Neue IO-Link-Master nutzen die Vorteile von Cloud-Vernetzung und lokaler Steuerung in Industrie-4.0-Fabriken

Ein Gleichgewicht zu finden zwischen Cloud-Vernetzung und lokaler Steuerung mithilfe von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) in industriellen Netzwerken ist jetzt noch einfacher geworden. Industrie-4.0-Netzwerke sind komplex und umfassen mehrere Verbindungsebenen, von IO-Link in der Fabrikhalle über Feldbusse wie EtherNet/IP und PROFINET, die Maschinen und SPS verbinden, bis hin zu einer OPC-UA-Schnittstelle (Open Platform Communications Unified Architecture), die bis in die Cloud reicht.

In einem herkömmlichen Netzwerk für Industrie 4.0 verwenden Sensoren, Aktoren und andere Geräte einen IO-Link-Master, um sich mit dem Feldbusnetzwerk zu verbinden, und Geräte im Feldbusnetzwerk verwenden OPC UA und andere Protokolle, um sich mit der Cloud zu verbinden.

Entwicklungsteams von Maschinen- und Fabriknetzwerken steht mit IO-Link-Mastern ein neues Werkzeug zur Verfügung, das die übliche EtherNet/IP-, PROFINET- und andere Feldbus-Vernetzung mit einer OPC-UA-Schnittstelle für die direkte Anbindung an die Cloud kombiniert. Dies kann genutzt werden, um die Vernetzung zu verbessern und die Bereitstellung wichtiger Daten auf den höchsten Ebenen des Netzwerks zu beschleunigen.

Dieser Artikel beginnt mit einem Überblick über die Verwendung von lokaler Kontrolle und Cloud-Vernetzung in einer herkömmlichen Netzwerkarchitektur. Anschließend wird die flache Architektur der neuen IO-Link-Master von Pepperl+Fuchs vorgestellt, die Feldbus- und OPC-UA-Vernetzung beinhaltet und mehrere parallele Verbindungen unterstützen kann. Außerdem wird untersucht, wie sich die neue Ethernet-APL-Technologie (APL: Advanced Physical Layer) einfügt.

Abschließend werden die neuen IO-Link-Master mit OPC-UA-Vernetzung und kompatible IO-Link-Hubs für die Netzwerkerweiterung sowie einige repräsentative IO-Link-Geräte und die Verwendung eines IO-Link-USB-Masters für die Konfiguration, Inbetriebnahme und Fehlerbehebung von IO-Link-Geräten vorgestellt.

Industrie-4.0-Fabriken erfordern unterschiedliche Kombinationen aus lokaler Steuerung und Cloud-Vernetzung. Jede hat ihre Vorteile. Die beste Lösung ist oft eine Kombination aus SPS und Edge-Computern für eine reaktionsschnelle lokale Steuerung und die Nutzung der Cloud zur Analyse komplexer Daten.

SPSen sind robust und für den Einsatz in industriellen Umgebungen konzipiert. Sie sind in der Regel modular aufgebaut und können den sich ändernden Anforderungen von Industrie-4.0-Fabriken gerecht werden. SPSen sind kompakter und zuverlässiger als die relaisbasierten Systeme, die sie oft ersetzen. Am wichtigsten ist vielleicht, dass SPSen die Echtzeitsteuerung in kritischen Anwendungen mit direktem Feedback von den angeschlossenen Maschinen und Sensoren unterstützen können.

Die Cloud-Vernetzung bietet praktisch unbegrenzte Speicher- und Rechenkapazitäten. Sie kann Daten aus verschiedenen Anwendungen, die von einzelnen SPSen gesteuert werden, miteinander verknüpfen und einen harmonisierten und optimierten Gesamtbetrieb der Fabrik unterstützen. Durch die Cloud-Vernetzung können SPSen von Verwaltungsaufgaben entlastet werden, und Cloud-Computing-Dienste lassen sich schnell und kostengünstig skalieren.

Traditionelles IO-Link

IO-Link ist ein Punkt-zu-Punkt-Protokoll, kein Feldbus. In einem traditionellen Industrie-4.0-Netzwerk sind IO-Link-Master die Vermittler zwischen den IO-Link-Geräten in der Fabrikhalle und dem Feldbusnetzwerk. Jeder Port an einem IO-Link-Master ist mit einem einzelnen IO-Link-Gerät verbunden. Der IO-Link-Master bündelt und übersetzt die Kommunikation der angeschlossenen IO-Link-Geräte und sendet sie an das Feldbusnetzwerk weiter.

IO-Link-Master stehen auch für den Einbau in den Schaltschrank zur Verfügung. Sie können an das Feldbusnetz als entfernter Anschlusspunkt mit Schutzart IP20 angeschlossen oder in der Fabrikhalle mit einer Schutzart von IP65/67 eingesetzt werden (Abbildung 1). Es gibt keine direkte Verbindung zwischen herkömmlichen IO-Link-Mastern und der Cloud; die gesamte Kommunikation mit der Cloud wird über Geräte auf dem Feldbus geleitet und von diesen gesteuert.

Abbildung 1: Traditionelle Netzwerkanwendung von IO-Link in Verbindung mit einem Feldbus. (Bildquelle: Pepperl+Fuchs)

Erweitertes IO-Link und ein paralleles Netzwerk

Das Hinzufügen von OPC-UA-Vernetzung zu einem IO-Link Master verändert die Möglichkeiten für industrielle Netzwerkarchitekturen dramatisch. Es ist nicht mehr nötig, die Kommunikation in den Feldbus zu leiten, um in die Cloud zu gelangen.

Zeitkritische Daten für die Echtzeitsteuerung können weiterhin auf den Feldbus gelegt werden. Weniger zeitkritische Daten können zusammengefasst und direkt an die Cloud gesendet werden, wodurch die Feldbusgeräte von diesem Kommunikations-Overhead entlastet werden.

Pepperl+Fuchs bezeichnet diese neue Struktur als „parallele“ Architektur, da sie parallel zu industriellen Standard-Maschinensteuerungen eingesetzt werden kann. Der Schlüssel dazu ist die MultiLink™-Technologie des Unternehmens, die die parallele Nutzung eines industriellen Ethernet-Feldbusses für die Verbindung mit SPSen mit einem Protokoll wie EtherNet/IP und MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) unterstützt. Dieses Open-Source-Nachrichtenprotokoll verwendet OPC UA und kann mit Geräten im IIoT (Industrielles Internet der Dinge), wie Industriecomputern, SCADA-Systemen (Supervisory Control and Data Acquisition) und der Cloud verbunden werden.

Um das Paket abzurunden, enthalten IO-Link-Master mit MultiLink auch einen integrierten Webserver und IODD-Interpreter (IO-Link-Device-Description), der die Konfiguration der Feldbusanbindung und der angeschlossenen IO-Link-Geräte über einen Webbrowser unterstützt (Bild 2).

Abbildung 2: Neue IO-Link-Netzwerkarchitektur mit OPC UA für direkte Cloud-Vernetzung und eine flachere Netzwerkstruktur. (Bildquelle: Pepperl+Fuchs)

Mehr Möglichkeiten zur Vernetzung

Neben der oben beschriebenen neuen parallelen Netzwerkarchitektur können IO-Link-Master mit OPC UA und MultiLink auch für andere Anwendungsfälle genutzt werden:

Nachrüstungen - Der herkömmliche IO-Link-Master kann durch einen mit OPC UA und MultiLink-Konnektivität ersetzt werden, um die Vorteile der parallelen Kommunikation in ein bestehendes Netzwerk zu integrieren.

Anwendungen ohne herkömmliche SPS - Einige Anwendungen, wie z. B. ein ERP (Enterprise Resource Planning) oder MES (Manufacturing Execution System), sammeln Daten von Sensoren in der Fabrikhalle und benötigen keine SPS. Ein IO-Link-Master mit OPC UA kann die Daten direkt an die Cloud senden, wo sie aggregiert, analysiert und ausgewertet werden können, um die Produktivität zu maximieren.

Anwendungen mit mehreren SPSen - Komplexe Schweißzellen sind ein Beispiel für eine Anwendung mit mehreren SPSen und mehreren Protokollen, die von OPC UA profitieren können. So kann beispielsweise eine primäre SPS den gesamten Prozess über PROFINET-Kommunikation steuern, ein Industrie-PC kann die optische Qualitätsüberwachung über EtherNet/IP-Kommunikation steuern, und verschiedene Roboter und andere Geräte können proprietäre Steuerungsprotokolle verwenden. OPC UA mit der MultiLink-Technologie von Pepperl+Fuchs ermöglicht die Kommunikation und den Datenaustausch zwischen den Systemen trotz unterschiedlicher Feldbusprotokolle und kann die gesamte Schweißzelle mit der Cloud verbinden.

Aufbauend auf der Grundlage von Ethernet APL

Die MultiLink-Technologie basiert auf der Grundlage der erweiterten physikalischen Schicht von Ethernet (Ethernet-APL), die es ermöglicht, Ethernet für die Kommunikation und Stromversorgung mit Prozessinstrumenten über große Entfernungen zu nutzen. Es basiert auf dem 10BASE-T1L-Ethernet-Standard für die physikalische Schicht.

Mit einer Geschwindigkeit von 10 Mbit/s und einer Reichweite von 1000 Metern wurde Ethernet-APL für die Prozessüberwachung und -steuerung in Echtzeit entwickelt und ermöglicht einen parallelen Zugriff. Es unterstützt EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA, PROFINET und andere übergeordnete Protokolle. Es macht Gateways oder andere Protokollkonvertierungen überflüssig. Es implementiert 10BASE-T1L unter Verwendung einer speziellen physikalischen Ethernet-Verbindung (PHY) in Schicht 1 des OSI-Modells (Open Systems Interconnection) (Abbildung 3).

Abbildung 3: Ethernet-APL ist ein neuer PHY, der auf 10BASE-T1L basiert. (Bildquelle: Pepperl+Fuchs)

Die neuen Tools für die industrielle Vernetzung

Für das industrielle Netzwerkdesign, bei dem die neuen Möglichkeiten von IO-Link-Mastern mit paralleler OPC-UA-MultiLink-Vernetzung genutzt werden sollen, bietet Pepperl+Fuchs die IO-Link-Masterserien ICE2 (mit EtherNet/IP) und ICE3 (mit PROFINET) an. Beide Arten von IO-Link-Mastern verfügen über acht Ein- und Ausgänge und sind mit einer webbasierten Konfigurationsmöglichkeit zur Einstellung aller Modulparameter und aller angeschlossenen IO-Link-Geräte ausgestattet (Web-IODD-Betrieb). Sie umfassen einen integrierten IODD-Speicher für über 100 IODDs. Weitere Merkmale sind:

• Die Software PortVision® DX unterstützt die Netzwerkkonfiguration, das Gerätemanagement und das Klonen/Backup von Einstellungen in einer Anwendung.
• Alle Moduleinstellungen können als separate Datei gespeichert und mit der Klonfunktion auf ein neues Gerät übertragen werden, um die Bereitstellung zu beschleunigen.
• Die Blockmodelle verfügen über zwei L-kodierte M12-Leistungsstecker, die für 16 A ausgelegt sind. Die Ein- und Ausgänge sind mit A-kodierten M12-Steckverbindern ausgestattet, der Anschluss an den Feldbus erfolgt über D-kodierte M12-Steckverbinder.
• Die Modelle für Hutschienen sind mit Schraubklemmen oder Steckverbindern erhältlich.
• Schutzarten: Die Blockmodelle entsprechen der Schutzart IP67, die Hutschienenmodelle der Schutzart IP20 (Abbildung 4).

Abbildung 4: Beispiele für IO-Link-Master auf Hutschiene (links) und im Blockformat (rechts). (Bildquelle: Pepperl+Fuchs)

Beispiele für IO-Link-Master mit OPC UA MultiLink sind:

• Der ICE2-8IOL1-G65L-V1D ist ein EtherNet/IP- und Modbus-IO-Link-Master in Blockbauweise mit vier IO-Link-Ports der Klasse A, die bis zu 200 mA Strom für angeschlossene Geräte liefern können, und vier IO-Link-Ports der Klasse B für Geräte mit höherer Leistung und eigener unabhängiger Stromquelle.
• Der ICE2-8IOL-K45P-RJ45 ist ein EtherNet/IP-IO-Link-Master im Hutschienenformat mit acht Ein-/Ausgängen und Steckanschlüssen.
• Der ICE3-8IOL1-G65L-V1D ist ein PROFINET- und Modbus-IO-Link-Master in Blockbauweise mit 4 IO-Link-Ports der Klasse A und 4 IO-Link-Ports der Klasse B.
• Der ICE3-8IOL-K45S-RJ45 ist ein PROFINET-IO-Link-Master im Hutschienenformat mit acht Ein-/Ausgängen und Schraubklemmen.

Hubs und Konverter für die Netzwerkerweiterung

IO-Link-Hubs unterstützen wachsende Netzwerke aus Sensoren, Aktoren und anderen Geräten. Mit IO-Link-Hubs können mehrere digitale Sensoren und Aktoren über ein Standard-Sensorkabel an einen IO-Link-Master angeschlossen werden. Der IO-Link-Hub ICA-16DI-G60A-IO kann zum Beispiel bis zu 16 PNP-Digitaleingänge verarbeiten, wobei der Logikpegel für jeden Port individuell konfiguriert werden kann. Abhängig von der Leistungsfähigkeit des angeschlossenen IO-Link-Masters kann dieser Hub bis zu 500 mA Strom an die angeschlossenen Geräte liefern. Er ist für die Schutzklassen IP65, IP67 und IP69K ausgelegt.

Wenn ein Sensor mit analogem Ausgang an ein IO-Link-Netzwerk angeschlossen werden soll, kann der IO-Link-Konverter ICA-AI-I/U-IO-V1 verwendet werden, der über einen analogen Eingang für Strom oder Spannung und einen IO-Link-Ausgang verfügt. Er erfüllt die Schutzart IP67, und der Eingang kann wie folgt eingestellt werden:

• Der Stromeingang kann für 0 bis 20 mA oder 4 bis 20 mA eingestellt werden.
• Der Spannungseingang kann für -10 bis 10 V oder 0 bis 10 V eingestellt werden.

IO-Link-Geräteangebot

Ein umfassendes Ökosystem von IO-Link-Geräten ist für fast jeden industriellen Prozess verfügbar, einschließlich solcher mit Anforderungen an Sensorik und Steuerung. Das IO-Link-Portfolio von Pepperl+Fuchs umfasst induktive Näherungssensoren, induktive Positioniersysteme, optoelektronische Sensoren, Ultraschallsensoren, Vibrationssensoren, Drehgeber und Identifikationssysteme (Bild 5). Beispiele sind:

• Der Entfernungsmesser VDM28 nutzt die pulsgesteuerte Entfernungsmessung (PRT, Pulse Ranging Technology), um eine Wiederholgenauigkeit von 5 mm bei einem Arbeitsbereich von 0,2 bis 15 m und eine absolute Genauigkeit von 25 mm zu erreichen.
• Das RFID-Schreib-/Lesegerät IUT-F191-IO-V1-FR2-02 ist für industrielle Anwendungen mit Entfernungen bis zu etwa einem Meter optimiert. Das Gerät liest und schreibt passive Tags auf der Grundlage von ISO/IEC 18000-63.

Abbildung 5: Beispiele für die breite Palette der verfügbaren IO-Link-Geräte. (Bildquelle: Pepperl+Fuchs)

USB-Master zur Inbetriebnahme von IO-Link-Geräten

Wenn es an der Zeit ist, IO-Link-Geräte zu installieren und in Betrieb zu nehmen, kann der IO-LINK-MASTER02-USB (Abbildung 6) verwendet werden. Dieser USB-Master kann IO-Link-Geräte an einen USB-Port eines PCs anschließen. Er wurde entwickelt, um Test-, Konfigurations- und Wartungsaktivitäten zu unterstützen. Angeschlossene Geräte können konfiguriert und parametriert werden. Die Gerätediagnose wird ebenfalls unterstützt. Geräte mit geringem Stromverbrauch können direkt über den USB-Master versorgt werden. Geräte mit höherem Leistungsbedarf können an eine optionale externe Stromversorgung angeschlossen werden.

Abbildung 6: Dieser IO-Link-USB-Master wird an einen PC angeschlossen, um die Netzwerkbereitstellung zu beschleunigen. (Bildquelle: Pepperl+Fuchs)

Fazit

Das Hinzufügen der parallelen OPC-UA-Vernetzung zu den IO-Link-Master-Geräten hat die Optionen, die den Entwicklungsteams von Industrie-4.0-Netzwerken zur Verfügung stehen, drastisch verändert. Es ist nun möglich, die Netzwerkarchitektur zu verflachen und direkte Verbindungen zwischen den IO-Link-Geräten in der Fabrikhalle und der Cloud herzustellen. Die neue Technologie kann in verschiedenen Anwendungsfällen eingesetzt werden, um die betriebliche Effizienz zu verbessern.