新型 IO-Link Master 如何在工業(yè) 4.0 工廠中平衡云連接和本地控制的優(yōu)勢(shì)

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，在云連接和通過可編程邏輯控制器 (PLC) 進(jìn)行本地控制這兩種需求之間進(jìn)行平衡變得越來越容易。工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜，包括從工廠車間的 IO-Link 到連接機(jī)器和 PLC 的 EtherNet/IP 和 PROFINET 等現(xiàn)場(chǎng)總線，以及直至云的開放式平臺(tái)通信統(tǒng)一架構(gòu) (OPC UA) 接口等多層級(jí)連接。

在傳統(tǒng)工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡(luò)中，傳感器、執(zhí)行器和其他設(shè)備通過 IO-Link 主機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)連接，現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備通過 OPC UA 和其他協(xié)議與云連接。

機(jī)器和工廠網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在有了一種新工具——IO-Link 主機(jī)。這種工具將常用的 EtherNet/IP、PROFINET 和其他現(xiàn)場(chǎng)總線連接與 OPC UA 接口組合在一起，可直接與云端連接。這種工具可用于扁平化連接，提高向網(wǎng)絡(luò)最高層級(jí)傳輸關(guān)鍵數(shù)據(jù)的速度。

本文首先回顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中使用本地控制和云連接的情況。然后介紹通過 [Pepperl+Fuchs] 最新推出的 IO-Link 主機(jī)實(shí)現(xiàn)的扁平化架構(gòu)，其中包括現(xiàn)場(chǎng)總線和 OPC UA 連接并可支持多個(gè)并行連接。本文還考慮了新的以太網(wǎng)高級(jí)物理層 (APL) 技術(shù)如何融入其中。

最后，詳細(xì)介紹具有 OPC UA 連接功能的新型 IO-Link 主機(jī)、用于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的兼容型 IO-Link 集線器，以及一些具有代表性的 IO-Link 設(shè)備和用于 IO-Link 設(shè)備的配置、調(diào)試和故障排除的 IO-Link USB 主機(jī)。

工業(yè) 4.0 工廠需要不同組合的本地控制和云連接。各有各的優(yōu)勢(shì)。最佳解決方案通常是將 PLC 和邊緣計(jì)算機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)迅速的本地控制，同時(shí)利用云進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析。

PLC 堅(jiān)固耐用，專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)。PLC 通常采用模塊化設(shè)計(jì)，可滿足工業(yè) 4.0 工廠不斷變化的需求。PLC 比其經(jīng)常取代的繼電器系統(tǒng)更緊湊、更可靠。也許最重要的是，PLC 能夠支持關(guān)鍵應(yīng)用中的實(shí)時(shí)控制，并直接從所連接的機(jī)器和傳感器獲得反饋。

云連接提供了基本上是無限的存儲(chǔ)和計(jì)算能力。云連接可以連接由單個(gè) PLC 控制的各種應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并支持經(jīng)過協(xié)調(diào)和優(yōu)化的整體工廠運(yùn)行。云連接可以卸載 PLC 的管理任務(wù)，而云計(jì)算服務(wù)可以快速、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行擴(kuò)展。

傳統(tǒng) IO-Link

IO-Link 是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議，不是現(xiàn)場(chǎng)總線。在傳統(tǒng)的工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡(luò)中，IO-Link 主機(jī)是工廠車間 IO-Link 設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)之間的連接橋梁。IO-Link 主機(jī)的每個(gè)端口都連接一個(gè) IO-Link 設(shè)備。IO-Link 主機(jī)可整合、轉(zhuǎn)換所連接 IO-Link 設(shè)備的通信，并將其發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。

IO-Link 主機(jī)可安裝在控制柜內(nèi)。這些主機(jī)可以作為遠(yuǎn)程連接點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)連接，其環(huán)境防護(hù)等級(jí)為 IP20，也可提供 IP65/67 防護(hù)等級(jí)版本，在工廠車間使用（圖 1）。傳統(tǒng) IO-Link 主機(jī)與云之間無直接連接；與云的所有通信都通過現(xiàn)場(chǎng)總線上的設(shè)備進(jìn)行傳輸并由其控制。

圖 1：與現(xiàn)場(chǎng)總線連接的 IO-Link 的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。（圖片來源：Pepperl+Fuchs）

增強(qiáng)型 IO-Link 和并行網(wǎng)絡(luò)

在 IO-Link 主機(jī)中添加 OPC UA 連接功能，極大地改變了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的可能性。通信不再需要通過現(xiàn)場(chǎng)總線就能連接云端。

用于實(shí)時(shí)控制的時(shí)效型數(shù)據(jù)仍可輸入現(xiàn)場(chǎng)總線。時(shí)效性較低的數(shù)據(jù)可以在匯總后直接發(fā)送到云端，從而消除現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的通信開銷負(fù)擔(dān)。

Pepperl+Fuchs 將這種新結(jié)構(gòu)稱為“并行”結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)可以與標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)機(jī)器控制系統(tǒng)并行使用。關(guān)鍵是該公司的 MultiLink? 技術(shù)，可支持并行使用工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線，通過 EtherNet/IP 和消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸 (MQTT) 等協(xié)議連接 PLC。該開源消息傳遞協(xié)議使用 OPC UA，可連接工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 上的設(shè)備，如工業(yè)計(jì)算機(jī)、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集 (SCADA) 系統(tǒng)以及云。

為了使軟件包更加完善，帶 MultiLink 的 IO-Link 主機(jī)還包括一個(gè)集成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和 IO-Link 設(shè)備描述 (IODD) 解析器，可支持通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器配置現(xiàn)場(chǎng)總線連接和所連接的 IO-Link 設(shè)備（圖 2）。

圖 2：使用 OPC UA 實(shí)現(xiàn)直接云連接和扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的新型 IO-Link 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。（圖片來源：Pepperl+Fuchs）

更多的網(wǎng)絡(luò)選擇

除了實(shí)現(xiàn)上述新的并行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)外，采用 OPC UA 和 MultiLink 的 IO-Link 主機(jī)還可用于其他用例，如：

改造 - 這種傳統(tǒng)的 IO-Link 主機(jī)可由具有 OPC UA 和 MultiLink 連接功能的主機(jī)取代，以使現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)增加并行通信的優(yōu)勢(shì)。

無傳統(tǒng) PLC 的應(yīng)用 - 如企業(yè)資源規(guī)劃 (ERP) 或制造執(zhí)行系統(tǒng) (MES) 等有些應(yīng)用從工廠車間的傳感器收集數(shù)據(jù)，不需要 PLC。采用 OPC UA 的 IO-Link 主機(jī)可將數(shù)據(jù)直接發(fā)送到云端，并對(duì)其進(jìn)行匯總、分析和處理，從而最大限度地提高生產(chǎn)率。

采用多 PLC 的應(yīng)用 - 復(fù)雜的焊接單元就是采用多個(gè) PLC 和多種協(xié)議的應(yīng)用，可以從增加 OPC UA 中受益。例如，主 PLC 可通過 PROFINET 通信控制整個(gè)過程，工業(yè) PC 可通過 EtherNet/IP 通信控制光學(xué)品質(zhì)監(jiān)控，而各種不同的機(jī)器人和其他設(shè)備可能使用專有的控制協(xié)議。采用 Pepperl+Fuchs MultiLink 技術(shù)的 OPC UA 可在不同的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的通信和數(shù)據(jù)交換，并可將整個(gè)焊接單元與云端連接。

基于以太網(wǎng) APL 的基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建

MultiLink 技術(shù)建立在以太網(wǎng)高級(jí)物理層（即以太網(wǎng) -APL）的基礎(chǔ)之上，允許使用以太網(wǎng)與過程儀表進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信和供電。這種高級(jí)物理層基于 10BASE-T1L 以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)。

以太網(wǎng) APL 的速度為 10 Mbps，傳輸距離為 1000 米，專為實(shí)時(shí)過程監(jiān)控而設(shè)計(jì)，因此可實(shí)現(xiàn)并行訪問。它支持 EtherNet/IP、HART-IP、OPC UA、PROFINET 和其他更高級(jí)別的協(xié)議。它無需網(wǎng)關(guān)或其他協(xié)議轉(zhuǎn)換。它使用開放系統(tǒng)互連 (OSI) 模型第 1 層中的特殊以太網(wǎng)物理連接 (PHY) 來實(shí)施 10BASE-T1L（圖 3）。

圖 3：Ethernet-APL 是一種基于 10BASE-T1L 的新型 PHY。（圖片來源：Pepperl+Fuchs）

新型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)工具

通過具有 OPC UA MultiLink 并行連接功能的 IO-Link 主機(jī)可實(shí)現(xiàn)各種新可能性。對(duì)于希望利用這些可能性的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員來說，Pepperl+Fuchs 提供了 ICE2（具有 EtherNet/IP 功能）和 ICE3（具有 PROFINET 功能）[IO-Link 主機(jī)系列] 。這兩種 IO-Link 主機(jī)都提供八個(gè)輸入和輸出，并具有網(wǎng)絡(luò)配置功能，可設(shè)置所有模塊參數(shù)和所有連接的 IO-Link 設(shè)備（網(wǎng)絡(luò) IODD 操作）。這些主機(jī)包括可存儲(chǔ) 100 多個(gè) IODD 的集成 IODD 存儲(chǔ)器。其他特性包括：

• PortVision? DX 軟件在單應(yīng)用中支持網(wǎng)絡(luò)配置、設(shè)備管理和設(shè)置克隆/備份。
• 所有模塊設(shè)置均可保存為單獨(dú)文件，并使用克隆功能轉(zhuǎn)移到新設(shè)備，以加快部署速度。
• 插板型號(hào)有兩個(gè) L 編碼 M12 電源連接器插頭，額定電流為 16 A。輸入和輸出采用 A 編碼 M12 連接器插頭，與現(xiàn)場(chǎng)總線的連接采用 D 編碼 M12 連接器插頭。
• DIN 導(dǎo)軌型號(hào)提供螺紋端子或可插拔推入式連接器。
• 防護(hù)等級(jí)：插板型的防護(hù)等級(jí)為 IP67，DIN 導(dǎo)軌型號(hào)的防護(hù)等級(jí)為 IP20（圖 4）。

圖 4：DIN 導(dǎo)軌式（左）和插板型（右）IO-Link 主機(jī)示例。（圖片來源：Pepperl+Fuchs）

配備 OPC UA MultiLink 的 IO-Link 主機(jī)包括：

• [ICE2-8IOL1-G65L-V1D] ，是一款插板型 EtherNet/IP 和 Modbus IO-Link 主機(jī)，配有四個(gè) IO-Link A 類端口，可為所連接的設(shè)備提供高達(dá) 200 mA 的電流，還配有四個(gè) IO-Link B 類端口，用于采用獨(dú)立電源的功率較高的設(shè)備。
• [ICE2-8IOL-K45P-RJ45] ，是一款 DIN 導(dǎo)軌式 EtherNet/IP IO-Link 主機(jī)，配有八個(gè)輸入/輸出和推入式連接器。
• [ICE3-8IOL1-G65L-V1D] ，是一款插板型 PROFINET 和 Modbus IO-Link 主機(jī)，配有 4 個(gè) IO-Link A 類端口和 4 個(gè) IO-Link B 類端口。
• [ICE3-8IOL-K45S-RJ45] ，是一款 DIN 導(dǎo)軌式 PROFINET IO IO-Link 主機(jī)，配有八個(gè)輸入/輸出和螺紋端子。

用于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的集線器和轉(zhuǎn)換器

IO-Link 集線器支持傳感器、致動(dòng)器和其他設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。IO-Link 集線器允許使用標(biāo)準(zhǔn)傳感器電纜將多個(gè)數(shù)字傳感器和致動(dòng)器與 IO-Link 主機(jī)連接。例如，[ICA-16DI-G60A-IO] IO-Link 集線器可處理多達(dá) 16 個(gè) PNP 數(shù)字輸入，且每個(gè)端口的邏輯電平可單獨(dú)配置。根據(jù)所連接的 IO-Link 主機(jī)的能力，該集線器可為所連接的設(shè)備提供高達(dá) 500 mA 的電流。該器件的防護(hù)等級(jí)為 IP65、IP67 和 IP69K。

當(dāng)需要將具有模擬輸出的傳感器與 IO-Link 網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，設(shè)計(jì)人員可使用 [ICA-AI-I/U-IO-V1] IO-Link 轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有電流或電壓模擬輸入和 IO-Link 輸出。該器件的防護(hù)等級(jí)為 IP67，輸入設(shè)置如下：

• 電流輸入可設(shè)置為 0 mA 至 20 mA 或 4 mA 至 20 mA。
• 電壓輸入可設(shè)置為 -10 V 至 10 V 或 0 V 至 10 V。

提供 IO-Link 設(shè)備

全面的 IO-Link 設(shè)備生態(tài)系統(tǒng)可滿足幾乎所有工業(yè)流程的檢測(cè)和控制需求。Pepperl+Fuchs 的 IO-Link 產(chǎn)品組合包括電感式接近傳感器、電感式定位系統(tǒng)、光電傳感器、超聲波傳感器、振動(dòng)傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器和識(shí)別系統(tǒng)（圖 5）。具體包括：

• [VDM28] 測(cè)距儀采用脈沖測(cè)距技術(shù) (PRT)，重復(fù)精度為 5 mm，工作范圍為 0.2 m 至 15 m，絕對(duì)精度為 25 mm。
• [IUT-F191-IO-V1-FR2-02] RFID 讀/寫設(shè)備經(jīng)過了優(yōu)化，適用于距離不超過 1 m 的工業(yè)應(yīng)用。該設(shè)備根據(jù) ISO/IEC 18000-63 標(biāo)準(zhǔn)讀寫無源標(biāo)簽。

圖 5：各種各樣的的 IO-Link 設(shè)備示例。（圖片來源：Pepperl+Fuchs）

用于調(diào)試 IO-Link 設(shè)備的 USB 主機(jī)

當(dāng)需要安裝和調(diào)試 IO-Link 設(shè)備時(shí)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員可以使用 [IO-LINK-MASTER02-USB] （圖 6）。該 USB 主機(jī)可將 IO-Link 設(shè)備與 PC 的 USB 端口連接。該主機(jī)旨在支持測(cè)試、配置和服務(wù)活動(dòng)?？蓪?duì)所連接設(shè)備進(jìn)行配置和參數(shù)化。還支持設(shè)備診斷。電流消耗低的設(shè)備可直接由 USB 主機(jī)供電。需要更高功率的設(shè)備可選擇連接外部電源。

圖 6：這款 IO-Link USB 主機(jī)與 PC 連接，以加快網(wǎng)絡(luò)部署。（圖片來源：Pepperl+Fuchs）

結(jié)語

將 OPC UA 并行連接功能添加到 IO-Link 主機(jī)設(shè)備中，極大地改變了工業(yè) 4.0 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員的選項(xiàng)。現(xiàn)在可以扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在工廠車間的 IO-Link 設(shè)備和云之間提供直接連接。這項(xiàng)新技術(shù)可用于各種用途，以提高運(yùn)行效率。

審核編輯 黃宇