Equilibrar las necesidades de conectividad en la nube y control local mediante controladores lógicos programables (PLC) en redes industriales es ahora más fácil. Las redes de la Industria 4.0 son complejas e incluyen múltiples niveles de conectividad, desde IO-Link en la planta de producción hasta buses de campo como EtherNet/IP y PROFINET que conectan máquinas y PLC, pasando por una interfaz de Arquitectura Unificada de Comunicaciones de Plataforma Abierta (OPC UA) que llega hasta la Nube.
En una red tradicional de Industria 4.0, los sensores, actuadores y otros dispositivos utilizan un maestro IO-Link para conectarse con la red de bus de campo y los dispositivos de la red de bus de campo utilizan OPC UA y otros protocolos para conectarse con la Nube.
Los diseñadores de redes de máquinas y fábricas disponen ahora de una nueva herramienta -los maestros IO-Link- que combina la conectividad habitual de EtherNet/IP, PROFINET y otros buses de campo con una interfaz OPC UA para la conexión directa a la Nube. Eso puede utilizarse para aplanar la conectividad y acelerar la entrega de datos críticos a los niveles más altos de la red.
Este artículo comienza con una revisión del uso del control local y la conectividad a la Nube en una arquitectura de red tradicional. A continuación, presenta la arquitectura plana que permiten los nuevos maestros IO-Link de Pepperl+Fuchs, que incluye conectividad de bus de campo y OPC UA y admite múltiples conexiones paralelas. También analiza cómo encaja la nueva tecnología de capa física avanzada (APL) de Ethernet.
Concluye detallando los nuevos maestros IO-Link con conectividad OPC UA y los concentradores IO-Link compatibles para la expansión de la red, junto con algunos dispositivos IO-Link representativos y el uso de un maestro USB IO-Link para configurar, poner en servicio y solucionar problemas de los dispositivos IO-Link.
Las fábricas de la Industria 4.0 requieren distintas combinaciones de control local y conectividad en la nube. Cada una tiene sus ventajas. La mejor solución suele combinar PLC y computadoras de borde para un control local con capacidad de respuesta, al tiempo que utiliza la nube para analizar datos complejos.
Los PLC son resistentes y están diseñados para su uso en entornos industriales. Suelen ser modulares y pueden adaptarse a las necesidades cambiantes de las fábricas de la Industria 4.0. Los PLC son más compactos y fiables que los sistemas basados en relés a los que suelen sustituir. Y lo que es más importante, los PLC permiten el control en tiempo real de aplicaciones críticas con información directa de las máquinas y sensores conectados.
La conectividad a la nube ofrece capacidades de almacenamiento y computación prácticamente ilimitadas. Puede enlazar datos de varias aplicaciones, controladas por PLC individuales, y contribuir a un funcionamiento armonizado y optimizado de toda la fábrica. La conectividad en la nube puede descargar las tareas administrativas de los PLC y los servicios de computación en la nube pueden ampliarse de forma rápida y económica.
IO-Link tradicional
IO-Link es un protocolo punto a punto, no un bus de campo. En una red tradicional de Industria 4.0, los maestros IO-Link son los intermediarios entre los dispositivos IO-Link de la fábrica y la red de bus de campo. Cada puerto de un maestro IO-Link se conecta a un único dispositivo IO-Link. El maestro IO-Link consolida y traduce la comunicación de los dispositivos IO-Link conectados y la envía a la red de bus de campo.
Los maestros IO-Link están disponibles para su instalación en el interior del armario de control. Pueden conectarse a la red de bus de campo como punto de conexión remoto con una clasificación ambiental IP20 o utilizarse en la fábrica con una clasificación IP65/67 (Figura 1). No hay conexión directa entre los maestros IO-Link tradicionales y la Nube; todas las comunicaciones a la Nube se canalizan a través de los dispositivos del bus de campo y son controladas por ellos.
Figura 1: Aplicación de red tradicional de IO-Link conectada a un bus de campo. (Fuente de la imagen: Pepperl+Fuchs)
Mejora de IO-Link y una red paralela
Agregar conectividad OPC UA a un maestro IO-Link cambia radicalmente las posibilidades de las arquitecturas de redes industriales. Ya no es necesario que las comunicaciones se canalicen al bus de campo para llegar a la Nube.
Los datos sensibles al tiempo para el control en tiempo real pueden seguir introduciéndose en el bus de campo. Los datos menos sensibles al tiempo pueden agregarse y enviarse directamente a la Nube, eliminando esa sobrecarga de comunicación de los dispositivos de bus de campo.
Pepperl+Fuchs denomina a esta nueva estructura arquitectura «paralela», ya que puede utilizarse en paralelo con sistemas estándar de control de maquinaria industrial. La clave es la tecnología MultiLink™ de la empresa, que admite el uso paralelo de un bus de campo Ethernet industrial para conectar con PLC que utilicen un protocolo como EtherNet/IP y el transporte de telemetría por cola de mensajes (MQTT). Este protocolo de mensajería de código abierto utiliza OPC UA y puede conectarse con dispositivos del Internet de las cosas (IIoT), como ordenadores industriales, sistemas de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) y la Nube.
Para completar el paquete, los maestros IO-Link con MultiLink también incluyen un servidor web integrado y un intérprete de descripción de dispositivos IO-Link (IODD) que admite la configuración de la conexión de bus de campo y los dispositivos IO-Link conectados mediante un navegador web (Figura 2).
Figura 2: Nueva arquitectura de red IO-Link que utiliza OPC UA para la conectividad directa con la nube y una estructura de red más plana. (Fuente de la imagen: Pepperl+Fuchs)
Más opciones de red
Además de permitir la nueva arquitectura de red paralela descrita anteriormente, los maestros IO-Link con OPC UA y MultiLink pueden utilizarse para otros casos de uso como:
Adaptaciones: este maestro IO-Link convencional puede sustituirse por uno con OPC UA y conectividad MultiLink para añadir las ventajas de la comunicación paralela a una red existente.
Aplicaciones sin un PLC tradicional: Algunas aplicaciones, como un sistema de planificación de recursos empresariales (ERP) o un sistema de ejecución de fabricación (MES), recopilan datos de sensores en la planta de producción y no necesitan un PLC. Un maestro IO-Link con OPC UA puede enviar los datos directamente a la nube, que pueden agregarse, analizarse y sobre los que se puede actuar para maximizar la productividad.
Aplicaciones con múltiples PLC: Celdas de soldadura complejas son un ejemplo de una aplicación con múltiples PLC y múltiples protocolos que pueden beneficiarse de la adición de OPC UA. Por ejemplo, un PLC primario puede controlar todo el proceso mediante comunicación PROFINET, un PC industrial puede controlar la supervisión óptica de la calidad con comunicación EtherNet/IP, y varios robots y otros equipos pueden utilizar protocolos de control propios. OPC UA con la tecnología MultiLink de Pepperl+Fuchs permite la comunicación y el intercambio de datos entre los sistemas a pesar de los diferentes protocolos de bus de campo, y puede vincular toda la celda de soldadura a la Nube.
Construido sobre la base de Ethernet APL
La tecnología MultiLink se basa en la capa física avanzada de Ethernet, o Ethernet-APL, que permite utilizar Ethernet para comunicación y alimentación con instrumentación de procesos a largas distancias. Se basa en el estándar de capa física Ethernet 10BASE-T1L.
Con una velocidad de 10 Mbps y un alcance de 1000 metros, Ethernet-APL se diseñó para la supervisión y el control de procesos en tiempo real, permitiendo el acceso en paralelo. Es compatible con EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA, PROFINET y otros protocolos de nivel superior. Elimina la necesidad de puertas de enlace u otras conversiones de protocolo. Implementa 10BASE-T1L mediante una conexión física Ethernet especial (PHY) en la Capa 1 del modelo de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI) (Figura 3).
Figura 3: Ethernet-APL es una nueva PHY basada en 10BASE-T1L. (Fuente de la imagen: Pepperl+Fuchs)
Las nuevas herramientas de redes industriales
Para los diseñadores de redes industriales que deseen aprovechar las nuevas posibilidades que ofrecen los maestros IO-Link con conectividad paralela OPC UA MultiLink, Pepperl+Fuchs ofrece las series de maestros IO-Link ICE2 (con EtherNet/IP) e ICE3 (con PROFINET). Ambos tipos de maestros IO-Link tienen ocho entradas y salidas e incluyen una función de configuración basada en web para ajustar todos los parámetros del módulo y todos los dispositivos IO-Link conectados (funcionamiento IODD web). Incluyen almacenamiento integrado de más de 100 IODD. Otras características son:
- El software PortVision® DX permite la configuración de red, la gestión de dispositivos y la clonación/copia de seguridad de ajustes en una sola aplicación.
- Todos los ajustes del módulo pueden guardarse como un archivo independiente y transferirse a un nuevo dispositivo mediante la función de clonación para agilizar las implementaciones.
- Los modelos en bloque disponen de dos clavijas de conexión de alimentación M12 con codificación L y una potencia nominal de 16 A. Las entradas y salidas tienen clavijas de conectores M12 con codificación A y la conexión al bus de campo se realiza mediante clavijas de conectores M12 con codificación D.
- Los modelos para riel DIN están disponibles con terminales de tornillo o conectores enchufables.
- Grados de protección: Los modelos en bloque tienen un grado de protección IP67 y los modelos de riel DIN tienen un grado de protección IP20 (figura 4).
Figura 4: Ejemplos de maestros IO-Link en riel DIN (izquierda) y en bloque (derecha). (Fuente de la imagen: Pepperl+Fuchs)
Algunos ejemplos de maestros IO-Link con OPC UA MultiLink son:
- El ICE2-8IOL1-G65L-V1D es un maestro EtherNet/IP y Modbus IO-Link de tipo bloque con cuatro puertos IO-Link Clase A que pueden proporcionar hasta 200 mA de alimentación a los dispositivos conectados y cuatro puertos IO-Link Clase B para dispositivos de mayor potencia con su propia fuente de alimentación independiente.
- El ICE2-8IOL-K45P-RJ45 es un maestro EtherNet/IP IO-Link de tipo riel DIN con ocho entradas/salidas y conectores push-in.
- El ICE3-8IOL1-G65L-V1D es un maestro PROFINET y Modbus IO-Link de tipo bloque con 4 puertos IO-Link Clase A y 4 puertos IO-Link Clase B.
- El ICE3-8IOL-K45S-RJ45 es un maestro PROFINET IO IO-Link de tipo riel DIN con ocho entradas/salidas y terminales de tornillo.
Concentradores y convertidores para ampliar la red
Los concentradores IO-Link permiten ampliar las redes de sensores, actuadores y otros dispositivos. Los concentradores IO-Link permiten conectar varios sensores y actuadores digitales a un maestro IO-Link mediante un cable de sensor estándar. Por ejemplo, el concentrador IO-Link ICA-16DI-G60A-IO puede gestionar hasta 16 entradas digitales PNP y el nivel lógico puede configurarse individualmente para cada puerto. En función de la capacidad del maestro IO-Link conectado, este concentrador puede suministrar hasta 500 mA de potencia a los dispositivos conectados. Está clasificado para IP65, IP67 e IP69K.
Cuando un sensor con una salida analógica necesita conectarse a una red IO-Link, los diseñadores pueden recurrir al convertidor IO-Link ICA-AI-I/U-IO-V1 con una entrada analógica para corriente o voltaje y una salida IO-Link. Tiene un grado de protección IP67 y la entrada se puede ajustar de la siguiente manera:
- La entrada de corriente puede ajustarse de 0 a 20 mA o de 4 a 20 mA.
- La entrada de voltaje puede ajustarse de -10 a 10 V o de 0 a 10 V.
Oferta de dispositivos IO-Link
Existe un completo ecosistema de dispositivos IO-Link para casi todos los procesos industriales, incluidas las necesidades de detección y control. La cartera IO-Link de Pepperl+Fuchs incluye sensores de proximidad inductivos, sistemas de posicionamiento inductivos, sensores fotoeléctricos, sensores ultrasónicos, sensores de vibración, codificadores rotatorios y sistemas de identificación (Figura 5). Algunos ejemplos son:
- El dispositivo de medición de distancias VDM28 utiliza la tecnología Pulse Ranging Technology (PRT) para ofrecer una precisión de repetición de 5 mm con un rango operativo de 0.2 a 15 m y una precisión absoluta de 25 mm.
- El dispositivo de lectura/escritura RFID IUT-F191-IO-V1-FR2-02 está optimizado para aplicaciones industriales con distancias de hasta un metro aproximadamente. El dispositivo lee y escribe etiquetas pasivas basadas en la norma ISO/IEC 18000-63.
Figura 5: Ejemplos de la amplia gama de dispositivos IO-Link disponibles. (Fuente de la imagen: Pepperl+Fuchs)
USB maestro para la puesta en servicio de dispositivos IO-Link
Cuando llega el momento de instalar y poner en servicio dispositivos IO-Link, los técnicos de redes pueden recurrir al IO-LINK-MASTER02-USB (Figura 6). Este maestro USB puede conectar dispositivos IO-Link a un puerto USB de un PC. Está diseñado para apoyar las actividades de pruebas, configuración y mantenimiento. Los dispositivos conectados pueden configurarse y parametrizarse. También admite el diagnóstico de dispositivos. Los dispositivos de bajo consumo pueden alimentarse directamente desde el USB maestro. Los dispositivos con mayores necesidades de potencia pueden conectarse a una fuente de alimentación externa opcional.
Figura 6: Este maestro USB IO-Link se conecta a un PC para acelerar la instalación en red. (Fuente de la imagen: Pepperl+Fuchs)
Conclusión:
La incorporación de la conectividad paralela OPC UA a los dispositivos maestros IO-Link ha cambiado radicalmente las opciones disponibles para los diseñadores de redes de la Industria 4.0. Ahora es posible aplanar la arquitectura de red y proporcionar conexiones directas entre los dispositivos IO-Link de la planta de la fábrica y la Nube. La nueva tecnología puede utilizarse en diversos casos para mejorar la eficacia operativa.
Fuente: https://www.digikey.es/es/articles/how-new-io-link-masters-can-balance-the-benefits
