Como os novos mestres IO-Link podem equilibrar os benefícios da conectividade em nuvem e do controle local nas fábricas da indústria 4.0

Ficou mais fácil equilibrar as necessidades de conectividade em nuvem e controle local, usando controladores lógicos programáveis (CLPs) em redes industriais. As redes da indústria 4.0 são complexas e incluem vários níveis de conectividade, desde IO-Link no chão de fábrica até barramentos de campo, como EtherNet/IP e PROFINET, que conectam máquinas e CLPs, e uma interface OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) que chega até a nuvem.

Em uma rede tradicional da indústria 4.0, sensores, atuadores e outros dispositivos usam um mestre IO-Link para se conectar à rede de barramento de campo, e os dispositivos na rede de barramento de campo usam OPC UA e outros protocolos para se conectar à nuvem.

Os projetistas de redes de máquinas e fábricas agora têm uma nova ferramenta — mestres IO-Link — que combina a conectividade usual EtherNet/IP, PROFINET e outros barramentos de campo com uma interface OPC UA para conexão direta com a nuvem. Isso pode ser usado para nivelar a conectividade e agilizar o fornecimento de dados essenciais para os níveis mais altos da rede.

Este artigo começa com uma análise do uso do controle local e da conectividade com a nuvem em uma arquitetura de rede tradicional. Em seguida, apresenta a arquitetura nivelada habilitada pelos novos mestres IO-Link da Pepperl+Fuchs, que inclui barramento de campo e conectividade OPC UA e pode suportar várias conexões paralelas. Ele também considera como a nova tecnologia de camada física avançada (APL) da Ethernet se encaixa.

E termina detalhando os novos mestres IO-Link com conectividade OPC UA e hubs IO-Link compatíveis para expansão da rede, com alguns dispositivos IO-Link representativos e o uso de um mestre USB IO-Link para configuração, comissionamento e solução de problemas de dispositivos IO-Link.

As fábricas da indústria 4.0 exigem combinações variadas de controle local e conectividade em nuvem. Cada um tem seus benefícios. A melhor solução geralmente combina CLPs e computadores de borda para controle local responsivo, enquanto usa a nuvem para analisar dados complexos.

Os CLPs são robustos e projetados para uso em ambientes industriais. Geralmente são modulares e podem acomodar as necessidades de mudança das fábricas da indústria 4.0. Os CLPs são mais compactos e confiáveis do que os sistemas baseados em relés que eles geralmente substituem. Talvez o mais importante seja que os CLPs podem oferecer suporte ao controle em tempo real em aplicações críticas com realimentação direta das máquinas e sensores conectados.

A conectividade em nuvem oferece recursos de armazenamento e computação essencialmente ilimitados. Ela pode vincular dados de várias aplicações, controladas por CLPs individuais, e oferecer suporte a uma operação geral de fábrica harmonizada e otimizada. A conectividade em nuvem pode aliviar as tarefas administrativas dos CLPs, e os serviços de computação em nuvem podem ser dimensionados de forma rápida e econômica.

IO-Link tradicional

O IO-Link é um protocolo ponto a ponto, não um barramento de campo. Em uma rede tradicional da indústria 4.0, os mestres IO-Link são os intermediários entre os dispositivos IO-Link no chão de fábrica e a rede de barramento de campo. Cada porta em um mestre IO-Link se conecta a um único dispositivo IO-Link. O mestre IO-Link consolida e traduz a comunicação dos dispositivos IO-Link conectados e a envia para a rede de barramento de campo.

Os mestres IO-Link estão disponíveis para instalação dentro do gabinete de controle. Eles podem se conectar à rede de barramento de campo como um ponto de conexão remoto com uma classificação ambiental IP20 ou ser usados no chão de fábrica com uma classificação IP65/67 (Figura 1). Não há conexão direta entre os mestres IO-Link tradicionais e a nuvem; todas as comunicações com a nuvem são canalizadas e controladas por dispositivos no barramento de campo.

Figura 1: Aplicação de rede tradicional do IO-Link conectado a um barramento de campo. (Fonte da imagem: Pepperl+Fuchs)

IO-Link aprimorado e uma rede paralela

Adicionar a conectividade OPC UA a um mestre IO-Link muda drasticamente as possibilidades das arquiteturas de redes industriais. Não é mais necessário que as comunicações sejam canalizadas sobre o barramento de campo para chegar à nuvem.

Os dados sensíveis ao tempo para controle em tempo real ainda podem ser colocados no barramento de campo. Dados menos sensíveis ao tempo podem ser agregados e enviados diretamente para a nuvem, removendo essa encargo sobrecarregado de comunicação dos dispositivos no barramento de campo.

A Pepperl+Fuchs se refere a essa nova estrutura como uma arquitetura "paralela", pois ela pode ser usada em paralelo com sistemas de controle de máquinas industriais padrão. O segredo é a tecnologia MultiLink™ da empresa, que suporta o uso paralelo de um barramento de campo Ethernet industrial para conexão com CLPs, usando um protocolo como EtherNet/IP e MQTT (message queuing telemetry transport). Esse protocolo de mensagens de código aberto usa o OPC UA e pode se conectar a dispositivos na Internet Industrial das Coisas (IIoT), como computadores industriais, sistemas de controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA), além da nuvem.

Para completar o pacote, os mestres IO-Link com MultiLink também incluem um servidor da Web integrado e um interpretador de descrição de dispositivo IO-Link (IODD) que suporta a configuração da conexão de barramento de campo e dos dispositivos IO-Link conectados, usando um navegador da Web (Figura 2).

Figura 2: Nova arquitetura de rede IO-Link usando OPC UA para conectividade direta com a nuvem e uma estrutura de rede mais nivelada. (Fonte da imagem: Pepperl+Fuchs)

Mais opções de rede

Além de possibilitar a nova arquitetura de rede paralela, descrita acima, os mestres IO-Link com OPC UA e MultiLink podem ser usados para outros casos de uso, como:

Retroadaptações – Esse mestre IO-Link convencional pode ser substituído por um com conectividade OPC UA e MultiLink para adicionar os benefícios da comunicação paralela em uma rede existente.

Aplicações sem um CLP tradicional – Algumas aplicações, como um sistema de planejamento de recursos empresariais (ERP) ou um sistema de execução de manufatura (MES), coletam dados de sensores no chão de fábrica e não precisam de um CLP. Um mestre IO-Link com OPC UA pode enviar os dados diretamente para a nuvem, que podem ser agregados, analisados e utilizados para maximizar a produtividade.

Aplicações com vários CLPs – Células de soldagem complexas são um exemplo de aplicação com vários CLPs e vários protocolos que podem se beneficiar da adição do OPC UA. Por exemplo, um CLP principal pode controlar o processo geral, usando a comunicação PROFINET, um PC industrial pode controlar o monitoramento da qualidade óptica com a comunicação EtherNet/IP e vários robôs e outros equipamentos podem usar protocolos de controle proprietários. O OPC UA com a tecnologia MultiLink da Pepperl+Fuchs permite a comunicação e a troca de dados entre os sistemas, apesar dos diferentes protocolos de barramento de campo, e pode vincular toda a célula de soldagem à nuvem.

Baseada no Ethernet APL

A tecnologia MultiLink foi desenvolvida com base na camada física avançada da Ethernet, ou Ethernet-APL, que permite que a Ethernet seja usada para comunicação e alimentação com instrumentação de processo em longas distâncias. É baseada no padrão de camada física Ethernet 10BASE-T1L.

Com uma velocidade de 10 Mbps e um alcance de 1.000 metros, a Ethernet-APL foi projetada para monitoramento e controle de processos em tempo real, permitindo acesso paralelo. É compatível com EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA, PROFINET e outros protocolos de nível superior. Elimina a necessidade de gateways ou outras conversões de protocolo. Ela implementa o 10BASE-T1L usando uma conexão física (PHY) Ethernet especial na camada 1 do modelo OSI (Open Systems Interconnection) (Figura 3).

Figura 3: Ethernet-APL é uma nova PHY baseada em 10BASE-T1L. (Fonte da imagem: Pepperl+Fuchs)

As novas ferramentas de rede industrial

Para os projetistas de redes industriais que desejam aproveitar as novas possibilidades oferecidas pelos mestres IO-Link com conectividade paralela OPC UA MultiLink, a Pepperl+Fuchs oferece a série de mestres IO-Link ICE2 (com EtherNet/IP) e ICE3 (com PROFINET). Ambos os tipos de mestres IO-Link têm oito entradas e saídas e vêm com um recurso de configuração baseado na Web para definir todos os parâmetros do módulo e todos os dispositivos IO-Link conectados (operação IODD na Web). Eles incluem armazenamento integrado de IODDs para mais de 100 IODDs. Inclui outros recursos:

• O software PortVision® DX oferece suporte à configuração de rede, ao gerenciamento de dispositivos e à clonagem/backup de configurações em uma única aplicação.
• Todas as configurações do módulo podem ser salvas como um arquivo separado e transferidas para um novo dispositivo, usando a função de clonagem para acelerar as implementações.
• Os modelos de bloco têm dois conectores de alimentação M12 com codificação L, dimensionados para 16 A. As entradas e saídas têm conectores M12 com codificação A, e a conexão com o barramento de campo é feita por meio de conectores M12 com codificação D.
• Os modelos de trilho DIN estão disponíveis com terminais de parafuso ou conectores de pressão plugáveis.
• Graus de proteção: os modelos de bloco são classificados como IP67 e os modelos de trilho DIN são classificados como IP20 (Figura 4).

Figura 4: Exemplos de mestres IO-Link em trilho DIN (esquerda) e em bloco (direita). (Fonte da imagem: Pepperl+Fuchs)

Alguns exemplos de mestres IO-Link com OPC UA MultiLink incluem:

• O ICE2-8IOL1-G65L-V1D é um mestre IO-Link de EtherNet/IP e Modbus em estilo de bloco com quatro portas IO-Link Classe A, que podem fornecer até 200 mA de alimentação para dispositivos conectados e quatro portas IO-Link Classe B para dispositivos de maior potência com sua própria fonte de energia independente.
• O ICE2-8IOL-K45P-RJ45 é um mestre IO-Link de EtherNet/IP em estilo de trilho DIN com oito entradas/saídas e conectores de pressão.
• O ICE3-8IOL1-G65L-V1D é um mestre IO-Link de PROFINET e Modbus em estilo de bloco com 4 portas IO-Link Classe A e 4 portas IO-Link Classe B.
• O ICE3-8IOL-K45S-RJ45 é um mestre IO-Link de E/S PROFINET em estilo de trilho DIN com oito entradas/saídas e terminais de parafuso.

Hubs e conversores para expansão da rede

Os hubs IO-Link suportam a expansão de redes de sensores, atuadores e outros dispositivos. Os hubs IO-Link permitem que vários sensores e atuadores digitais sejam conectados a um mestre IO-Link, usando um cabo de sensor padrão. Por exemplo, o hub IO-Link ICA-16DI-G60A-IO pode lidar com até 16 entradas digitais PNP, e o nível lógico pode ser configurado individualmente para cada porta. Dependendo da capacidade do mestre IO-Link conectado, esse hub pode fornecer até 500 mA de alimentação aos dispositivos conectados. Ele é classificado como IP65, IP67 e IP69K.

Quando um sensor com uma saída analógica precisa ser conectado a uma rede IO-Link, os projetistas podem recorrer ao conversor IO-Link ICA-AI-I/U-IO-V1 com uma entrada analógica para corrente ou tensão e uma saída IO-Link. Ele é classificado como IP67 e a entrada pode ser definida da seguinte forma:

• A entrada de corrente pode ser definida como 0 a 20 mA ou 4 a 20 mA.
• A entrada de tensão pode ser definida como -10 a 10 V ou 0 a 10 V.

Oferta de dispositivos IO-Link

Um ecossistema abrangente de dispositivos IO-Link está disponível para quase todos os processos industriais, incluindo as necessidades de detecção e controle. O portfólio IO-Link da Pepperl+Fuchs inclui sensores de proximidade indutivos, sistemas de posicionamento indutivos, sensores fotoelétricos, sensores ultrassônicos, sensores de vibração, codificadores rotativos e sistemas de identificação (Figura 5). Os exemplos incluem:

• O dispositivo de medição de distância VDM28 usa a tecnologia PRT (Pulse Ranging Technology) para fornecer uma precisão de repetição de 5 mm com um alcance operacional de 0,2 a 15 m e uma precisão absoluta de 25 mm.
• O dispositivo de leitura/escrita RFID IUT-F191-IO-V1-FR2-02 é otimizado para aplicações industriais que envolvem distâncias de até cerca de um metro. O dispositivo lê e escreve etiquetas passivas com base na norma ISO/IEC 18000-63.

Figura 5: Exemplos da ampla gama de dispositivos IO-Link disponíveis. (Fonte da imagem: Pepperl+Fuchs)

Mestre USB para comissionamento de dispositivos IO-Link

Quando chega a hora de instalar e comissionar dispositivos IO-Link, os técnicos de rede podem recorrer ao IO-LINK-MASTER02-USB (Figura 6). Esse mestre USB pode conectar dispositivos IO-Link a uma porta USB em um computador. Foi projetado para dar suporte a atividades de teste, configuração e manutenção. Os dispositivos conectados podem ser configurados e parametrizados. O diagnóstico do dispositivo também é suportado. Os dispositivos com baixo consumo de corrente podem ser alimentados diretamente pelo mestre USB. Os dispositivos com maior necessidade de energia podem ser conectados a uma fonte de alimentação externa opcional.

Figura 6: Esse mestre USB IO-Link se conecta a um computador para agilizar as implementações de rede. (Fonte da imagem: Pepperl+Fuchs)

Conclusão

A adição da conectividade paralela OPC UA aos dispositivos mestres IO-Link mudou drasticamente as opções disponíveis para os projetistas de redes da indústria 4.0. Agora é possível nivelar a arquitetura de rede e fornecer conexões diretas entre os dispositivos IO-Link no chão de fábrica e a nuvem. A nova tecnologia pode ser implementada em vários casos de uso para melhorar a eficiência operacional.