Optimierung von Industrie-4.0-Kommunikationsarchitekturen mit Multiprotokoll-I/O-Hubs und -Konvertern

Kommunikationsprotokolle sind wichtig für die Unterstützung von Echtzeit-Datenübertragungen und die Steuerung in Netzwerken der Industrie 4.0 und des IIoT (Industrielles Internet der Dinge). Sensoren, Aktoren, Motorsteuersysteme und Controller haben alle spezifische Kommunikationsanforderungen. Es gibt kein einheitliches Kommunikationsprotokoll, das für alle geeignet ist.

Es gibt zwar kein einziges Protokoll, das für jede Anwendung geeignet ist, aber oft müssen verschiedene Geräte miteinander verbunden werden. Sensoren müssen mit Controllern verbunden werden, und Controller müssen mit verschiedenen Systemelementen verbunden werden, die unterschiedliche Protokolle wie IO-Link, Modbus und verschiedene Formen von Ethernet verwenden.

In vielen Fällen muss die gesamte Anlage mit der Cloud verbunden werden. Dies führt zu komplexen Kommunikationsarchitekturen mit einer Vielzahl von Protokollen. Um diese Herausforderung zu meistern, kann auf Multiprotokoll-I/O-Master, -Hubs und -Konverter zurückgegriffen werden.

Dieser Artikel beginnt mit einem Überblick über gängige Kommunikationsprotokolle für Industrie 4.0 und deren Einordnung in die Netzwerkhierarchie. Anschließend werden eine Reihe von I/O-Master, -Hubs und -Konverter von Banner Engineering vorgestellt, ihre Funktionsweise überprüft und erörtert, wie sie komplexe Industrie-4.0- und IIoT-Kommunikationsarchitekturen vereinfachen können.

Was ist das OSI-Sieben-Schichten-Modell?

Netzwerk-Kommunikationsprotokolle werden oft im Kontext des OSI-Modells (Open Systems Interconnection) mit sieben Schichten beschrieben. Das Modell beginnt mit drei Medienschichten, die sich mit der Hardware befassen, wie z. B. physikalische, Datenverbindungs- und Netzwerkverbindungen.

Die Adressierung der Daten steht im Mittelpunkt der nächsten drei Schichten, zu denen die Transport-, Sitzungs- und Präsentationsprozesse gehören.

Die siebte Ebene des Modells ist die Anwendungsschicht, die die Schnittstelle zwischen dem Benutzer und dem Netz bildet. Protokolle wie Modbus und PROFINET befinden sich in dieser Schicht. Das OSI-Modell ist eher lose mit anderen Protokollen wie EtherNet/IP verbunden.

Im Falle von EtherNet/IP umfasst die Anwendungsschicht Prozesse wie Webzugriff (HTTP), E-Mail (SMTP), Dateiübertragung (FTP) usw. Die drei Host-Schichten implementieren die TCP/IP-Prozesse (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) für den Aufbau von Sitzungen, die Durchführung von Fehlerkorrekturen usw. Die Medienschichten umfassen die physikalische 10-Base-T-Verbindung und die Implementierung der Ethernet-Datenverbindung und der Netzwerkverbindungen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Beziehung zwischen EtherNet/IP und dem OSI-Sieben-Schichten-Modell. (Bildquelle: Banner Engineering)

Welchen Platz nimmt IO-Link ein?

IO-Link ist eine digitale Single-Drop-Kommunikationsschnittstelle (SDCI) für kleine Sensoren, Aktoren und ähnliche Geräte. Es erweitert die bidirektionale Kommunikation bis hin zu den einzelnen Geräten in der Fabrikhalle. Es ist in IEC 61131-9 spezifiziert und wurde entwickelt, um mit industriellen Netzwerkarchitekturen auf der Basis von Modbus, PROFIBUS, EtherNet/IP usw. kompatibel zu sein.

IO-Link verwendet ein Master-Gerät, um IO-Link-Geräte mit übergeordneten Protokollen wie Modbus zu verbinden, die Verbindungen zu datenverarbeitenden Geräten wie speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI), einem Cloud-Datendienst (CDS) und so weiter herstellen. Auf der untersten Ebene verwendet IO-Link Hubs, um mehrere Geräte zusammenzufassen und die Daten an ein Master-Gerät weiterzuleiten. Darüber hinaus kann ein analoger Spannungswandler zum IO-Link-Konverter verwendet werden, um analoge Sensoren in das IO-Link-Netzwerk einzubinden (Abbildung 2).

Abbildung 2: IO-Link-Konverter, -Hubs und -Master können Daten von Feldgeräten sammeln und an Datenkonsumenten wie SPSen, HMIs und CDS weiterleiten. (Bildquelle: Banner Engineering)

Warum IO-Link mit anderen Protokollen kombinieren?

Die Massenanpassung und flexible Produktionsprozesse sind charakteristische Merkmale von Industrie 4.0. Die Kombination von IO-Link mit anderen Protokollen kann die Flexibilität und Vielseitigkeit von Industrie-4.0-Fabriken erhöhen. Zu den vorteilhaften Eigenschaften von IO-Link gehören:

• Modbus unterstützt nur begrenzt analoge Geräte wie bestimmte Sensoren, während IO-Link sowohl mit digitalen als auch mit analogen Geräten kompatibel ist.
• Ein Gateway, das sowohl IO-Link als auch übergeordnete Protokolle wie Modbus TCP oder EtherNet/IP unterstützt und als Brücke zwischen einem Sensornetzwerk auf Feldebene und einem industriellen Netzwerk-Kommunikations-Backbone fungieren kann, erleichtert die Automatisierung und Erweiterung der Fabrik.
• IO-Link erhöht die Betriebseffizienz durch einen standardisierten, einheitlichen Konfigurationsprozess für alle Sensoren und kann dazu verwendet werden, defekte Sensoren automatisch zu ersetzen, wenn ein identisches Modell verwendet wird.
• Die Datenerfassungs- und Kommunikationsfunktionen von IO-Link bieten einen besseren Einblick in den Betrieb einzelner Sensoren sowie verteilter Sensornetzwerke und beschleunigen die Weiterleitung der Daten an eine SPS und die Cloud.

Wie können Modbus und IO-Link kombiniert werden?

Eines der ersten Tools, das in Betracht gezogen werden sollte, ist ein hybrider I/O-Modbus-Hub wie der bimodale Modbus-Hub R95C-8B21-MQ mit 8 Anschlüssen. Dieser diskrete bimodale Modbus-Hub verbindet zwei diskrete Kanäle mit jedem der acht einzigartigen Ports und bietet Zugang zur Überwachung und Konfiguration dieser Ports über Modbus-Register.

Hybrid-I/O-Modbus-Hubs sind mit vier konfigurierbaren analogen Eingängen (Spannung oder Strom) und vier analogen Ausgängen sowie acht konfigurierbaren diskreten PNP- oder NPN-Eingängen und -Ausgängen für eine erhöhte Anwendungsflexibilität erhältlich.

Die industriellen Controller DXMR90-X1 können als Plattform für IIoT-Lösungen verwendet werden. Sie können Daten aus verschiedenen Quellen für die lokale Datenverarbeitung und -zugänglichkeit konsolidieren. Der DXMR90 enthält einzelne Modbus-Clients, die die gleichzeitige Kommunikation mit bis zu fünf unabhängigen seriellen Netzwerken unterstützen.

Der DXMR90-X1 verfügt über eine M12-D-Code-Ethernet-Buchse und vier M12-Buchsen für Modbus-Master-Verbindungen. Andere DXMR90-Modelle sind mit zwei M12-D-Code-Ethernet-Buchsen und vier M12-Buchsen für Modbus-Client-Verbindungen oder mit einer M12-D-Code-Ethernet-Buchse und vier M12-Buchsen für IO-Link-Master-Verbindungen erhältlich.

Alle DXMR90-Controller enthalten außerdem einen M12-Stecker (Port 0) für die eingehende Stromversorgung und Modbus RS-485 sowie eine M12-Buchse für die Verkettung von Port-0-Signalen. Weitere Merkmale des DXMR90-X1 sind (Abbildung 3):

• Konvertiert Modbus-RTU in Modbus-TCP/IP, EtherNet/IP oder Profinet um
• Interne Logik durch Aktionsregeln für einfache Programmierung oder MicroPython und ScriptBasic für die Entwicklung komplexerer Lösungen
• Unterstützung für Internetprotokolle, einschließlich RESTful und MQTT
• Ideal für IIoT-Datenanalytik, Zustandsüberwachung, vorausschauende Wartung, OEE-Analyse, Diagnose und Fehlerbehebung

Abbildung 3: Der Controller DXMR90-X1 kann in Verbindung mit dem Hybrid-I/O-Modbus-Hub R95C verwendet werden. (Bildquelle: Banner Engineering)

Was bedeutet Multiprotokoll-Unterstützung?

Der 8-Port-IO-Link-Master DXMR110-8K ist ein kompakter, intelligenter Multiprotokoll-Controller, der IO-Link- und diskrete Daten aus verschiedenen Quellen konsolidiert, verarbeitet und verteilt. Zu den Verbindungen gehören:

• Zwei M12-D-Code-Ethernet-Buchsen zur Verkettung und Kommunikation mit einem übergeordneten Leitsystem
• Acht M12-Buchsenanschlüsse für IO-Link-Geräte
• Ein M12-Stecker für die Stromzufuhr und eine M12-Buchse für die Weiterleitung von Leistung

Der DXMR110 unterstützt die Anbindung an die Cloud und bietet moderne Programmiermöglichkeiten. Mit ScriptBasic und der Programmierung von Aktionsregeln lassen sich benutzerdefinierte Skripte und Logik für optimierte Automatisierungsprozesse erstellen und implementieren.

Die interne Verarbeitungsleistung des DXMR110 kann genutzt werden, um die Datenverarbeitung an den Netzwerkrand zu verlagern, was den Bedarf an Hardware im Schaltschrank minimiert und I/O-Karten in einer SPS überflüssig macht. Durch die integrierte Cloud-Verbindung können Daten von jedem Ort der Welt aus zugänglich gemacht werden. Schließlich vereinfacht das IP67-Gehäuse die Installation an jedem beliebigen Ort, da kein Schaltschrank erforderlich ist (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der 8-Port-IO-Link-Master DXMR110-8K ist ein intelligenter Multiprotokoll-Controller. (Bildquelle: Banner Engineering)

Und das ist noch nicht alles

Die bisher vorgestellten Geräte sind nicht die einzigen Möglichkeiten zur Implementierung von Multiprotokoll-Lösungen für die industrielle Kommunikation. Bei der Anlagenkonstruktion können eine Reihe von fernkontrollierten I/O-Blöcken von Banner Engineering eingesetzt werden, um das Systemdesign, die Raumeffizienz und die Leistung zu optimieren.

Banner bietet Inline-Konverter und Master mit umspritzten Designs an, die die IP-Anforderungen von IP65, IP67 und IP68 erfüllen. Die Inline-Konverter und -Master der Serie R45C bieten ein Gateway für den Anschluss von IO-Link-Geräten an ein IIoT-Netzwerk oder an Systemcontroller, die das Modbus-RTU-Protokoll verwenden. Das Modell R45C-2K-MQ verbindet zwei IO-Link-Geräte mit einer Modbus-RTU-Schnittstelle.

Wenn analoge Signale erforderlich sind, kann der Modbus-Konverter R45C-MII-IIQ als dualer analoger Inline-I/O-Konverter eingesetzt werden. Die Funktionen umfassen:

• Analoger Eingang. Wenn der Konverter ein Analogsignal empfängt, sendet er die numerische Darstellung des Wertes an das entsprechende Modbus-Register. Er kann Analogsignale von 0 bis 11.000 mV oder 0 bis 24.000 µA akzeptieren.
• Analoger Ausgang. Der Konverter gibt einen Analogwert aus, der einem numerischen Eingangswert entspricht. Die Analogausgangssignale können von 0 bis 11.000 mV oder 0 bis 24.000 µA reichen.
• Prozessdatenwerte außerhalb des gültigen Bereichs (POVR) können ebenfalls erkannt und verarbeitet werden, und der Konverter sendet ein Signal an das System.

Wenn ein einzelnes Analogeingangssignal in ein IO-Link-Signal umgewandelt werden muss, kann der S15C-I-KQ verwendet werden. Dieser zylindrische Analogstrom-zu-IO-Link-Konverter wird an eine 4 bis 20 mA Stromquelle angeschlossen und gibt den entsprechenden Wert an einen IO-Link-Master aus.

Banner bietet eine Vielzahl von Modbus-RTU-I/O-Blöcken an, die den Anschluss mehrerer analoger und diskreter Geräte an ein Modbus- oder IO-Link-Netzwerk unterstützen. Sie können gemischt oder angepasst werden, um flexible Systemdesigns und Interoperabilität zu unterstützen (Abbildung 5).

Abbildung 5: Beispiele für die Formfaktoren und Konfigurationen der Remote-I/O-Lösungen von Banner für die IO-Link-Integration. (Bildquelle: DigiKey)

Können drahtlose Protokolle integriert werden?

Die drahtlose I/O-Netzwerklösung „Sure Cross DSX80 Performance“ von Banner ermöglicht eine drahtlose Vernetzung. Sie kann unabhängig verwendet oder über Modbus oder einen Personal- oder Tablet-Computer an eine Host-SPS angeschlossen werden. Die grundlegende Systemarchitektur besteht aus einem Gateway und einem oder mehreren Knotenpunkten (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die drahtlose I/O-Netzwerklösung „Sure Cross DSX80 Performance“ von Banner umfasst ein Gateway und einen oder mehrere Sensorknoten. (Bildquelle: Banner Engineering)

Die Implementierung des drahtlosen Netzwerks „Sure Cross DSX80 Performance“ umfasst drei Elemente: die Netzwerktopologie, die Master- und Slave-Beziehungen und die TDMA-Architektur (Time Division Multiple Access).

Es wird eine Sterntopologie verwendet, bei der der Master eine separate Verbindung mit jedem Knoten unterhält. Fällt die Verbindung zwischen einem Knoten und dem Master aus, ist die Verbindung zu den übrigen Knoten nicht beeinträchtigt.

Ein Gateway wie der DX80G2M6-QC ist das Master-Gerät und initiiert die gesamte Kommunikation mit den Slave-Geräten. Ein Gateway, das eine Modbus-RTU-RS-485-Verbindung verwendet, fungiert als Slave für einen Modbus-RTU-Host-Controller. Ein einzelnes drahtloses Netzwerk kann bis zu 47 Slave-Knoten umfassen.

Slave-Geräte können drahtlose Knoten wie der zweikanalige Thermistor-Temperatursensorknoten DX80N9Q45DT, der Drucksensorknoten DX80N9Q45PS150G oder Vibrations- und Feuchtigkeitssensoren sein.

Slave-Geräte können keine Kommunikation mit dem Gateway initiieren oder miteinander kommunizieren. Ein serielles Datenfunkgerät wie das DX80SR9M-H kann hinzugefügt werden, um die Netzabdeckung zu erweitern und größere Installationen zu ermöglichen.

TDMA ist der Schlüssel zur Kombination von robuster Vernetzung und minimalem Energieverbrauch. Der TDMA-Controller im Gateway weist jedem Knoten eine bestimmte Zeit zum Senden und Empfangen von Daten zu. Das Gateway hat immer die Geräte-ID-Nummer 0. Die Knoten können in beliebiger Reihenfolge mit den Geräte-IDs 1 bis 47 nummeriert werden.

Die Festlegung bestimmter Kommunikationszeiten für die einzelnen Knoten optimiert die Effizienz, da Konflikte zwischen den Knoten ausgeschlossen werden können. Außerdem können die Knoten zwischen den Übertragungen in einen stromsparenden Zustand übergehen und werden erst zur zugewiesenen Zeit aufgeweckt. Durch das Ausschalten des Funkgeräts zwischen den Übertragungen wird Strom gespart und die Betriebsdauer von batteriebetriebenen Knotenpunkten verlängert.

Fazit

Der Zugang zu mehreren Kommunikationsprotokollen wie IO-Link, Modbus, EtherNet/IP usw. ist notwendig, um den effizienten Betrieb von Industrie-4.0- und IIoT-Netzwerken zu unterstützen. Banner Engineering bietet eine umfassende Auswahl an IO-Link Hubs, Konvertern und Mastern in verschiedenen Formfaktoren zur Unterstützung optimierter Kommunikationslösungen an.