IO-Link Masters ใหม่สามารถสร้างสมดุลระหว่างประโยชน์ของการเชื่อมต่อระบบคลาวด์และการควบคุมภายในโรงงานอุตสาหกรรม 4.0 ได้อย่างไร

การรักษาสมดุลระหว่างความต้องการการเชื่อมต่อระบบคลาวด์และการควบคุมภายในโดยใช้ตัวควบคุมลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้ (PLC) ในเครือข่ายอุตสาหกรรมเป็นเรื่องง่ายยิ่งขึ้น เครือข่ายอุตสาหกรรม 4.0 มีความซับซ้อนและประกอบด้วยการเชื่อมต่อหลายระดับตั้งแต่ IO-Link บนพื้นโรงงานไปจนถึงฟิลด์บัส เช่น EtherNet/IP และ PROFINET ที่เชื่อมต่อเครื่องจักรและ PLC และอินเทอร์เฟซ Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) ที่ไปถึงระบบคลาวด์

ในเครือข่ายอุตสาหกรรม 4.0 แบบดั้งเดิม เซนเซอร์ แอคทูเอเตอร์ และอุปกรณ์อื่น ๆ จะใช้ IO-Link master เพื่อเชื่อมต่อกับเครือข่ายฟิลด์บัส และอุปกรณ์บนเครือข่ายฟิลด์บัสจะใช้ OPC UA และโปรโตคอลอื่น ๆ เพื่อเชื่อมต่อกับคลาวด์

ปัจจุบันนักออกแบบเครือข่ายเครื่องจักรและโรงงานมีเครื่องมือใหม่ — IO-Link masters — ซึ่งรวม EtherNet/IP, PROFINET และการเชื่อมต่อฟิลด์บัสอื่น ๆ เข้ากับอินเทอร์เฟซ OPC UA เพื่อเชื่อมต่อโดยตรงกับคลาวด์ ซึ่งสามารถใช้เพื่อลดระดับการเชื่อมต่อและเพิ่มความเร็วในการส่งมอบข้อมูลสำคัญไปยังเครือข่ายระดับสูงสุดได้

บทความนี้เริ่มต้นด้วยการทบทวนการใช้การควบคุมภายในและการเชื่อมต่อระบบคลาวด์ในสถาปัตยกรรมเครือข่ายแบบดั้งเดิม จากนั้นจะนำเสนอสถาปัตยกรรมแบบแบนที่เปิดใช้งานโดย IO-Link masters ใหม่จากPepperl+Fuchs, ซึ่งรวมถึงการเชื่อมต่อฟิลด์บัสและ OPC UA และสามารถรองรับการเชื่อมต่อแบบขนานหลายรายการได้ นอกจากนี้ยังพิจารณาด้วยว่าเทคโนโลยีชั้นกายภาพขั้นสูง (APL) อีเทอร์เน็ตใหม่เข้ากันได้อย่างไร

ปิดท้ายด้วยการให้รายละเอียดของ IO-Link masters ใหม่พร้อมการเชื่อมต่อ OPC UA และฮับ IO-Link ที่เข้ากันได้สำหรับการขยายเครือข่าย พร้อมทั้งตัวแทนอุปกรณ์ IO-Link บางตัว และการใช้ IO-Link USB master สำหรับการกำหนดค่า การใช้งาน และการแก้ไขปัญหาอุปกรณ์ IO-Link

โรงงานอุตสาหกรรม 4.0 ต้องมีการผสมผสานการควบคุมภายในและการเชื่อมต่อระบบคลาวด์ที่หลากหลาย แต่ละอย่างก็มีข้อดีของตัวเอง โซลูชั่นที่ดีที่สุดมักจะรวม PLC และคอมพิวเตอร์แบบ Edge เพื่อการควบคุมในพื้นที่ที่ตอบสนองขณะใช้ Cloud เพื่อวิเคราะห์ข้อมูลที่ซับซ้อน

PLC มีความทนทานและออกแบบมาเพื่อใช้ในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม โดยทั่วไปแล้วจะมีลักษณะเป็นโมดูลาร์และสามารถรองรับความต้องการที่เปลี่ยนแปลงไปของโรงงานอุตสาหกรรม 4.0 ได้ PLC มีขนาดกะทัดรัดและเชื่อถือได้มากกว่าระบบที่ใช้รีเลย์ซึ่งมักจะถูกแทนที่ ที่สำคัญที่สุด PLC สามารถรองรับการควบคุมแบบเรียลไทม์ในการใช้งานที่สำคัญโดยได้รับผลตอบรับโดยตรงจากเครื่องจักรและเซนเซอร์ที่เชื่อมต่อ

การเชื่อมต่อระบบคลาวด์ช่วยให้สามารถจัดเก็บข้อมูลและประมวลผลข้อมูลได้อย่างไม่จำกัด สามารถเชื่อมโยงข้อมูลจากแอปพลิเคชันต่าง ๆ ที่ควบคุมโดย PLC แต่ละเครื่อง และรองรับการดำเนินงานโรงงานโดยรวมให้สอดประสานและเหมาะสมที่สุด การเชื่อมต่อระบบคลาวด์ช่วยลดภาระงานด้านการบริหารจาก PLC และสามารถปรับขนาดบริการระบบคลาวด์คอมพิวติ้งได้อย่างรวดเร็วและประหยัดต้นทุน

IO-Link แบบดั้งเดิม

IO-Link เป็นโปรโตคอลแบบจุดต่อจุด ไม่ใช่ฟิลด์บัส ในเครือข่ายอุตสาหกรรม 4.0 แบบดั้งเดิม IO-Link masters เป็นตัวกลางระหว่างอุปกรณ์ IO-Link บนพื้นโรงงานและเครือข่ายฟิลด์บัส พอร์ตแต่ละพอร์ตบน IO-Link master จะเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ IO-Link ตัวเดียว IO-Link master จะรวบรวมและแปลการสื่อสารจากอุปกรณ์ IO-Link ที่เชื่อมต่อและส่งไปยังเครือข่ายฟิลด์บัส

มี IO-Link masters สำหรับการติดตั้งภายในตู้ควบคุม สามารถเชื่อมต่อกับเครือข่ายฟิลด์บัสเป็นจุดเชื่อมต่อระยะไกลด้วยระดับสิ่งแวดล้อม IP20 หรือใช้ในพื้นที่โรงงานด้วยระดับ IP65/67 ได้ (รูปที่ 1) ไม่มีการเชื่อมต่อโดยตรงระหว่าง IO-Link masters แบบดั้งเดิมกับคลาวด์ การสื่อสารทั้งหมดไปยังคลาวด์จะถูกส่งผ่านและควบคุมโดยอุปกรณ์บนฟิลด์บัส

รูปที่ 1: การใช้งานเครือข่ายแบบดั้งเดิมของ IO-Link ที่เชื่อมต่อกับฟิลด์บัส (ที่มาของภาพ: Pepperl+Fuchs)

เพิ่มประสิทธิภาพ IO-Link และเครือข่ายคู่ขนาน

การเพิ่มการเชื่อมต่อ OPC UA ลงใน IO-Link master จะเปลี่ยนความเป็นไปได้ของสถาปัตยกรรมเครือข่ายอุตสาหกรรมเป็นอย่างมาก ไม่จำเป็นต้องสื่อสารผ่านฟิลด์บัสเพื่อขึ้นไปยังคลาวด์อีกต่อไป

ข้อมูลที่ละเอียดอ่อนต่อเวลาสำหรับการควบคุมแบบเรียลไทม์ยังสามารถวางลงบนฟิลด์บัสได้ ข้อมูลที่มีความไวต่อเวลาน้อยกว่าสามารถรวบรวมและส่งไปยังระบบคลาวด์โดยตรงได้ โดยจะลดภาระด้านการสื่อสารจากอุปกรณ์ฟิลด์บัส

Pepperl+Fuchs เรียกโครงสร้างใหม่นี้ว่าสถาปัตยกรรมแบบ “คู่ขนาน” เนื่องจากสามารถใช้งานแบบคู่ขนานกับระบบควบคุมเครื่องจักรในอุตสาหกรรมมาตรฐานได้ กุญแจสำคัญคือเทคโนโลยี MultiLink™ ของบริษัทที่รองรับการใช้งานแบบขนานของฟิลด์บัส Ethernet อุตสาหกรรมเพื่อเชื่อมต่อกับ PLC โดยใช้โปรโตคอลเช่น EtherNet/IP และ message queuing telemetry (MQTT) โปรโตคอลการส่งข้อความโอเพ่นซอร์สนี้ใช้ OPC UA และสามารถเชื่อมต่อกับอุปกรณ์บน Industrial Internet of Things (IIoT) เช่น คอมพิวเตอร์อุตสาหกรรม ระบบควบคุมและรวบรวมข้อมูล (SCADA) และคลาวด์

เพื่อให้แพคเกจสมบูรณ์แบบ IO-Link masters พร้อม MultiLink ยังรวมเว็บเซิร์ฟเวอร์แบบรวมและตัวแปลภาษาคำอธิบายอุปกรณ์ IO-Link (IODD) ที่รองรับการกำหนดค่าการเชื่อมต่อฟิลด์บัสและอุปกรณ์ IO-Link ที่แนบโดยใช้เว็บเบราว์เซอร์ด้วย (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: สถาปัตยกรรมเครือข่าย IO-Link ใหม่ที่ใช้ OPC UA เพื่อเชื่อมต่อคลาวด์โดยตรงและโครงสร้างเครือข่ายที่แบนราบยิ่งขึ้น (ที่มาของภาพ: Pepperl+Fuchs)

ทางเลือกเครือข่ายเพิ่มเติม

นอกจากการเปิดใช้งานสถาปัตยกรรมเครือข่ายคู่ขนานใหม่ที่อธิบายข้างต้นแล้ว IO-Link masters ที่มี OPC UA และ MultiLink ยังสามารถใช้สำหรับกรณีการใช้งานอื่น ๆ เช่น:

การปรับปรุง – IO-Link master ทั่วไปนี้สามารถถูกแทนที่ด้วยมาสเตอร์ที่มี OPC UA และการเชื่อมต่อ MultiLink เพื่อเพิ่มประโยชน์ของการสื่อสารแบบขนานในเครือข่ายที่มีอยู่

การใช้งานที่ไม่มี PLC แบบดั้งเดิม – การใช้งานบางอย่าง เช่น ระบบการวางแผนทรัพยากรขององค์กร (ERP) หรือระบบการดำเนินการผลิต (MES) รวบรวมข้อมูลจากเซนเซอร์ในพื้นที่โรงงาน และไม่จำเป็นต้องใช้ PLC IO-Link master ที่มี OPC UA สามารถส่งข้อมูลไปยังคลาวด์โดยตรง ซึ่งสามารถรวบรวม วิเคราะห์ และดำเนินการเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตสูงสุดได้

การใช้งานที่มี PLC หลายตัว เซลล์เชื่อมที่ซับซ้อนเป็นตัวอย่างของแอปพลิเคชันที่มี PLC หลายตัวและโปรโตคอลหลายตัวซึ่งสามารถได้รับประโยชน์จากการเพิ่ม OPC UA ตัวอย่างเช่น PLC หลักสามารถควบคุมกระบวนการโดยรวมโดยใช้การสื่อสาร PROFINET พีซีอุตสาหกรรมสามารถควบคุมการตรวจสอบคุณภาพแบบออปติคัลด้วยการสื่อสาร EtherNet/IP และหุ่นยนต์ต่าง ๆ รวมถึงอุปกรณ์อื่น ๆ อาจใช้โปรโตคอลการควบคุมที่เป็นกรรมสิทธิ์ OPC UA พร้อมเทคโนโลยี MultiLink ของ Pepperl+Fuchs ช่วยให้สามารถสื่อสารและแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างระบบได้ แม้ว่าจะมีโปรโตคอลฟิลด์บัสที่แตกต่างกันก็ตาม และสามารถเชื่อมโยงเซลล์เชื่อมทั้งหมดเข้ากับคลาวด์ได้

สร้างขึ้นบนพื้นฐานของ Ethernet APL

เทคโนโลยี MultiLink ถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของชั้นกายภาพขั้นสูงของอีเทอร์เน็ต หรือ Ethernet-APL ซึ่งช่วยให้สามารถใช้ Ethernet สำหรับการสื่อสารและพลังงานกับเครื่องมือวัดกระบวนการในระยะทางไกลได้ ซึ่งมีพื้นฐานมาจากมาตรฐานชั้นกายภาพ Ethernet 10BASE-T1L

ด้วยความเร็ว 10 Mbps และระยะการทำงาน 1,000 เมตร Ethernet-APL ได้รับการออกแบบมาเพื่อการตรวจสอบและควบคุมกระบวนการแบบเรียลไทม์ ช่วยให้สามารถเข้าถึงแบบขนานได้ รองรับ EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA, PROFINET และโปรโตคอลระดับสูงอื่น ๆ ช่วยขจัดความจำเป็นในการใช้เกตเวย์หรือการแปลงโปรโตคอลอื่น ๆ ใช้ 10BASE-T1L โดยใช้การเชื่อมต่อทางกายภาพอีเทอร์เน็ตพิเศษ (PHY) ในเลเยอร์ 1 ของโมเดล Open Systems Interconnection (OSI) (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: Ethernet-APL เป็น PHY ใหม่ที่ใช้ 10BASE-T1L (ที่มาของภาพ: Pepperl+Fuchs)

เครื่องมือเครือข่ายอุตสาหกรรมใหม่

สำหรับนักออกแบบเครือข่ายอุตสาหกรรมที่ต้องการใช้ประโยชน์จากความเป็นไปได้ใหม่ ๆ ที่ได้รับจาก IO-Link masters ที่มีการเชื่อมต่อแบบขนาน OPC UA MultiLink, Pepperl+Fuchs ขอเสนอ ICE2 (พร้อม EtherNet/IP) และ ICE3 (พร้อม PROFINET)ซีรีส์ IO-Link master IO-Link masters ทั้งสองประเภทมีอินพุตและเอาต์พุตแปดรายการ และมาพร้อมกับความสามารถในการกำหนดค่าบนเว็บสำหรับการตั้งค่าพารามิเตอร์โมดูลทั้งหมดและอุปกรณ์ IO-Link ที่เชื่อมต่อทั้งหมด (การทำงาน IODD บนเว็บ) รวมถึงพื้นที่จัดเก็บ IODD แบบบูรณาการสำหรับ IODD มากกว่า 100 รายการ คุณสมบัติอื่น ๆ ได้แก่:

• ซอฟต์แวร์ PortVision® DX รองรับการกำหนดค่าเครือข่าย การจัดการอุปกรณ์ และการโคลน/สำรองข้อมูลการตั้งค่าในแอปพลิเคชันเดียว
• การตั้งค่าโมดูลทั้งหมดสามารถบันทึกเป็นไฟล์แยกและโอนไปยังอุปกรณ์ใหม่โดยใช้ฟังก์ชันโคลนเพื่อเพิ่มความเร็วในการปรับใช้
• รุ่นบล็อคมีปลั๊กเชื่อมต่อไฟฟ้า M12 รหัส L สองตัว ที่ได้รับการกำหนดสำหรับ 16 A อินพุตและเอาต์พุตมีปลั๊กตัวเชื่อมต่อ M12 แบบรหัส A และการเชื่อมต่อกับฟิลด์บัสจะทำผ่านปลั๊กตัวเชื่อมต่อ M12 แบบรหัส D
• รุ่นราง DIN มีจำหน่ายพร้อมขั้วสกรูหรือขั้วต่อแบบเสียบได้
• ระดับการป้องกัน: รุ่นบล็อกมีระดับการป้องกัน IP67 และรุ่นราง DIN มีระดับการป้องกัน IP20 (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ตัวอย่างของ IO-Link masters แบบราง DIN (ซ้าย) และแบบบล็อก (ขวา) (ที่มาของภาพ: Pepperl+Fuchs)

ตัวอย่าง IO-Link masters ที่มี OPC UA MultiLink ได้แก่:

• ICE2-8IOL1-G65L-V1D เป็น EtherNet/IP และ Modbus IO-Link master แบบบล็อกพร้อมพอร์ต IO-Link Class A สี่พอร์ตที่สามารถจ่ายไฟได้สูงสุด 200 mA ให้กับอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อและพอร์ต IO-Link Class B สี่พอร์ตสำหรับอุปกรณ์ที่มีกำลังไฟสูงพร้อมแหล่งพลังงานอิสระของตัวเอง
• ICE2-8IOL-K45P-RJ45 เป็น EtherNet/IP IO-Link master แบบราง DIN พร้อมอินพุต/เอาต์พุต 8 ช่องและขั้วต่อแบบกดเข้า
• ICE3-8IOL1-G65L-V1D เป็น PROFINET และ Modbus IO-Link master แบบบล็อกพร้อมพอร์ต IO-Link Class A 4 พอร์ตและ IO-Link Class B 4 พอร์ต
• ICE3-8IOL-K45S-RJ45 เป็น PROFINET IO IO-Link master แบบราง DIN พร้อมอินพุต/เอาต์พุต 8 ช่องและขั้วสกรู

ฮับและตัวแปลงสำหรับการขยายเครือข่าย

ฮับ IO-Link รองรับการขยายเครือข่ายเซนเซอร์ แอคทูเอเตอร์ และอุปกรณ์อื่น ๆ ฮับ IO-Link ช่วยให้สามารถเชื่อมต่อเซนเซอร์ดิจิทัลและแอคชูเอเตอร์หลายตัวเข้ากับ IO-Link master ได้โดยใช้สายเซนเซอร์มาตรฐาน ตัวอย่างเช่นICA-16DI-G60A-IO ฮับ IO-Link สามารถรองรับอินพุตดิจิทัล PNP ได้สูงสุด 16 ตัว และสามารถกำหนดค่าระดับลอจิกได้สำหรับแต่ละพอร์ต ขึ้นอยู่กับความสามารถของ IO-Link master ที่เชื่อมต่อ ฮับนี้สามารถจ่ายพลังงานได้สูงสุด 500 mA ให้กับอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ ได้รับการจัดอันดับ IP65, IP67 และ IP69K

เมื่อจำเป็นต้องเชื่อมต่อเซนเซอร์ที่มีเอาต์พุตแอนะล็อกกับเครือข่าย IO-Link นักออกแบบสามารถหันไปใช้ICA-AI-I/U-IO-V1 ตัวแปลง IO-Link ที่มีอินพุตอะนาล็อกสำหรับกระแสไฟหรือแรงดันไฟและเอาต์พุต IO-Link ได้รับการจัดอันดับ IP67 และสามารถตั้งค่าอินพุตได้ดังนี้:

• สามารถตั้งค่าอินพุตกระแสไฟฟ้าได้ตั้งแต่ 0 ถึง 20 mA หรือ 4 ถึง 20 mA
• สามารถตั้งค่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าได้ตั้งแต่ -10 ถึง 10 V หรือ 0 ถึง 10 V

การนำเสนออุปกรณ์ IO-Link

ระบบนิเวศที่ครอบคลุมของอุปกรณ์ IO-Link มีไว้สำหรับกระบวนการทางอุตสาหกรรมเกือบทุกประเภท รวมถึงความต้องการการตรวจจับและการควบคุม กลุ่มผลิตภัณฑ์ IO-Link ของ Pepperl+Fuchs ประกอบด้วยเซนเซอร์ตรวจจับระยะใกล้แบบเหนี่ยวนำ ระบบการจัดตำแหน่งแบบเหนี่ยวนำ เซนเซอร์โฟโตอิเล็กทริก เซนเซอร์อัลตราโซนิก เซนเซอร์ตรวจจับการสั่นสะเทือน ตัวเข้ารหัสแบบหมุน และระบบระบุตัวตน (รูปที่ 5) ตัวอย่าง ได้แก่:

• VDM28 อุปกรณ์วัดระยะทางใช้เทคโนโลยีการวัดระยะทางแบบพัลส์ (PRT) เพื่อให้มีความแม่นยำในการทำซ้ำ 5 mm โดยมีช่วงการทำงาน 0.2 ถึง 15 m และความแม่นยำสัมบูรณ์ 25 mm
• IUT-F191-IO-V1-FR2-02 อุปกรณ์อ่าน/เขียน RFID ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมที่มีระยะทางประมาณหนึ่งเมตร อุปกรณ์อ่านและเขียนแท็กแบบพาสซีฟตามมาตรฐาน ISO/IEC 18000-63

รูปที่ 5: ตัวอย่างอุปกรณ์ IO-Link ที่มีจำหน่ายหลากหลาย (ที่มาของภาพ: Pepperl+Fuchs)

USB master สำหรับการทดสอบอุปกรณ์ IO-Link

เมื่อถึงเวลาติดตั้งและใช้งานอุปกรณ์ IO-Link ช่างเทคนิคด้านเครือข่ายสามารถหันไปใช้IO-LINK-MASTER02-USB (รูปที่ 6) USB master นี้สามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์ IO-Link เข้ากับพอร์ต USB บนพีซีได้ ได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับการทดสอบ การกำหนดค่า และกิจกรรมการให้บริการ อุปกรณ์ที่เชื่อมต่อสามารถกำหนดค่าและกำหนดพารามิเตอร์ได้ ยังรองรับการวินิจฉัยอุปกรณ์ด้วย อุปกรณ์ที่มีการใช้กระแสไฟต่ำสามารถใช้พลังงานจาก USB master โดยตรงได้ อุปกรณ์ที่ต้องการพลังงานสูงสามารถเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟภายนอกเสริมได้

รูปที่ 6: IO-Link USB master นี้เชื่อมต่อกับพีซีเพื่อเพิ่มความเร็วในการปรับใช้เครือข่าย (ที่มาของภาพ: Pepperl+Fuchs)

สรุป

การเพิ่มการเชื่อมต่อแบบคู่ขนาน OPC UA เข้ากับอุปกรณ์หลัก IO-Link ทำให้ตัวเลือกที่มีให้กับนักออกแบบเครือข่าย Industry 4.0 เปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก ตอนนี้เป็นไปได้ที่จะปรับสถาปัตยกรรมเครือข่ายให้แบนราบและให้การเชื่อมต่อโดยตรงระหว่างอุปกรณ์ IO-Link บนพื้นโรงงานและคลาวด์ เทคโนโลยีใหม่สามารถนำมาใช้ในกรณีการใช้งานต่าง ๆ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงาน