I nuovi master IO-Link possono bilanciare i vantaggi della connettività cloud e del controllo locale nelle fabbriche dell'Impresa 4.0

Bilanciare le esigenze di connettività cloud e di controllo locale tramite i controller a logica programmabile (PLC) nelle reti industriali solo da poco è diventato più facile. Le reti dell'Impresa 4.0 sono complesse e comprendono diversi livelli di connettività, da IO-Link in fabbrica ai fieldbus come EtherNet/IP e PROFINET che collegano macchine e PLC e un'interfaccia Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) che arriva fino al cloud.

In una rete tradizionale dell'Impresa 4.0, i sensori, gli attuatori e gli altri dispositivi utilizzano un master IO-Link per connettersi alla rete fieldbus, mentre i dispositivi sulla rete fieldbus utilizzano OPC UA e altri protocolli per connettersi al cloud.

I progettisti di macchine e reti di fabbrica hanno ora a disposizione un nuovo strumento - i master IO-Link - che combina la consueta connettività EtherNet/IP, PROFINET e altri fieldbus con un'interfaccia OPC UA per la connessione diretta al cloud. Questo può essere utilizzato per appiattire la connettività e velocizzare la consegna di dati critici ai livelli più alti della rete.

Questo articolo inizia con una rassegna dell'uso del controllo locale e della connettività cloud in un'architettura di rete tradizionale. Presenta quindi l'architettura appiattita resa possibile dai nuovi master IO-Link di Pepperl+Fuchs, che comprende fieldbus e connettività OPC UA e può supportare più connessioni parallele. Inoltre, considera come si inserisce la nuova tecnologia Ethernet Advanced Physical Layer (APL).

Il documento si conclude illustrando i nuovi master IO-Link con connettività OPC UA e gli hub IO-Link compatibili per l'espansione della rete, oltre ad alcuni dispositivi IO-Link rappresentativi e all'uso di un master USB IO-Link per la configurazione, la messa in funzione e la risoluzione dei problemi dei dispositivi IO-Link.

Le fabbriche dell'Impresa 4.0 richiedono diversi mix di controllo locale e connettività cloud, ognuno con i suoi vantaggi. La soluzione migliore spesso combina PLC ed edge computer per un controllo locale reattivo e utilizza il cloud per analizzare i dati complessi.

I PLC sono robusti e progettati per l'uso negli ambienti industriali. Sono generalmente modulari e possono adattarsi alle mutevoli esigenze delle fabbriche dell'Impresa 4.0. I PLC sono più compatti e affidabili dei sistemi a relè che spesso sostituiscono. Forse l'aspetto più importante è che i PLC possono supportare il controllo in tempo reale in applicazioni critiche con un riscontro diretto dalle macchine e dai sensori collegati.

La connettività cloud fornisce capacità di storage e di calcolo essenzialmente illimitate. Può collegare i dati di varie applicazioni, controllate da singoli PLC, e supportare il funzionamento armonizzato e ottimizzato dell'intera fabbrica. La connettività cloud può scaricare le attività amministrative dai PLC e i servizi di cloud computing possono essere scalati in modo rapido ed economico.

IO-Link tradizionale

IO-Link è un protocollo punto-punto, non un fieldbus. In una rete tradizionale dell'Impresa 4.0, i master IO-Link sono gli intermediari tra i dispositivi IO-Link presenti in fabbrica e la rete fieldbus. Ogni porta di un master IO-Link si collega a un singolo dispositivo IO-Link. Il master IO-Link consolida e traduce le comunicazioni dei dispositivi IO-Link collegati e le invia alla rete fieldbus.

I master IO-Link possono essere installati all'interno dell'armadio elettrico. Possono collegarsi alla rete fieldbus come punto di connessione remoto con un grado di protezione ambientale IP20 o essere utilizzati in fabbrica con un grado di protezione IP65/67 (Figura 1). Non esiste una connessione diretta tra i master IO-Link tradizionali e il cloud; tutte le comunicazioni verso il cloud sono canalizzate e controllate dai dispositivi sul fieldbus.

Figura 1: Applicazione di rete tradizionale di IO-Link collegata a un fieldbus. (Immagine per gentile concessione di Pepperl+Fuchs)

IO-Link potenziato e rete parallela

L'aggiunta della connettività OPC UA in un master IO-Link cambia radicalmente le possibilità delle architetture di rete industriali. Non è più necessario che le comunicazioni vengano convogliate sul fieldbus per raggiungere il cloud.

I dati critici per il controllo in tempo reale possono ancora essere trasmessi sul fieldbus. I dati meno critici possono essere aggregati e inviati direttamente al cloud, eliminando l'onere della comunicazione dai dispositivi fieldbus.

Pepperl+Fuchs definisce questa nuova struttura come un'architettura "parallela", poiché può essere utilizzata in parallelo con i sistemi di controllo delle macchine industriali standard. La chiave è la tecnologia MultiLink™ dell'azienda, che supporta l'uso parallelo di un fieldbus Industrial Ethernet per il collegamento con i PLC che utilizzano un protocollo come EtherNet/IP e il Message Queuing Telemetry Transport (MQTT). Questo protocollo di messaggistica open-source utilizza OPC UA e può connettersi con i dispositivi dell'Internet delle cose industriale (IIoT), come i computer industriali, i sistemi di controllo di supervisione e acquisizione dati (SCADA) e il cloud.

Per completare il pacchetto, i master IO-Link con MultiLink includono anche un server web integrato e un interprete della descrizione dei dispositivi IO-Link (IODD) che supporta la configurazione della connessione del fieldbus e dei dispositivi IO-Link collegati tramite un browser web (Figura 2).

Figura 2: Nuova architettura di rete IO-Link che utilizza OPC UA per la connettività diretta al cloud e una struttura di rete più piatta. (Immagine per gentile concessione di Pepperl+Fuchs)

Più scelte di rete

Oltre a realizzare la nuova architettura di rete parallela descritta in precedenza, i master IO-Link con OPC UA e MultiLink possono essere utilizzati per altri casi d'uso come:

Riqualificazioni - Questo master IO-Link convenzionale può essere sostituito da uno con connettività OPC UA e MultiLink per aggiungere i vantaggi della comunicazione parallela a una rete esistente.

Applicazioni senza un PLC tradizionale - Alcune applicazioni, come un sistema di pianificazione delle risorse aziendali (ERP) o un sistema di esecuzione della produzione (MES), raccolgono dati dai sensori presenti in fabbrica e non necessitano di un PLC. Un master IO-Link con OPC UA può inviare i dati direttamente al cloud, dove possono essere aggregati, analizzati e utilizzati per massimizzare la produttività.

Applicazioni con più PLC - Le complesse celle di saldatura sono un esempio applicativo con più PLC e più protocolli che possono beneficiare dell'aggiunta di OPC UA. Ad esempio, un PLC primario può controllare l'intero processo utilizzando la comunicazione PROFINET, un PC industriale può controllare il monitoraggio della qualità ottica con la comunicazione EtherNet/IP e vari robot e altre apparecchiature possono utilizzare protocolli di controllo proprietari. OPC UA con la tecnologia MultiLink di Pepperl+Fuchs favorisce la comunicazione e lo scambio di dati tra i sistemi, nonostante i diversi protocolli fieldbus, e può collegare l'intera cella di saldatura al cloud.

Concepito sulla base di Ethernet APL

La tecnologia MultiLink si basa sullo strato fisico avanzato di Ethernet, o Ethernet-APL, che consente di utilizzare Ethernet per la comunicazione e l'alimentazione della strumentazione di processo su lunghe distanze. Si basa sullo standard di strato fisico Ethernet 10BASE-T1L.

Con una velocità di 10 Mbps e una portata di 1.000 metri, Ethernet-APL è stato sviluppato per il monitoraggio e il controllo dei processi in tempo reale, consentendo un accesso parallelo. Supporta EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA, PROFINET e altri protocolli di livello superiore. Elimina la necessità di gateway o altre conversioni di protocollo. Implementa 10BASE-T1L utilizzando una speciale connessione fisica Ethernet (PHY) nello strato 1 del modello OSI (Open Systems Interconnection) (Figura 3).

Figura 3: Ethernet-APL è un nuovo PHY basato su 10BASE-T1L. (Immagine per gentile concessione di Pepperl+Fuchs)

I nuovi strumenti di connettività di rete industriale

Per i progettisti di reti industriali che desiderano sfruttare le nuove possibilità offerte dai master IO-Link con connettività parallela OPC UA MultiLink, Pepperl+Fuchs offre le serie di master IO-Link ICE2 (con EtherNet/IP) e ICE3 (con PROFINET). Entrambi i tipi di master IO-Link dispongono di otto ingressi e uscite e sono dotati di una funzionalità di configurazione basata sul web per l'impostazione di tutti i parametri del modulo e di tutti i dispositivi IO-Link collegati (funzionamento web IODD). Comprendono storage integrato di oltre 100 IODD. Le altre caratteristiche includono:

• Il software PortVision® DX supporta configurazione di rete, gestione dei dispositivi e clonazione/backup delle impostazioni in un'unica applicazione.
• Tutte le impostazioni del modulo possono essere salvate in un file separato e trasferite a un nuovo dispositivo utilizzando la funzione di clonazione per velocizzare le installazioni.
• I modelli a blocchi sono dotati di due connettori di alimentazione M12 con codifica L, con una potenza nominale di 16 A. Gli ingressi e le uscite sono dotati di connettori M12 con codifica A, mentre il collegamento al fieldbus avviene tramite connettori M12 con codifica D.
• I modelli su guida DIN sono disponibili con terminali a vite o connettori inseribili a innesto.
• Gradi di protezione: i modelli a blocchi hanno un grado di protezione IP67, mentre i modelli su guida DIN hanno un grado di protezione IP20 (Figura 4).

Figura 4: Esempi di master IO-Link su guida DIN (sinistra) e a blocchi (destra). (Immagine per gentile concessione di Pepperl+Fuchs)

Esempi di master IO-Link con OPC UA MultiLink sono i seguenti:

• ICE2-8IOL1-G65L-V1D è un master EtherNet/IP e Modbus IO-Link a blocchi con quattro porte IO-Link di classe A che possono fornire fino a 200 mA di alimentazione ai dispositivi collegati e quattro porte IO-Link di classe B per dispositivi a potenza superiore con una propria fonte di alimentazione indipendente.
• ICE2-8IOL-K45P-RJ45 è un master EtherNet/IP IO-Link su guida DIN con otto ingressi/uscite e connettori a innesto.
• ICE3-8IOL1-G65L-V1D è un master PROFINET e Modbus IO-Link a blocchi con 4 porte IO-Link di classe A e 4 porte IO-Link di classe B.
• ICE3-8IOL-K45S-RJ45 è un master PROFINET IO-Link su guida DIN con otto ingressi/uscite e terminali a vite.

Hub e convertitori per l'espansione della rete

Gli hub IO-Link supportano l'espansione delle reti di sensori, attuatori e altri dispositivi. Gli hub IO-Link consentono di collegare più sensori e attuatori digitali a un master IO-Link utilizzando un cavo sensore standard. Ad esempio, l'hub IO-Link ICA-16DI-G60A-IO può gestire fino a 16 ingressi digitali PNP e il livello logico può essere configurato individualmente per ciascuna porta. A seconda della capacità del master IO-Link collegato, questo hub può erogare fino a 500 mA di potenza ai dispositivi collegati. È classificato con un grado di protezione IP65, IP67 e IP69K.

Per collegare un sensore con uscita analogica a una rete IO-Link, i progettisti possono rivolgersi al convertitore IO-Link ICA-AI-I/U-IO-V1 con un ingresso analogico per corrente o tensione e un'uscita IO-Link. Ha un grado di protezione IP67 e l'ingresso può essere impostato come segue:

• L'ingresso di corrente può essere impostato su 0-20 mA o 4-20 mA.
• L'ingresso di tensione può essere impostato da -10 a 10 V o da 0 a 10 V.

Offerte di dispositivi IO-Link

È disponibile un ecosistema completo di dispositivi IO-Link per pressoché tutti i processi industriali, comprese le esigenze di rilevamento e controllo. Il portafoglio IO-Link di Pepperl+Fuchs comprende sensori di prossimità induttivi, sistemi di posizionamento induttivi, sensori fotoelettrici, sensori a ultrasuoni, sensori di vibrazione, encoder rotativi e sistemi di identificazione (Figura 5). Gli esempi includono:

• Il dispositivo di misurazione della distanza VDM28 utilizza la tecnologia PRT (Pulse Ranging Technology) per offrire una precisione di ripetizione di 5 mm con un campo operativo da 0,2 a 15 m e una precisione assoluta di 25 mm.
• Il dispositivo di lettura/scrittura RFID IUT-F191-IO-V1-FR2-02 è ottimizzato per applicazioni industriali con distanze fino a circa un metro. Il dispositivo legge e scrive tag passivi sulla base della norma ISO/IEC 18000-63.

Figura 5: Esempi dell'ampia gamma di dispositivi IO-Link disponibili. (Immagine per gentile concessione di Pepperl+Fuchs)

Master USB per la messa in funzione dei dispositivi IO-Link

Quando è il momento di installare e mettere in funzione i dispositivi IO-Link, i tecnici di rete possono rivolgersi al master IO-LINK-MASTER02-USB (Figura 6). Questo master USB può collegare i dispositivi IO-Link a una porta USB di un PC. È progettato per supportare le attività di test, configurazione e assistenza. I dispositivi collegati possono essere configurati e parametrizzati. È supportata anche la diagnostica del dispositivo. I dispositivi a basso consumo di corrente possono essere alimentati direttamente dal master USB. I dispositivi con esigenze di potenza superiori possono essere collegati a un alimentatore esterno opzionale.

Figura 6: Questo master USB IO-Link si collega a un PC per velocizzare le implementazioni di rete. (Immagine per gentile concessione di Pepperl+Fuchs)

Conclusione

L'aggiunta della connettività parallela OPC UA ai dispositivi master IO-Link ha cambiato radicalmente le opzioni disponibili per i progettisti di reti per l'Impresa 4.0. È ora possibile appiattire l'architettura di rete e fornire connessioni dirette tra i dispositivi IO-Link in fabbrica e il cloud. La nuova tecnologia può essere utilizzata in diversi casi d'uso per migliorare l'efficienza operativa.