Optimización de las arquitecturas de comunicación de la Industria 4.0 mediante concentradores y convertidores de E/S multiprotocolo

Los protocolos de comunicación son importantes para respaldar las transferencias de datos en tiempo real y el control en las redes de Industria 4.0 e Internet de las cosas (IIoT). Los sensores, actuadores, accionadores de motor y controladores tienen necesidades de comunicación específicas. No existe un protocolo de comunicación único.

Aunque no hay un único protocolo que se adapte a las necesidades de todas las aplicaciones, a menudo es necesario enlazar diversos dispositivos. Los sensores deben estar conectados a los controladores y los controladores deben conectarse con varios elementos del sistema que utilizan diferentes protocolos como IO-Link, Modbus y múltiples formas de Ethernet.

En muchos casos, es necesario que toda la máquina se conecte con la Nube. El resultado son arquitecturas de comunicación complejas con multitud de protocolos. Para hacer frente a este reto, los diseñadores de máquinas pueden recurrir a maestros, concentradores y convertidores multiprotocolo de entrada/salida (E/S).

Este artículo comienza con un repaso de los protocolos de comunicación habituales de la Industria 4.0 y su lugar en la jerarquía de las redes. A continuación, presenta una serie de maestros de E/S, concentradores y convertidores de Banner Engineering, revisa su funcionamiento y analiza cómo pueden facilitar las complejas arquitecturas de comunicación de Industria 4.0 e IIoT.

¿Qué es el modelo OSI de siete capas?

Los protocolos de comunicación de red suelen describirse en el contexto del modelo de siete capas de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI). El modelo comienza con tres capas de medios que se ocupan de las consideraciones de hardware, como las conexiones físicas, de enlace de datos y de red.

El direccionamiento de datos es el foco de las tres capas siguientes, que incluyen los procesos de transporte, sesión y presentación.

El séptimo nivel del modelo es la capa de aplicación, que proporciona la interfaz entre el usuario y la red. Los protocolos como Modbus y PROFINET residen en esta capa. El modelo OSI está menos relacionado con otros protocolos como EtherNet/IP.

En el caso de EtherNet/IP, la capa de aplicación incluye procesos como acceso web (HTTP), correo electrónico (SMTP), transferencia de archivos (FTP), etc. Las tres capas de Host implementan los procesos del Protocolo de Control de Transmisión/Protocolo de Internet (TCP/IP) para establecer sesiones, realizar correcciones de errores, etc. Las capas de Medios incluyen la conexión física 10 Base-T y la implementación del enlace de datos Ethernet y las conexiones de red (Figura 1).

Figura 1: Relación de EtherNet/IP con el modelo OSI de siete capas. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

¿Dónde encaja IO-Link?

IO-Link es una interfaz de comunicación digital de una sola gota (SDCI) para pequeños sensores, actuadores y dispositivos similares. Amplía las comunicaciones bidireccionales hasta los dispositivos individuales de la fábrica. Está especificado en IEC 61131-9 y diseñado para ser compatible con arquitecturas de redes industriales basadas en Modbus, PROFIBUS, EtherNet/IP, etc.

IO-Link utiliza un dispositivo maestro para conectar dispositivos IO-Link a protocolos de nivel superior como Modbus, que proporciona conexiones a dispositivos que consumen datos como controladores lógicos programables (PLC), interfaces hombre-máquina (HMI), un servicio de datos en la nube (CDS), etc. En el nivel más bajo, IO-Link utiliza concentradores para agregar varios dispositivos y enviar los datos a un dispositivo maestro. Además, se puede utilizar una tensión analógica al convertidor IO-Link para añadir sensores analógicos a la red IO-Link (Figura 2).

Figura 2: Los convertidores, concentradores y maestros IO-Link pueden recopilar datos de dispositivos de campo y enviarlos a consumidores de datos como PLC, HMI y CDS. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

¿Por qué combinar IO-Link con otros protocolos?

La personalización masiva y los procesos de producción flexibles son características distintivas de la Industria 4.0. La combinación de IO-Link con otros protocolos puede aumentar la flexibilidad y versatilidad de las fábricas de la Industria 4.0. Entre las características ventajosas de IO-Link se incluyen:

• Modbus tiene un soporte limitado para dispositivos analógicos como ciertos sensores, mientras que IO-Link es compatible tanto con dispositivos digitales como analógicos.
• El aumento de la automatización y la ampliación de la fábrica puede facilitarse utilizando una puerta de enlace que admita tanto IO-Link como protocolos de nivel superior, como Modbus TCP o EtherNet/IP, y que pueda funcionar como puente entre una red de sensores de campo y una red troncal de comunicaciones industriales.
• IO-Link aumenta la eficacia operativa al proporcionar un proceso de configuración estandarizado y uniforme para todos los sensores, y puede utilizarse para sustituir automáticamente los sensores defectuosos cuando se utiliza un modelo idéntico.
• Las capacidades de recopilación de datos y comunicación de IO-Link proporcionan una mayor visibilidad del funcionamiento de los sensores individuales, así como de las redes de sensores dispersas, y aceleran la transmisión de los datos a un PLC y a la Nube.

¿Cómo se combinan Modbus e IO-Link?

Una de las primeras herramientas a tener en cuenta es un concentrador Modbus de E/S híbrido como el R95C-8B21-MQ de 8 puertos bimodales a Modbus. Este concentrador discreto bimodal a Modbus conecta dos canales discretos a cada uno de los ocho puertos únicos, proporcionando acceso para supervisar y configurar dichos puertos mediante registros Modbus.

Los concentradores Modbus de E/S híbrida están disponibles con cuatro entradas analógicas configurables (tensión o corriente) y cuatro salidas analógicas, además de ocho entradas y salidas discretas PNP (alimentación) o NPN (disipación) configurables para aumentar la flexibilidad de las aplicaciones.

Los controladores industriales DXMR90-X1 pueden utilizarse como plataforma para soluciones IIoT. Pueden consolidar datos de múltiples fuentes para el procesamiento de datos y la accesibilidad locales. El DXMR90 contiene clientes Modbus individuales que admiten la comunicación simultánea con hasta cinco redes en serie independientes.

El DXMR90-X1 incluye un conector Ethernet M12 hembra de código D y cuatro conexiones M12 hembra para conexiones de maestro Modbus. Otros modelos DXMR90 están disponibles con dos conectores Ethernet M12 de código D hembra y cuatro conexiones M12 hembra para conexiones de cliente Modbus o con un conector Ethernet M12 de código D hembra y cuatro conectores M12 hembra para conexiones de maestro IO-Link.

Todos los controladores DXMR90 incluyen también un M12 macho (Puerto 0) para la alimentación entrante y Modbus RS-485 y un M12 hembra para la conexión en cadena de las señales del Puerto 0. Características adicionales del DXMR90-X1 (Figura 3):

• Convierte Modbus RTU a Modbus TCP/IP, EtherNet/IP o Profinet
• Lógica interna dirigida por reglas de acción para una programación sencilla, o MicroPython y ScriptBasic para desarrollar soluciones más complejas
• Compatibilidad con protocolos de Internet, incluidos RESTful y MQTT
• Muy adecuado para el análisis de datos IIoT, la supervisión de condiciones, el mantenimiento predictivo, el análisis de la eficacia general de los equipos (OEE), el diagnóstico y la resolución de problemas.

Figura 3: El controlador DXMR90-X1 puede utilizarse junto con el concentrador Modbus de E/S híbridas R95C. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

¿Qué es el soporte multiprotocolo?

El maestro IO-Link DXMR110-8K de 8 puertos es un controlador inteligente compacto y multiprotocolo que consolida, procesa y distribuye datos IO-Link y discretos de múltiples fuentes. Las conexiones incluyen:

• Dos conectores Ethernet M12 D-Code hembra para conexión en cadena y comunicación con un sistema de control de nivel superior
• Ocho conexiones M12 hembra para dispositivos IO-Link
• Un M12 macho para la alimentación entrante y un M12 hembra para la alimentación en cadena

El DXMR110 admite conectividad en la nube e incluye funciones de programación avanzadas. ScriptBasic y la programación de reglas de acción pueden utilizarse para crear e implementar scripts personalizados y lógica para procesos de automatización optimizados.

La potencia de procesamiento interno del DXMR110 puede utilizarse para trasladar el procesamiento de datos al extremo, minimizando la necesidad de hardware en el armario de control y eliminando las tarjetas de E/S en un PLC. La conectividad integrada en la nube permite acceder a los datos desde cualquier lugar del mundo. Por último, la carcasa IP67 simplifica la instalación en cualquier lugar al eliminar la necesidad de un armario de control (Figura 4).

Figura 4: El maestro IO-LinkDXMR110-8K de 8 puertos es un controlador inteligente multiprotocolo. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

Hay más

Los dispositivos presentados hasta ahora no son las únicas opciones para implantar soluciones de comunicación industrial multiprotocolo. Los diseñadores de máquinas pueden emplear una gama de bloques de E/S remotas de Banner Engineering para optimizar el diseño del sistema, la eficiencia del espacio y el rendimiento.

Banner ofrece convertidores en línea y maestros con diseños sobremoldeados que cumplen las exigencias de rendimiento de ingreso (IP) de IP65, IP67 e IP68. Los convertidores en línea y maestros de la serie R45C proporcionan una puerta de enlace para conectar dispositivos IO-EnlaceLink a una red IIoT o a controladores de sistemas que utilizan el protocolo Modbus RTU. El modelo R45C-2K-MQ conecta dos dispositivos IO-Link a una interfaz Modbus RTU.

Cuando se necesitan señales analógicas, los diseñadores pueden recurrir al Modbus R45C-MII-IIQ para obtener un convertidor de E/S en línea analógico doble. Las funciones incluyen:

• Entrada analógica. Cuando el convertidor recibe una entrada analógica, envía la representación numérica del valor al registro Modbus correspondiente. Puede aceptar entradas analógicas de 0 a 11,000 mV o de 0 a 24,000 µA.
• Salida analógica. El convertidor emite un valor analógico correspondiente a una entrada numérica. Las salidas analógicas pueden variar de 0 a 11,000 mV o de 0 a 24,000 µA.
• También se pueden detectar y procesar valores de datos de proceso fuera del rango válido (POVR), y el convertidor envía una señal al sistema.

Cuando es necesario convertir una sola entrada analógica en una señal IO-Link, los diseñadores pueden utilizar el S15C-I-KQ. Este convertidor cilíndrico de corriente analógica a IO-Link se conecta a una fuente de corriente de 4 a 20 mA y envía el valor correspondiente a un maestro IO-Link.

Banner ofrece una variedad de bloques de E/S Modbus RTU que admiten conexiones de múltiples dispositivos analógicos y discretos conectados a una red Modbus o IO-Link. Pueden mezclarse o combinarse para facilitar la interoperabilidad y la flexibilidad del sistema (Figura 5).

Figura 5: Ejemplos de factores de forma y configuraciones de las soluciones de E/S remotas de Banner para la integración IO-Link. (Fuente de la imagen: DigiKey)

¿Pueden integrarse protocolos inalámbricos?

La solución de red de E/S inalámbrica Sure Cross DSX80 Performance de Banner permite la conectividad inalámbrica. Puede utilizarse de forma independiente o conectarse a un host de controladores lógicos programables (PLC) mediante Modbus o una computadora personal o tableta. La arquitectura básica del sistema consta de una puerta de enlace y uno o varios nodos (Figura 6).

Figura 6: La solución de red de E/S inalámbrica Sure Cross DSX80 Performance de Banner incluye una puerta de enlace y uno o varios nodos sensores. (Fuente de la imagen: Banner Engineering)

La implementación de una red inalámbrica Sure Cross DX80 Performance implica tres elementos: la topología de la red, las relaciones maestro y esclavo y la arquitectura de acceso múltiple de división de tiempo (TDMA).

Se utiliza una topología en estrella en la que el maestro mantiene una conexión independiente con cada nodo. Si falla la conexión entre un nodo y el maestro, la conectividad con el resto de nodos no se ve afectada.

Una puerta de enlace como la DX80G2M6-QC es el dispositivo maestro e inicia todas las comunicaciones con los dispositivos esclavos. Una puerta de enlace que utiliza una conexión RS-485 Modbus RTU actúa como esclavo de un controlador host Modbus RTU. Una sola red inalámbrica puede incluir hasta 47 nodos esclavos.

Los dispositivos esclavos pueden ser nodos inalámbricos como el nodo de sensores de temperatura de doble termistor DX80N9Q45DT, el nodo de sensores de presión DX80N9Q45PS150G o sensores de vibración y humedad.

Los dispositivos esclavos no pueden iniciar la comunicación con la puerta de enlace ni comunicarse entre sí. Se puede añadir una radio de datos serie como la DX80SR9M-H para ampliar la cobertura de la red y dar cabida a instalaciones físicamente grandes.

TDMA es la clave para combinar una conectividad robusta con un consumo mínimo de energía. El controlador TDMA de la puerta de enlace asigna a cada nodo un tiempo específico para enviar y recibir datos. La puerta de enlace siempre tiene el número de ID del dispositivo 0. Los nodos pueden numerarse en cualquier orden utilizando las ID de los dispositivos del 1 al 47.

Establecer tiempos de comunicación específicos para nodos individuales optimiza la eficiencia al eliminar la posibilidad de conflictos entre nodos. También permite a los nodos entrar en un estado de bajo consumo entre comunicaciones, despertándose solo a la hora asignada. Apagar la radio entre transmisiones ahorra energía y prolonga la vida útil de los nodos alimentados por batería.

Conclusión:

El acceso a múltiples protocolos de comunicación, como IO-Link, Modbus, EtherNet/IP, etc., es necesario para respaldar el funcionamiento eficiente de las redes de Industria 4.0 e IIoT. Banner Engineering ofrece a los diseñadores una amplia selección de concentradores, convertidores y maestros IO-Link en varios factores de forma para soportar soluciones de comunicación optimizadas.