ממשק Open Platform Communications Unified Architecture‏ (OPC UA‏) המגיעים עד לענן.

ברשת Industry 4.0 מסורתית, חיישנים, מפעילים והתקנים אחרים משתמשים במאסטר IO-Link כדי להתחבר לרשת אפיק השדה, והתקנים ברשת Field Bus משתמשים ב-OPC UA ובפרוטוקולים אחרים כדי להתחבר לענן.

למתכנני רשתות מכונות ומפעלים יש כעת כלי חדש - IO-Link Masters‏ - המשלב את החיבוריות הרגילה של Ethernet/IP, PROFINET ו-Field Bus אחרים עם ממשק OPC UA עבור חיבור ישיר לענן. ניתן להשתמש בזה כדי לשטח את החיבוריות ולהאיץ את העברת הנתונים הקריטיים לרמות הגבוהות ביותר של הרשת.

מאמר זה מתחיל בסקירה של השימוש בבקרה מקומית וחיבוריות ענן בארכיטקטורת רשת מסורתית. לאחר מכן הוא מציג את הארכיטקטורה המשוטחת המאפשרת IO-Link Masters‏ חדשים של Pepperl+Fuchs‏, הכוללת חיבוריות Field Bus ו-OPC UA ויכולה לתמוך במספר חיבורים במקביל. המאמר גם בוחן כיצד משתלבת הטכנולוגיה החדשה של שכבה פיזית מתקדמת (APL‏) של Ethernet‏.

המאמר מסיים עם פירוט ה-IO-Link Masters‏ החדשים עם חיבוריות OPC UA ורכזות IO-Link תואמות עבור הרחבת הרשת, ביחד עם כמה התקני IO-Link מייצגים, והשימוש ב-IO-Link USB Master‏ עבור הגדרת תצורה, התקנה והפעלה ראשונית ואיתור תקלות בהתקני IO-Link‏.

מפעלי Industry 4.0 דורשים תמהילים משתנים של בקרה מקומית וחיבוריות ענן. לכל אחד יש את היתרונות שלו. הפתרון הטוב ביותר משלב לעתים קרובות PLC ומחשבי קצה עבור בקרה מקומית מגיבה תוך שימוש בענן לניתוח נתונים מורכבים.

PLCs הם חסונים ומיועדים לשימוש בסביבות תעשייתיות. הם בדרך כלל מודולריים ויכולים להתאים לצרכים המשתנים של מפעלי Industry 4.0. PLCs הם קומפקטיים ואמינים יותר מהמערכות מבוססות-ממסר שהם מחליפים לעיתים קרובות. אולי הכי חשוב, PLCs יכולים לתמוך בבקרה בזמן-אמת ביישומים קריטיים עם משוב ישיר מהמכונות והחיישנים המחוברים.

חיבוריות ענן מספקת למעשה אחסון ויכולות מחשוב בלתי מוגבלות. היא יכולה לקשר נתונים מיישומים שונים, המבוקרים על ידי PLCs בודדים, ולתמוך בפעולה כוללנית הרמונית וממוטבת עבור המפעל כולו. חיבוריות ענן יכולה להפחית את משימות הניהול של ה-PLC, כך שניתן להתאים את שירותי מחשוב הענן לסדר הגודל הנדרש באופן מהיר וחסכוני.

IO-Link מסורתי

IO-Link הוא פרוטוקול נקודה-לנקודה, לא Field Bus‏. ברשת Industry 4.0 מסורתית, IO-Link Masters‏ הם המתווכים בין התקני IO-Link ברצפת המפעל לבין רשת Field Bus‏. כל נקודת-חיבור על ה-IO-Link Master‏ מתחברת להתקן IO-Link יחיד. ה-IO-Link Master‏ מאחד ומתרגם תקשורת מהתקני IO-Link מחוברים ושולח אותה לרשת Field Bus‏.

קיימים IO-Link Masters‏ עבור התקנה בתוך ארון בקרה. הם יכולים להתחבר לרשת Field Bus‏ כנקודת חיבור מרוחקת עם דירוג סביבתי IP20 או לשמש על רצפת המפעל עם דירוג IP65/67 (איור 1). אין חיבור ישיר בין IO-Link Masters‏ מסורתיים לבין הענן; כל התקשורת לענן מתועלת ומבוקרת דרך התקנים על ה-Field Bus‏.

איור 1: יישום רשת מסורתי של IO-Link המחובר ל-Field Bus‏. (מקור התמונה: Pepperl+Fuchs)

IO-Link משופר ורשת מקבילה

הוספת חיבוריות OPC UA ל- IO-Link Master‏ משנה באופן דרמטי את האפשרויות של ארכיטקטורות רשת תעשייתיות. אין זה הכרחי עוד עבור התקשורת להיות מועברת ל-Field Bus‏ כדי להגיע לענן.

נתונים רגישים-לזמן עבור בקרה בזמן-אמת ניתן עדיין להעביר דרך Field Bus‏. נתונים שהם פחות רגישים-לזמן ניתן לצרף יחד ולשלוח ישירות לענן, תוך חיסכון בעומס התקורה של התקני ה-Field Bus‏.

Pepperl+Fuchs מתייחסת למבנה חדש זה כארכיטקטורה "מקבילה" מכיוון שניתן להשתמש בו במקביל למערכות בקרת מכונות תעשייתיות סטנדרטיות. המפתח הוא טכנולוגיית ™MultiLink‏ של החברה התומכת בשימוש מקביל ב-Field Bus‏ Ethernet תעשייתי עבור חיבור עם PLCs באמצעות פרוטוקולים כמו EtherNet/IP ו-Message Queuing Telemetry Transport‏ (MQTT‏). פרוטוקול הודעות בקוד-פתוח זה משתמש ב-OPC UA ויכול להתחבר להתקנים ברשת האינטרנט התעשייתי של דברים (IIoT), כמו מחשבים תעשייתיים, מערכות בקרת פיקוח ואיסוף נתונים (SCADA) והענן.

כדי להשלים את החבילה, IO-Link Masters‏ עם MultiLink‏ כוללים גם שרת אינטרנט משולב ואינטרפרטר IO-Link Device Description‏ (IODD‏) התומך בתצורה של חיבור Field Bus‏ והתקני IO-Link מחוברים באמצעות דפדפן אינטרנט (איור 2).

איור 2: ארכיטקטורת רשת IO-Link חדשה באמצעות OPC UA עבור חיבוריות ענן ישירה ומבנה רשת שטוח יותר. (מקור התמונה: Pepperl+Fuchs)

אפשרויות רשת נוספות

בנוסף להפעלת ארכיטקטורת הרשת המקבילה החדשה שתוארה לעיל, ניתן להשתמש ב-IO-Link Masters‏ עם OPC UA ו-MultiLink עבור מקרי שימוש אחרים כמו:

שדרוגים - ניתן להחליף IO-Link Master‏ קונבנציונלי זה עם אחד עם חיבוריות OPC UA ו-MultiLink כדי להוסיף את היתרונות של תקשורת מקבילה לתוך רשת קיימת.

יישומים ללא PLC מסורתי - יישומים מסוימים, כמו תכנון משאבים ארגוניים (ERP) או מערכת ביצוע ייצור (MES), אוספים נתונים מחיישנים ברצפת המפעל ואינם זקוקים ל-PLC. IO-Link Master‏ עם OPC UA יכול לשלוח את הנתונים ישירות לענן, אותם ניתן לצבור, לנתח ולפעול על מנת למקסם את הפרודוקטיביות.

יישומים עם מספר PLC - תאי ריתוך מורכבים הם דוגמה ליישום עם מספר PLC ומספר פרוטוקולים היכולים להפיק תועלת מהוספת OPC UA. לדוגמה, PLC ראשי יכול לבקר תהליך הכולל באמצעות תקשורת PROFINET, מחשב תעשייתי יכול לבקר ניטור איכות אופטי באמצעות תקשורת EtherNet/IP, ורובוטים שונים וציוד אחר עשויים להשתמש בפרוטוקולי בקרה קנייניים. OPC UA עם טכנולוגיית MultiLink של Pepperl+Fuchs מאפשר תקשורת וחילופי נתונים בין המערכות למרות פרוטוקולי Field Bus‏ שונים, והוא יכול לקשר את כל תא הריתוך לענן.

בנוי על בסיס Ethernet APL

טכנולוגיית MultiLink בנויה על בסיס שכבה פיזית מתקדמת Ethernet, או Ethernet-APL, המאפשרת שימוש ב-Ethernet עבור תקשורת והספקת-כוח עם מכשור תהליכים על-פני מרחקים ארוכים. הוא מבוסס על תקן השכבה הפיזית 10BASE-T1L Ethernet.

עם מהירות של Mbps‏ 10‏ וטווח של 1,000 מטר, Ethernet-APL תוכנן עבור ניטור ובקרת תהליכים בזמן-אמת, המאפשר גישה מקבילה. הוא תומך ב-EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA, PROFINET ופרוטוקולים אחרים ברמה גבוהה יותר. הוא חוסך את הצורך בשערים או המרות פרוטוקולים אחרות. הוא מממש את 10BASE-T1L באמצעות חיבור רמה פיזית (Ethernet (PHY מיוחד ב-Layer 1‏ של מודל חיברור מערכות פתוחות (OSI) (איור 3).

איור 3: Ethernet-APL הוא PHY חדש המבוסס על 10BASE-T1L. (מקור התמונה: Pepperl+Fuchs)

כלי הרשת התעשייתית החדשים

עבור מתכנני רשתות תעשייתיות הרוצים לנצל את האפשרויות החדשות של IO-Link Masters‏ עם חיבוריות מקבילה MultiLink‏ OPC UA‏, חברת Pepperl+Fuchs‏ מציעה את סדרות IO-Link Masters‏ ICE2‏ (עם EtherNet/IP‏) ו-ICE3‏ (עם PROFINET‏). לשני הסוגים של IO-Link Masters‏ יש שמונה כניסות ויציאות והם מגיעים עם יכולת הגדרת-תצורה מבוססת אינטרנט עבור הגדרת כל פרמטרי המודול וכל התקני IO-Link המחוברים (פעולת IODD אינטרנט). הם כוללים אחסון IODD משולב עבור למעלה מ-100 IODDs‏. מאפיינים אחרים כוללים:

• תוכנת PortVision® DX‏ תומכת בתצורת רשת, ניהול התקנים ושכפול/גיבוי הגדרות ביישום אחד.
• ניתן לשמור את כל הגדרות המודול כקובץ נפרד ולהעביר להתקן חדש באמצעות פונקציית שכפול כדי להאיץ את הפריסה.
• לדגמים בסגנון בלוק יש שני תקעי מחברי הספקת-כוח M12 עם קוד L עם דירוג A‏ 16‏. לכניסות וליציאות יש תקעי מחבר M12 עם קוד A, והחיבור ל-Field Bus‏ מתבצע באמצעות תקעי מחבר M12 עם קוד D.
• דגמי מסילות DIN זמינים עם הדקי בורג או מחברי לחיצה-פנימה נתקעים.
• דרגות הגנה: דגמים בסגנון בלוק הם בדירוג IP67, ודגמי מסילות DIN הם בדירוג IP20 (איור 4).

איור 4‏: דוגמאות של IO-Link Masters‏ עבור מסילות DIN‏ (משמאל) ובסגנון בלוק (מימין). (מקור התמונה: Pepperl+Fuchs)

דוגמאות של IO-Link Masters‏ עם MultiLink‏ OPC UA‏ כוללים:

• ה-ICE2-8IOL1-G65L-V1D‏ הוא IO-Link Master‏ EtherNet/IP ו-Modbus‏ בסגנון בלוק עם ארבע נקודות-חיבור IO-Link Class A היכולות לספק עד mA‏ 200‏ של הספק עבור התקנים מחוברים וארבע נקודות-חיבור IO-Link Class B עבור התקנים בעלי הספק גבוה יותר עם מקור הספקת-כוח עצמאי משלהם.
• ה-ICE2-8IOL-K45P-RJ45‏ הוא IO-Link Master‏ EtherNet/IP‏ בסגנון מסילת DIN עם שמונה כניסות/יציאות ומחברי לחיצה-פנימה.
• ה-ICE3-8IOL1-G65L-V1D‏ הוא IO-Link Master‏ PROFINET‏ ו-Modbus‏ בסגנון בלוק עם 4‏ נקודות-חיבור Class A‏ IO-Link‏ ו-4‏ נקודות-חיבור Class B‏ IO-Link‏.
• ה-ICE3-8IOL-K45S-RJ45‏ הוא IO-Link Master‏ IO‏ PROFINET‏ בסגנון מסילת DIN עם שמונה כניסות/יציאות והדקי בורג.

רכזות וממירים עבור הרחבת הרשת

רכזות IO-Link תומכות בהרחבת רשתות של חיישנים, מפעילים והתקנים אחרים. רכזות IO-Link מאפשרות לחבר מספר חיישנים ומפעילים דיגיטליים ל-IO-Link Master‏ באמצעות כבל חיישן סטנדרטי. לדוגמה, רכזת IO-Link‏ ICA-16DI-G60A-IO‏ יכולה להתמודד עם עד 16 כניסות דיגיטליות PNP, וניתן להגדיר את רמת הלוגיקה עבור כל יציאה בנפרד. בהתאם ליכולת של IO-Link Master‏ המחובר, רכזת זו יכולה לספק עד mA‏ 500‏ של הספק להתקנים מחוברים. הרכזת מדורגת עבור IP65‏, IP67‏ ו-IP69K‏.

כאשר צריך לחבר חיישן עם יציאה אנלוגית לרשת IO-Link, המתכננים יכולים לפנות לממיר IO-Link‏ ICA-AI-I/U-IO-V1‏ עם כניסה אנלוגית עבור זרם או מתח ויציאת IO-Link‏. הוא מדורג עבור IP67, וניתן להגדיר את הכניסה באופן הבא:

• את כניסת הזרם ניתן להגדיר כ-mA‏ 0‏ עד mA‏ 20‏ או mA‏ 4‏ עד mA‏ 20‏.
• את כניסת המתח ניתן להגדיר כ-V‏ 10‏- עד V‏ 10‏ או V‏ 0‏ עד V‏ 10‏.

היצע התקני IO-Link‏

אקוסיסטם מקיף של התקני IO-Link זמין עבור כמעט כל תהליך תעשייתי, כולל צורכי חישה ובקרה. פורטפוליו ה-IO-Link של Pepperl+Fuchs כולל חיישני קירבה אינדוקטיביים, מערכות מיקום אינדוקטיביות, חיישנים פוטו-אלקטריים, חיישנים אולטרסוניים, חיישני רעידות, אנקודרים סיבוביים ומערכות זיהוי (איור 5). הדוגמאות כוללות:

• התקן מדידת מרחק VDM28‏ משתמש בטכנולוגיית Pulse Ranging‏ (PRT‏) כדי להעניק דיוק חוזר של 5 מ"מ עם טווח פעולה של 0.2 עד 15 מטר ודיוק מוחלט של 25 מ"מ.
• התקן קריאה/כתיבה RFID‏ IUT-F191-IO-V1-FR2-02‏ ממוטב עבור יישומים תעשייתיים עם מרחקים של עד כמטר אחד. ההתקן קורא וכותב תגים פסיביים על בסיס ISO/IEC 18000-63‏.

איור 5‏: דוגמאות של המגוון הרחב של התקני IO-Link הקיימים. (מקור התמונה: Pepperl+Fuchs)

USB Master‏ עבור התקני IO-Link‏

כשמגיע הזמן להתקין ולהפעיל התקני IO-Link, טכנאי רשת יכולים לפנות ל-IO-LINK-MASTER02-USB‏ (איור 6). USB Master‏ זה יכול לחבר התקני IO-Link‏ לנקודת-חיבור USB‏ על PC‏. הוא מתוכנן לתמוך בפעילויות בדיקה, הגדרת-תצורה ושירות. באמצעותו ניתן להגדיר את התצורה והפרמטרים של התקנים מחוברים. דיאגנוסטיקת התקנים נתמכת גם כן. התקנים עם צריכת זרם נמוכה ניתן להזין ישירות מה-USB Master‏. התקנים עם צורכי הספק גבוהים יותר ניתן לחבר לספק-כוח חיצוני אופציונלי.

איור 6‏: IO-Link USB Master‏ זה מתחבר למחשב כדי להאיץ את פריסת הרשת. (מקור התמונה: Pepperl+Fuchs)

סיכום

הוספת החיבוריות המקבילה OPC UA‏ להתקני IO-Link Master‏ שינתה באופן דרמטי את האפשרויות הזמינות למתכנני רשתות Industry 4.0‏. כעת ניתן לשטח את ארכיטקטורת הרשת ולספק חיבורים ישירים בין התקני IO-Link על רצפת המפעל לבין הענן. הטכנולוגיה החדשה יכולה לשמש במקרים שימוש שונים כדי לשפר את היעילות התפעולית.