Otimização das arquiteturas de comunicação da Indústria 4.0 usando hubs e conversores de E/S multiprotocolo

Os protocolos de comunicação são importantes para dar suporte a transferências de dados e controle em tempo real nas redes da Indústria 4.0 e da Internet das Coisas Industrial (IIoT). Sensores, atuadores, acionamentos de motor e controladores têm necessidades específicas de comunicação. Não existe um protocolo de comunicação de "tamanho único".

Embora nenhum protocolo único atenda aos requisitos de todas as aplicações, diversos dispositivos precisam geralmente ser conectados. Os sensores devem ser ligados a controladores, e os controladores devem se conectar a vários elementos do sistema que usam protocolos diferentes, como IO-Link, Modbus e várias formas de Ethernet.

Em muitos casos, a máquina inteira precisa se conectar à nuvem. Isso resulta em arquiteturas de comunicação complexas com uma infinidade de protocolos. Para enfrentar esse desafio, os projetistas de máquinas podem recorrer a mestres, hubs e conversores de entrada/saída (E/S) multiprotocolo.

Este artigo começa com uma revisão dos protocolos de comunicação comuns da Indústria 4.0 e onde eles se encaixam na hierarquia de rede. Em seguida, ele apresenta uma série de mestres de E/S, hubs e conversores da Banner Engineering, analisa sua operação e discute como eles podem facilitar arquiteturas complexas de comunicação da Indústria 4.0 e IIoT.

O que é o modelo OSI de sete camadas?

Os protocolos de comunicação de rede são descritos geralmente no contexto do modelo de sete camadas de Interconexão de Sistemas Abertos (OSI). O modelo começa com três camadas de mídia que lidam com considerações de hardware, como conexões físicas, de link de dados e de rede.

O endereçamento de dados é o foco das próximas três camadas, que incluem os processos de transporte, sessão e apresentação.

O sétimo nível do modelo é a camada de aplicativos, que fornece a interface entre o usuário e a rede. Protocolos como Modbus e PROFINET residem nessa camada. O modelo OSI está relacionado de forma mais livre a outros protocolos, como o EtherNet/IP.

No caso do EtherNet/IP, a camada de aplicativo inclui processos como acesso à Web (HTTP), e-mail (SMTP), transferências de arquivos (FTP), etc. As três camadas de host implementam os processos do protocolo de controle de transmissão/protocolo da Internet (TCP/IP) para estabelecer sessões, fazer correções de erros, etc. As camadas de mídia incluem a conexão física 10 Base-T e a implementação do link de dados Ethernet e das conexões de rede (Figura 1).

Figura 1: Como o EtherNet/IP se relaciona com o modelo OSI de sete camadas. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Onde o IO-Link se encaixa?

O IO-Link é uma interface de comunicação digital de ponto único (SDCI) para pequenos sensores, atuadores e dispositivos semelhantes. Ele estende as comunicações bidirecionais até os dispositivos individuais no chão de fábrica. É especificado na norma IEC 61131-9 e foi projetado para ser compatível com arquiteturas de redes industriais baseadas em Modbus, PROFIBUS, EtherNet/IP, etc.

O IO-Link usa um dispositivo mestre para conectar os dispositivos IO-Link a protocolos de nível mais alto, como o Modbus, que fornece conexões a dispositivos que consomem dados, como controladores lógicos programáveis (CLPs), interfaces homem-máquina (IHMs), um serviço de dados em nuvem (CDS) e assim por diante. No nível mais baixo, o IO-Link usa hubs para agregar vários dispositivos e alimentar os dados até um dispositivo mestre. Além disso, uma tensão analógica para o conversor IO-Link pode ser usada para adicionar sensores analógicos à rede IO-Link (Figura 2).

Figura 2: Conversores, hubs e mestres IO-Link podem coletar dados de dispositivos de campo e enviá-los a consumidores de dados como CLPs, IHMs e CDS. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Por que combinar o IO-Link com outros protocolos?

A personalização em massa e os processos de produção flexíveis são características distintivas da Indústria 4.0. A combinação do IO-Link com outros protocolos pode aumentar a flexibilidade e a versatilidade das fábricas da Indústria 4.0. As características benéficas do IO-Link incluem:

• O Modbus tem suporte limitado para dispositivos analógicos, como determinados sensores, enquanto o IO-Link é compatível com dispositivos digitais e analógicos.
• O aumento da automação e da expansão da fábrica pode ser facilitado com o uso de um gateway compatível com IO-Link e protocolos de nível superior, como Modbus TCP ou EtherNet/IP, e que pode funcionar como uma ponte entre uma rede de sensores em nível de campo e um backbone de comunicações de rede industrial.
• O IO-Link aumenta a eficiência operacional ao fornecer um processo de configuração padronizado e uniforme para todos os sensores e pode ser usado para substituir automaticamente os sensores defeituosos quando um modelo idêntico é usado.
• Os recursos de coleta de dados e comunicação do IO-Link proporcionam maior visibilidade da operação de sensores individuais, bem como de redes de sensores dispersos, e aceleram o envio dos dados para um CLP e para a nuvem.

Como você combina Modbus e IO-Link?

Uma das primeiras ferramentas a considerar é um hub Modbus de E/S híbrido, como o Modbus R95C-8B21-MQ bimodal de 8 portas. Esse hub bimodal discreto para Modbus conecta dois canais discretos a cada uma das oito portas exclusivas, fornecendo acesso para monitorar e configurar essas portas por meio de registradores Modbus.

Os hubs Modbus de E/S híbrida estão disponíveis com quatro entradas analógicas configuráveis (tensão ou corrente) e quatro saídas analógicas, além de oito entradas e saídas discretas PNP (fonte) ou NPN (terra) configuráveis para maior flexibilidade da aplicação.

Os controladores industriais DXMR90-X1 podem ser usados como uma plataforma para soluções de IIoT. Eles podem consolidar dados de várias fontes para processamento e acessibilidade de dados locais. O DXMR90 contém clientes Modbus individuais que suportam a comunicação simultânea com até cinco redes seriais independentes.

O DXMR90-X1 inclui um conector Ethernet M12 fêmea com codificação D e quatro conexões M12 fêmeas para conexões de mestre Modbus. Outros modelos DXMR90 estão disponíveis com dois conectores Ethernet M12 fêmea com codificação D e quatro conexões M12 fêmea para conexões de cliente Modbus ou com um conector Ethernet M12 fêmea com codificação D e quatro conectores M12 fêmea para conexões de mestre IO-Link.

Todos os controladores DXMR90 também incluem um M12 macho (Porta 0) para alimentação de entrada e Modbus RS-485 e um M12 fêmea para encadeamento de sinais da Porta 0. Os recursos adicionais do DXMR90-X1 incluem (Figura 3):

• Converte Modbus RTU em Modbus TCP/IP, EtherNet/IP ou Profinet
• Lógica interna orientada por regras de ação para facilitar a programação, ou MicroPython e ScriptBasic para desenvolver soluções mais complexas
• Suporte a protocolos da Internet, incluindo RESTful e MQTT
• Adequado para análise de dados de IIoT, monitoramento de condições, manutenção preditiva, análise da eficiência geral do equipamento (OEE), diagnóstico e solução de problemas

Figura 3: O controlador DXMR90-X1 pode ser usado em conjunto com o hub Modbus de E/S híbrida R95C. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

O que é suporte multiprotocolo?

O mestre IO-Link de 8 portas DXMR110-8K é um controlador inteligente compacto e multiprotocolo que consolida, processa e distribui IO-link e dados discretos de várias fontes. As conexões incluem:

• Dois conectores Ethernet M12 fêmea com codificação D para encadeamento em série e comunicação com um sistema de controle de nível superior
• Oito conexões M12 fêmeas para dispositivos IO-Link
• Um M12 macho para alimentação de entrada e um M12 fêmea para alimentação em cadeia

O DXMR110 suporta conectividade em nuvem e inclui recursos avançados de programação. O ScriptBasic e a programação de regras de ação podem ser usados para criar e implementar scripts personalizados e lógica para processos de automação otimizados.

O poder de processamento interno do DXMR110 pode ser usado para mover o processamento de dados para a borda, minimizando a necessidade de hardware no gabinete de controle e eliminando as placas de E/S em um CLP. A conectividade integrada à nuvem pode tornar os dados acessíveis de qualquer lugar do mundo. Por fim, o gabinete IP67 simplifica a instalação em qualquer local, eliminando a necessidade de um armário de controle (Figura 4).

Figura 4: O mestre IO-Link de 8 portas DXMR110-8K é um controlador inteligente multiprotocolo. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Há mais

Os dispositivos apresentados até agora não são as únicas opções para implementar soluções de comunicação industrial multiprotocolo. Os projetistas de máquinas podem empregar uma variedade de blocos de E/S remota da Banner Engineering para otimizar o projeto do sistema, a eficiência de espaço e o desempenho.

A Banner oferece conversores e mestres para a linha de comunicação com designs sobremoldados que atendem às exigências de desempenho de entrada (IP) de IP65, IP67 e IP68. Os conversores e mestres na linha da série R45C fornecem um gateway para conectar dispositivos IO-Link a uma rede IIoT ou a controladores de sistema, usando o protocolo Modbus RTU. O modelo R45C-2K-MQ conecta dois dispositivos IO-Link a uma interface Modbus RTU.

Quando são necessários sinais analógicos, os projetistas podem recorrer ao Modbus R45C-MII-IIQ para obter um conversor analógico de E/S dupla para a linha de comunicação. As funções incluem:

• Entrada analógica. Quando o conversor recebe uma entrada analógica, ele envia a representação numérica do valor para o registrador Modbus correspondente. Ele pode aceitar entradas analógicas de 0 a 11.000 mV ou de 0 a 24.000 µA.
• Saída analógica. O conversor emite um valor analógico correspondente a uma entrada numérica. As saídas analógicas podem variar de 0 a 11.000 mV ou de 0 a 24.000 µA.
• Os valores de dados do processo fora da faixa válida (POVR) também podem ser detectados e processados, e o conversor envia um sinal para o sistema.

Quando uma única entrada analógica precisa ser convertida em um sinal IO-Link, os projetistas podem usar o S15C-I-KQ. Esse conversor cilíndrico de corrente analógica para IO-Link se conecta a uma fonte de corrente de 4 a 20 mA e envia o valor correspondente para um mestre IO-Link.

A Banner oferece uma variedade de blocos de E/S Modbus RTU que suportam conexões de vários dispositivos analógicos e discretos conectados a uma rede Modbus ou IO-Link. Eles podem ser misturados ou combinados para dar suporte a projetos de sistemas flexíveis e interoperabilidade (Figura 5).

Figura 5: Exemplos de fatores de forma e configurações das soluções de E/S remota da Banner para integração com IO-Link. (Fonte da imagem: DigiKey)

Os protocolos sem fio podem ser integrados?

A solução de rede de E/S sem fio Sure Cross DSX80 Performance da Banner permite a conectividade sem fio. Pode ser usada de forma independente ou conectada a um CLP host, usando Modbus ou um computador pessoal, ou tablet. A arquitetura básica do sistema é composta por um Gateway e um ou mais nós (Figura 6).

Figura 6: A solução de rede de E/S sem fio Sure Cross DSX80 Performance da Banner inclui um gateway e um ou mais nós sensores. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

A implementação de uma rede sem fio Sure Cross DX80 Performance envolve três elementos: a topologia da rede, as relações mestre e escravo e a arquitetura de acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA).

Uma topologia em estrela é usada quando o mestre mantém uma conexão separada com cada nó. Se a conexão entre um nó e o mestre falhar, não será afetada a conectividade com o restante dos nós.

Um gateway como o DX80G2M6-QC é o dispositivo mestre e inicia toda a comunicação com os dispositivos escravos. Um gateway que usa uma conexão Modbus RTU RS-485 atua como escravo de um controlador host Modbus RTU. Uma única rede sem fio pode incluir até 47 nós escravos.

Os dispositivos escravos podem ser nós sem fio, como o nó do sensor de temperatura com termistor duplo DX80N9Q45DT, o nó do sensor de pressão DX80N9Q45PS150G ou sensores de vibração e umidade.

Os dispositivos escravos não podem iniciar a comunicação com o gateway nem se comunicar entre si. Um rádio de dados seriais, como o DX80SR9M-H, pode ser adicionado para ampliar a cobertura da rede e acomodar instalações fisicamente grandes.

O TDMA é a chave para combinar conectividade robusta com consumo mínimo de energia. O controlador TDMA no gateway atribui a cada nó um tempo específico para enviar e receber dados. O gateway sempre tem o número de ID do dispositivo 0. Os nós podem ser numerados em qualquer ordem, usando as IDs de dispositivo de 1 a 47.

A definição de tempos de comunicação específicos para nós individuais otimiza a eficiência, eliminando a possibilidade de conflitos entre os nós. Também permite que os nós entrem em um estado de baixa potência entre as comunicações, despertando apenas no horário designado. O desligamento do rádio entre as transmissões economiza energia e aumenta a vida útil dos nós alimentados por bateria.

Conclusão

O acesso a vários protocolos de comunicação, como IO-Link, Modbus, EtherNet/IP, etc., é necessário para dar suporte à operação eficiente das redes da Indústria 4.0 e IIoT. A Banner Engineering fornece aos projetistas uma seleção abrangente de hubs, conversores e mestres IO-Link em vários fatores de forma para dar suporte a soluções de comunicação otimizadas.