אופטימיזציה של ארכיטקטורות תקשורת Industry 4.0‏ על ידי שימוש ברכזות וממירי Multi-Protocol I/O

פרוטוקולים של תקשורת הם חשובים לתמיכה בהעברות נתוני זמן-אמת ובקרה ברשתות Industry 4.0 ואינטרנט של דברים תעשייתי (IIoT). חיישנים, מפעילים (Actuators‏), דוחפי מנוע ובקרים, לכולם יש צורכי תקשורת ספציפיים. אין פרוטוקול תקשורת “מידה אחת מתאימה לכול”.

בעוד אין פרוטוקול יחיד המתאים לדרישות כל היישומים, לעתים קרובות התקנים שונים צריכים להיות מקושרים. חיישנים חייבים להיות מקושרים לבקרים, ובקרים חייבים להיות מחוברים עם אלמנטים שונים של מערכת המשתמשים בפרוטוקולים שונים כמו IO-Link,‏ Modbus וצורות רבות של Ethernet.

במקרים רבים המחשב כולו צריך להתחבר לענן. התוצאה היא ארכיטקטורות תקשורת מורכבות עם מספר עצום של פרוטוקולים. כדי להתמודד עם האתגר הזה, מתכנני מכונות יכולים לפנות ל-Masters‏ כניסה/יציאה (I/O), רכזות וממירים מרובי פרוטוקול.

מאמר זה מתחיל עם סקירת פרוטוקולים של תקשורת Industry 4.0‏ נפוצים והיכן הם מתאימים בהירארכיית הרשתות. אחר כך הוא מציג סדרה של Masters‏ I/O, רכזות וממירים מבית Banner Engineering, סוקר את פעולתם, ודן כיצד הם יכולים לסייע לארכיטקטורות תקשורת מורכבות של Industry 4.0 ו-IIoT.

מהו מודל ה-OSI שבע-שכבות?

פרוטוקולים של תקשורת רשת מתוארים לעתים קרובות בהקשר של מודל Open Systems Interconnection‏ (OSI) שבע-שכבות. המודל מתחיל עם שלוש שכבות מדיה העוסקות בשיקולי חומרה, כגון חיבורים פיזיים, חיבורי תקשורת נתונים דיגיטליים וחיבורי רשת.

טיפול בנתונים הוא המוקד של שלוש השכבות הבאות, הכוללות את תהליכי ההעברה, משך זמן הפעולה וההצגה.

הרמה השביעית של המודל היא שכבת האפליקציה, שמספקת את הממשק בין המשתמש והרשת. פרוטוקולים כמו Modbus ו-PROFINET‏ שוכנים בשכבה זו. מודל ה-OSI‏ קשור באופן רופף יותר לפרוטוקולים אחרים כמו EtherNet/IP‏.

במקרה של EtherNet/IP, שכבת האפליקציה כוללת תהליכים כמו גישה לאינטרנט (HTTP), דוא"ל (SMTP), העברות קובץ (FTP), וכו'. שלוש השכבות המארחות מיישמות את תהליכי ה-Transmission Control Protocol/Internet Protocol‏ (TCP/IP) לקביעת פרקי זמן פעילות (Sessions), ביצוע תיקוני שגיאות, וכו'. שכבות המדיה כוללות את החיבור הפיזי ‎10 Base-T ויישום של קישור הנתונים Ethernet וחיבורי רשת (איור 1).

איור 1‏: כיצד EtherNet/IP‏ מתייחס למודל ה-OSI שבע-שכבות. (מקור תמונה: Banner Engineering‏)

היכן IO-Link משתלב?

IO-Link‏ הוא ממשק תקשורת דיגיטלי‏‏ Single-drop‏ (SDCI‏) עבור חיישנים, מפעילים (Actuators‏) והתקנים קטנים דומים. הוא מרחיב תקשורת דו-כיוונית עד להתקנים בודדים על רצפת הייצור. הוא מוגדר ב-IEC 61131-9‏‏ ומתוכנן להיות תואם עם ארכיטקטורות רשת תעשייתית מבוססות על Modbus,‏ PROFIBUS‏, EtherNet/IP‏, וכו'.

IO-Link משתמש בהתקן Master כדי לחבר התקני IO-Link לפרוטוקולים ברמה גבוהה יותר כמו Modbus המספקים חיבורים להתקנים צורכי-נתונים כמו בקרים לוגיים ניתנים לתכנות (PLCs), ממשקי אדם-מכונה (HMIs), שירות נתוני ענן (CDS), וכו'. ברמה הנמוכה ביותר, IO-Link‏ משתמש ברכזות כדי לצרף התקנים מרובים ולהזין את הנתונים מעלה עד התקן Master. נוסף לכך, ניתן להשתמש במתח‏ אנלוגי לממיר ה-IO-Link‏ כדי להוסיף חיישנים אנלוגיים לרשת ה-IO-Link‏ (איור 2‏).

איור 2‏: ממירי IO-Link‏, רכזות ו-Masters יכולים לאסוף נתונים מהתקני שדה ולדחוף אותם מעלה לצרכני נתונים כמו בקרי PLC, ממשקי HMI ו-CDS. (מקור תמונה: Banner Engineering‏)

מדוע לשלב IO-Link‏ עם פרוטוקולים אחרים?

התאמה מיוחדת המונית ותהליכי ייצור גמישים הם מאפיינים ייחודיים של‏ Industry 4.0‏. שילוב IO-Link‏ עם פרוטוקולים אחרים יכול להגדיל את הגמישות והרבגוניות של‏ מפעלי Industry 4.0‏. מאפיינים מועילים של IO-Link כוללים:

• ל-Modbus יש תמיכה מוגבלת בהתקנים אנלוגיים כמו חיישנים מסוימים, בעוד IO-Link‏ תואם עם התקנים דיגיטליים כמו גם אנלוגיים.
• ניתן להקל על אוטומציה והרחבה מוגברת של מפעל באמצעות שער (Gateway) התומך הן ב-IO-Link והן בפרוטוקולים ברמה גבוהה יותר כמו Modbus TCP או EtherNet/IP, ויכול לתפקד כגשר בין רשת חיישן ברמת שדה ועמוד שדרה של תקשורת רשת תעשייתית.
• IO-Link‏ מגדיל יעילות תפעולית על ידי אספקת תהליך הגדרת תצורה סטנדרטי, אחיד, לכל החיישנים וניתן להשתמש בו כדי להחליף חיישנים תקולים באופן אוטומטי כשמשתמשים בדגם זהה.
• יכולות איסוף הנתונים ותקשורת של IO-Link‏ מספקות נראות מוגברת לפעולה של חיישנים בודדים, כמו גם רשתות חיישנים מפוזרות, ומאיצים את הנתונים מעלה אל PLC ולענן.‏

כיצד אתה משלב Modbus ו-IO-Link‏?

אחד הכלים הראשונים שיש לשקול הוא רכזת I/O Modbus היברידית כמו ה‏דו-מודאלית בעלת ה-8 יציאות ל-Modbus ‏R95C-8B21-MQ. רכזת בדידה דו-מודאלית ל-Modbus זו מחברת שני ערוצים בדידים לכל אחת משמונה נקודות היציאה הייחודיות, מספקת גישה לניטור והגדרה של יציאות אלה דרך אוגרי Modbus.

רכזות I/O Modbus היברידיות זמינות עם ארבע כניסות אנלוגיות ניתנות להגדרת תצורה (מתח או זרם) וארבע יציאות אנלוגיות, ועוד שמונה כניסות ויציאות בדידות PNP (מקור) או NPN (קולט) ניתנות להגדרת תצורה עבור גמישות יישום מוגדלת.

בקרים תעשייתיים DXMR90-X1 ניתנים לשימוש כפלטפורמה עבור פתרונות IIoT. הם יכולים לאחד נתונים ממקורות מרובים לצורך עיבוד נתונים מקומי ונגישות. ה-DXMR90 כולל לקוחות Modbus פרטניים ותומך בתקשורת בו-זמנית עם עד חמש רשתות טוריות עצמאיות.

ה-DXMR90-X1 כולל מחבר נקבה M12 D-Code Ethernet אחד וארבעה חיבורי נקבה M12 עבור‏ חיבורי Modbus master. דגמי DXMR90 אחרים זמינים עם שני מחברים נקביים M12 D-Code Ethernet וארבעה חיבורים נקביים M12 עבור‏ חיבורי Modbus לקוח (Client‏) או עם מחבר נקבי M12 D-Code Ethernet אחד וארבעה מחברים נקביים M12 עבור חיבורי IO-Link master.

כל בקרי DXMR90‏ כוללים גם M12 אחד זכרי (יציאה‏ 0) עבור מתח נכנס ו-Modbus RS-485‏ ו-M12 אחד נקבי עבור שרשור Daisy Chain‏ של אותות יציאה 0. תכונות נוספות של ה-DXMR90-X1 כוללות (איור 3):

• המרת Modbus RTU‏ ל-Modbus TCP/IP‏, EtherNet/IP‏ או Profinet‏
• לוגיקה פנימית המונעת על ידי כללי פעולה לתכנות קל, או MicroPython ו-ScriptBasic‏ לפיתוח פתרונות מורכבים יותר
• תמיכה בפרוטוקולים של אינטרנט, כולל RESTful‏ ו-MQTT‏
• מתאים היטב עבור ניתוח נתונים של IIoT, ניטור מצב, תחזוקה חזויה, ניתוח אפקטיביות כוללת של ציוד (OEE‏), דיאגנוסטיקה ואיתור תקלות

איור 3‏: ניתן להשתמש בבקר ה-DXMR90-X1 בשילוב עם רכזת ה-R95C I/O Modbus ההיברידית. (מקור תמונה: Banner Engineering‏)

מהי תמיכה בפרוטוקולים מרובים?

ה-IO-Link master ‏8-יציאות DXMR110-8K הוא בקר חכם מרובה-פרוטוקולים, קומפקטי, שמאחד, מעבד ומפיץ נתוני IO-link ונתונים בדידים ממקורות מרובים. החיבורים כוללים:

• שני מחברים נקביים M12 D-Code Ethernet עבור שרשור Daisy Chain‏ ותקשורת למערכת בקרה‏ ברמה גבוהה יותר
• שמונה חיבורים נקביים M12‏ עבור התקני IO-Link‏
• חיבור זכרי M12 אחד עבור מתח נכנס וחיבור נקבי M12 אחד עבור שרשור Daisy Chain של אספקת כוח

ה-DXMR110 תומך בחיבוריות ענן וכולל מאפייני תכנות מתקדמים. ניתן להשתמש ב-ScriptBasic‏ ותכנות כללי פעולה כדי ליצור וליישם סקריפטים ולוגיקה מותאמים במיוחד לתהליכי אוטומציה ממוטבים.

ניתן להשתמש בכוח העיבוד הפנימי של ה-DXMR110 כדי להעביר עיבוד נתונים לקצה, להקטין למינימום את הצורך בחומרה בארון הבקרה ולבטל את הצורך בכרטיסי I/O על PLC. חיבוריות ענן משולבת יכולה להפוך נתונים לנגישים מכל מקום בעולם. לבסוף, בית ה-IP67‏ מפשט התקנה בכל מקום על ידי ביטול הצורך בארון בקרה (איור 4‏).

איור 4: ה-IO-Link master‏‏ 8-יציאות DXMR110-8K הוא בקר חכם מרובה-פרוטוקולים. (מקור תמונה: Banner Engineering‏)

יש עוד

ההתקנים שהוצגו עד עתה אינם האפשרויות היחידות ליישום פתרונות תקשורת תעשייתית מרובת-פרוטוקולים. מתכנני מכונות יכולים להשתמש במגוון בלוקים של ‏I/O מרוחקים כדי למטב תכנון מערכת, ניצול מקום וביצועים.

Banner מציעה ממירים ו-Masters מובנים עם תכנים יצוקים-מעל העומדים בדרישות ביצועי החדירה (IP‏) של‏ IP65‏, IP67‏ ו-IP68‏. ממירים ו-Masters מובנים מסדרת ה-R45C מספקים שער (Gateway) עבור חיבור התקני IO-Link לרשת IIoT או בקרי מערכת המשתמשים בפרוטוקול Modbus RTU. דגם R45C-2K-MQ‏ מחבר שני התקני IO-Link‏ לממשק Modbus RTU‏.

כשדרושים אותות אנלוגיים, מתכננים יכולים לפנות אל ה-R45C-MII-IIQ Modbus עבור ממיר I/O אנלוגי כפול מובנה. הפונקציות כוללות:

• כניסה אנלוגית. כשהממיר מקבל כניסה אנלוגית, הוא שולח את הייצוג הספרתי של הערך אל אוגר ה-Modbus‏ המתאים. הוא יכול לקבל כניסות אנלוגיות מ-0 עד ‎11,000 mV או 0 עד 24,000‎ µA.
• יציאה אנלוגית. הממיר מפיק ערך אנלוגי המתאים לכניסה מספרית. יציאות אנלוגיות יכולות להיות בתחום מ-0 עד 11,000‎ mV או 0 עד ‎24,000 µA.
• ניתן גם לזהות ולעבד ערכי נתונים של תהליכים מחוץ לתחום התקף (POVR), והממיר שולח אות למערכת.

כשיש להמיר כניסה אנלוגית יחידה לאות IO-Link‏, מתכננים יכולים להשתמש ב-S15C-I-KQ. זרם אנלוגי גלילי זה לממיר IO-Link מתחבר למקור זרם של 4‏ עד ‎20 mA‏‏ ומפיק את הערך המתאים ל-IO-Link master.

חברת Banner מציעה‏ מגוון של בלוקים‏ Modbus RTU I/O‏ התומכים בחיבורי‏ התקנים בדידים ואנלוגיים מרובים המחוברים לרשת Modbus או IO-Link‏. ניתן לערב או להתאים אותם כדי לתמוך בתכני מערכת גמישים וביכולת פעולה הדדית (Interoperability) (איור 5‏).

איור 5: דוגמאות של גורמי הצורה והתצורות של פתרונות I/O מרוחקים של Banner עבור אינטגרציית IO-Link. (מקור תמונה: DigiKey‏)

האם ניתן לשלב פרוטוקולים אלחוטיים?

פתרון רשת I/O אלחוטי Sure Cross DSX80 Performance מאפשר חיבוריות אלחוטית. ניתן להשתמש בו באופן עצמאי או מחובר ל-PLC מארח תוך שימוש ב-Modbus או במחשב או טבלט אישי. ארכיטקטורת המערכת הבסיסית כוללת שער (Gateway) וצומת אחד או יותר (איור 6‏).

איור 6: פתרון רשת I/O אלחוטי Sure Cross DSX80 Performance של Banner כולל שער (Gateway‏) וצומת חיישן אחד או יותר. (מקור תמונה: Banner Engineering‏)

מימוש רשת אלחוטית ‏Sure Cross DX80 Performance כרוך בשלושה אלמנטים: טופולוגיית הרשת, יחסי Master‏ ו-Slave, וארכיטקטורת Time Division Multiple Accees‏ (TDMA‏).

טופולוגיית כוכב משמשת היכן שה-Master‏ מקיים חיבור נפרד עם כל צומת. אם החיבור בין צומת ו-Master‏ נכשל, החיבוריות עם שאר הצמתים‏ אינו מושפע.

שער (Gateway) כמו ה-DX80G2M6-QC הוא התקן ה-Master‏ ויוזם את כל התקשורת עם התקני ה-Slave. שער (Gateway) המשתמש בחיבור Modbus RTU RS-485 מתפקד כ-Slave לבקר מארח Modbus RTU‏. רשת אלחוטית אחת יכולה לכלול עד 47 צמתי Slave.

התקני Slave יכולים להיות צמתים אלחוטיים כמו צומת חיישן הטמפרטורה של שני תרמיסטורים DX80N9Q45DT, צומת חיישן הלחץ DX80N9Q45PS150G או חיישני רעידות ולחות.

התקני Slave אינם יכולים ליזום תקשורת עם השער (Gateway) או לתקשר אחד עם השני. ניתן להוסיף רדיו נתונים טוריים כמו ה-‏DX80SR9M-H כדי להרחיב את כיסוי הרשת כדי להכיל התקנות גדולות פיזית.

TDMA‏ היא המפתח לשילוב חיבוריות איתנה עם צריכת אנרגיה מינימלית. בקר ה-TDMA‏ בשער (Gateway) מקצה לכל צומת זמן ספציפי לשליחה וקבלה של נתונים. לשער (Gateway) יש תמיד מספר זיהוי התקן 0. ניתן למספר צמתים בכל סדר באמצעות מזהי התקנים 1 עד 47.

הגדרת זמני תקשורת ספציפיים עבור צמתים בודדים ממטבת את היעילות על ידי ביטול האפשרות של התנגשויות בין צמתים. היא גם מאפשרת לצמתים להיכנס למצב של הספק-נמוך בין תקשורות, והתעוררות רק בזמן המוקצה. כיבוי הרדיו בין שידורים משמר הספק ומאריך את חיי העבודה של צמתים מוזני סוללה.

סיכום

גישה לפרוטוקולים מרובים של תקשורת, כמו IO-Link,‏ Modbus,‏ EtherNet/IP, וכו', הוא חיוני כדי לתמוך בתפקוד היעיל של רשתות Industry 4.0 ו-IIoT. חברת Banner Engineering מספקת למתכננים מבחר מקיף של רכזות IO-Link, ממירים ו-Masters‏, בגורמי צורה שונים, כדי לתמוך בפתרונות תקשורת ממוטבים.