Les nouveaux maîtres IO-Link permettent d'équilibrer les avantages de la connectivité cloud et du contrôle local dans les usines de l'Industrie 4.0

Il est désormais plus facile d'équilibrer les besoins de connectivité cloud et de contrôle local à l'aide d'automates programmables (PLC) dans les réseaux industriels. Les réseaux Industrie 4.0 sont complexes et incluent plusieurs niveaux de connectivité depuis IO-Link dans l'usine jusqu'aux bus de terrain comme EtherNet/IP et PROFINET reliant les machines et les PLC et une interface OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) atteignant le cloud.

Dans un réseau Industrie 4.0 traditionnel, les capteurs, actionneurs et autres dispositifs utilisent un maître IO-Link pour se connecter au réseau de bus de terrain, et les dispositifs du réseau de bus de terrain utilisent OPC UA et d'autres protocoles pour se connecter au cloud.

Les concepteurs de réseaux de machines et d'usines disposent désormais d'un nouvel outil — les maîtres IO-Link — combinant la connectivité habituelle EtherNet/IP, PROFINET et d'autres bus de terrain avec une interface OPC UA pour une connexion directe au cloud. Ce nouvel outil peut être utilisé pour uniformiser la connectivité et accélérer la transmission des données critiques aux niveaux les plus hauts du réseau.

Cet article commence par un examen de l'utilisation du contrôle local et de la connectivité cloud dans une architecture réseau traditionnelle. Il présente ensuite l'architecture uniformisée rendue possible par les nouveaux maîtres IO-Link de Pepperl+Fuchs incluant le bus de terrain et la connectivité OPC UA et pouvant prendre en charge plusieurs connexions parallèles. Il aborde également la manière dont la nouvelle technologie de couche physique avancée (APL) Ethernet s'intègre.

Il se termine en détaillant les nouveaux maîtres IO-Link avec connectivité OPC UA et les concentrateurs IO-Link compatibles pour l'extension du réseau, ainsi que quelques dispositifs IO-Link représentatifs et l'utilisation d'un maître IO-Link USB pour la configuration, la mise en service et le dépannage des dispositifs IO-Link.

Les usines de l'Industrie 4.0 requièrent différentes combinaisons de contrôle local et de connectivité cloud. Chacune a ses avantages. La meilleure solution combine souvent des PLC et des ordinateurs périphériques pour un contrôle local réactif tout en utilisant le cloud pour analyser des données complexes.

Les PLC sont robustes et conçus pour être utilisés dans les environnements industriels. Ils sont généralement modulaires et peuvent s'adapter aux besoins changeants des usines de l'Industrie 4.0. Les PLC sont plus compacts et fiables que les systèmes à relais qu'ils remplacent souvent. Peut-être plus important encore, les PLC peuvent prendre en charge le contrôle en temps réel dans les applications critiques avec un retour direct des machines et des capteurs connectés.

La connectivité cloud offre des capacités de stockage et de calcul quasiment illimitées. Elle peut relier les données de diverses applications, contrôlées par des PLC individuels, et prendre en charge un fonctionnement harmonisé et optimisé de l'ensemble de l'usine. La connectivité cloud peut décharger les tâches administratives des PLC, et les services de cloud computing peuvent être mis à l'échelle rapidement et de manière économique.

IO-Link traditionnel

IO-Link est un protocole point-à-point et non un bus de terrain. Dans un réseau Industrie 4.0 traditionnel, les maîtres IO-Link sont les intermédiaires entre les dispositifs IO-Link de l'usine et le réseau de bus de terrain. Chaque port d'un maître IO-Link se connecte à un seul dispositif IO-Link. Le maître IO-Link consolide et traduit les communications des dispositifs IO-Link connectés et les transmet au réseau de bus de terrain.

Les maîtres IO-Link peuvent être installés à l'intérieur de l'armoire de commande. Ils peuvent se connecter au réseau de bus de terrain en tant que point de connexion à distance avec un indice environnemental IP20 ou être utilisés dans l'usine avec un indice IP65/67 (Figure 1). Il n'y a pas de connexion directe entre les maîtres IO-Link traditionnels et le cloud ; toutes les communications vers le cloud sont canalisées et contrôlées par des dispositifs sur le bus de terrain.

Figure 1 : Application réseau traditionnelle d'IO-Link connectée à un bus de terrain. (Source de l'image : Pepperl+Fuchs)

IO-Link amélioré et réseau parallèle

L'ajout d'une connectivité OPC UA à un maître IO-Link modifie radicalement les possibilités des architectures de réseaux industriels. Il n'est plus nécessaire que les communications soient canalisées sur le bus de terrain pour atteindre le cloud.

Les données sensibles au temps pour le contrôle en temps réel peuvent toujours être placées sur le bus de terrain. Les données moins sensibles au temps peuvent être agrégées et envoyées directement vers le cloud, supprimant ainsi la charge de communications des dispositifs de bus de terrain.

Pepperl+Fuchs qualifie cette nouvelle structure « d'architecture parallèle » car elle peut être utilisée en parallèle avec les systèmes de contrôle de machines industrielles standard. La clé est la technologie MultiLink™ de l'entreprise qui prend en charge l'utilisation parallèle d'un bus de terrain Ethernet industriel pour la connexion aux PLC à l'aide d'un protocole comme EtherNet/IP et MQTT. Ce protocole de messagerie open-source utilise OPC UA et peut se connecter à des dispositifs Internet industriel des objets (IIoT), comme les ordinateurs industriels, les systèmes SCADA et le cloud.

Pour compléter la solution, les maîtres IO-Link avec MultiLink incluent également un serveur Web intégré et un interpréteur IODD (IO-Link Device Description) qui prend en charge la configuration de la connexion des bus de terrain et des dispositifs IO-Link connectés à l'aide d'un navigateur Web (Figure 2).

Figure 2 : Nouvelle architecture réseau IO-Link utilisant OPC UA pour une connectivité directe au cloud et une structure réseau plus uniformisée. (Source de l'image : Pepperl+Fuchs)

Plus de possibilités de mise en réseau

En plus de permettre la nouvelle architecture réseau parallèle décrite ci-dessus, les maîtres IO-Link avec OPC UA et MultiLink peuvent être utilisés pour d'autres cas d'utilisation tels que les suivants :

Mises à niveau – Ce maître IO-Link traditionnel peut être remplacé par un maître avec connectivité OPC UA et MultiLink pour ajouter les avantages des communications parallèles à un réseau existant.

Applications sans PLC traditionnel – Certaines applications, comme les systèmes de planification des ressources d'entreprise (ERP) ou les systèmes industriels d'exécution (MES), collectent des données à partir de capteurs dans l'usine et n'ont pas besoin de PLC. Un maître IO-Link avec OPC UA peut envoyer les données directement vers le cloud, lesquelles peuvent être agrégées, analysées et exploitées pour maximiser la productivité.

Applications avec plusieurs PLC – Les cellules de soudage complexes sont un exemple d'application avec plusieurs PLC et plusieurs protocoles qui peuvent bénéficier de l'ajout d'OPC UA. Par exemple, un PLC principal peut contrôler le processus global à l'aide de la communication PROFINET, un PC industriel peut surveiller la qualité optique avec la communication EtherNet/IP, et divers robots et autres équipements peuvent utiliser des protocoles de contrôle propriétaires. OPC UA avec la technologie MultiLink de Pepperl+Fuchs permet la communication et l'échange de données entre les systèmes malgré les différents protocoles de bus de terrain, et peut relier l'ensemble de la cellule de soudage au cloud.

Technologie basée sur Ethernet APL

La technologie MultiLink repose sur la couche physique avancée Ethernet, ou Ethernet-APL, qui permet à Ethernet d'être utilisé pour la communication et l'alimentation avec l'instrumentation de processus sur de longues distances. Elle est basée sur la norme de couche physique Ethernet 10BASE-T1L.

Avec une vitesse de 10 Mbps et une portée de 1000 mètres, Ethernet-APL a été conçu pour la surveillance et le contrôle des processus en temps réel, permettant un accès parallèle. Il prend en charge EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA, PROFINET et d'autres protocoles de niveau supérieur. Il élimine le recours à des passerelles ou d'autres conversions de protocole. Il implémente 10BASE-T1L en utilisant une connexion physique (PHY) Ethernet spéciale dans la couche 1 du modèle d'interconnexion de systèmes ouverts (OSI) (Figure 3).

Figure 3 : Ethernet-APL est une nouvelle couche PHY basée sur 10BASE-T1L. (Source de l'image : Pepperl+Fuchs)

Les nouveaux outils de mise en réseau industriel

Pour les concepteurs de réseaux industriels qui souhaitent tirer parti des nouvelles possibilités offertes par les maîtres IO-Link avec connectivité parallèle OPC UA MultiLink, Pepperl+Fuchs propose les séries maîtres IO-Link ICE2 (avec EtherNet/IP) et ICE3 (avec PROFINET). Les deux types de maîtres IO-Link disposent de huit entrées et sorties et sont dotés d'une capacité de configuration Web permettant de définir tous les paramètres de modules et tous les dispositifs IO-Link connectés (fonctionnement Web IODD). Ils incluent un stockage IODD intégré pour plus de 100 IODD. Les autres fonctionnalités incluent les suivantes :

• Le logiciel PortVision® DX prend en charge la configuration réseau, la gestion des dispositifs et le clonage/la sauvegarde des paramètres dans une seule application.
• Tous les paramètres du module peuvent être enregistrés dans un fichier séparé et transférés vers un nouveau dispositif à l'aide de la fonction de clonage pour accélérer les déploiements.
• Les modèles blocs disposent de deux fiches de connexion d'alimentation M12 codées L répertoriées pour 16 A. Les entrées et sorties sont dotées de fiches de connexion M12 codées A, et la connexion au bus de terrain s'effectue via des fiches de connexion M12 codées D.
• Les modèles à rail DIN sont disponibles avec des bornes à vis ou des connecteurs enfichables.
• Degrés de protection : les modèles blocs sont répertoriés IP67 et les modèles à rail DIN sont répertoriés IP20 (Figure 4).

Figure 4 : Exemples de maîtres IO-Link à rail DIN (à gauche) et de type bloc (à droite). (Source de l'image : Pepperl+Fuchs)

Les exemples de maîtres IO-Link avec OPC UA MultiLink incluent les suivants :

• L'ICE2-8IOL1-G65L-V1D est un maître IO-Link Modbus et EtherNet/IP de type bloc avec 4 ports IO-Link de classe A pouvant fournir jusqu'à 200 mA d'alimentation pour les dispositifs connectés et 4 ports IO-Link de classe B pour les dispositifs de plus haute puissance avec leur propre source d'alimentation indépendante.
• L'ICE2-8IOL-K45P-RJ45 est un maître IO-Link EtherNet/IP à rail DIN avec 8 entrées/sorties et connecteurs enfichables.
• L'ICE3-8IOL1-G65L-V1D est un maître IO-Link Modbus et PROFINET de type bloc avec 4 ports IO-Link de classe A et 4 ports IO-Link de classe B.
• L'ICE3-8IOL-K45S-RJ45 est un maître IO-Link PROFINET IO à rail DIN avec 8 entrées/sorties et bornes à vis.

Concentrateurs et convertisseurs pour l'extension réseau

Les concentrateurs IO-Link prennent en charge l'extension des réseaux de capteurs, d'actionneurs et d'autres dispositifs. Les concentrateurs IO-Link permettent de connecter plusieurs capteurs et actionneurs numériques à un maître IO-Link à l'aide d'un câble de capteur standard. Par exemple, le concentrateur IO-Link ICA-16DI-G60A-IO peut gérer jusqu'à 16 entrées numériques PNP, et le niveau logique peut être configuré individuellement pour chaque port. Selon la capacité du maître IO-Link connecté, ce concentrateur peut fournir jusqu'à 500 mA de puissance aux dispositifs connectés. Il est répertorié pour IP65, IP67 et IP69K.

Lorsqu'un capteur avec une sortie analogique doit être connecté à un réseau IO-Link, les concepteurs peuvent se tourner vers le convertisseur IO-Link ICA-AI-I/U-IO-V1 avec une entrée analogique pour le courant ou la tension et une sortie IO-Link. Il est répertorié IP67 et l'entrée peut être définie comme suit :

• L'entrée de courant peut être réglée de 0 mA à 20 mA ou de 4 mA à 20 mA.
• L'entrée de tension peut être réglée de -10 V à 10 V ou de 0 V à 10 V.

Offre de dispositifs IO-Link

Un écosystème complet de dispositifs IO-Link est disponible pour presque tous les processus industriels, y compris les besoins de détection et de contrôle. La gamme IO-Link de Pepperl+Fuchs comprend des capteurs de proximité inductifs, des systèmes de positionnement inductifs, des capteurs photoélectriques, des capteurs à ultrasons, des capteurs de vibrations, des codeurs rotatifs et des systèmes d'identification (Figure 5). Exemples :

• Le dispositif de mesure de distance VDM28 utilise la technologie PRT (Pulse Ranging Technology) pour fournir une précision de répétition de 5 mm avec une portée de fonctionnement de 0,2 m à 15 m et une exactitude absolue de 25 mm.
• Le dispositif de lecture/écriture RFID IUT-F191-IO-V1-FR2-02 est optimisé pour les applications industrielles impliquant des distances jusqu'à environ 1 m. Le dispositif lit et écrit des étiquettes passives basées sur la norme ISO/CEI 18000-63.

Figure 5 : Exemples du vaste choix de dispositifs IO-Link disponibles. (Source de l'image : Pepperl+Fuchs)

Maître USB pour la mise en service des dispositifs IO-Link

Lorsqu'il est temps d'installer et de mettre en service les dispositifs IO-Link, les techniciens réseau peuvent se tourner vers l'IO-LINK-MASTER02-USB (Figure 6). Ce maître USB peut connecter des dispositifs IO-Link au port USB d'un PC. Il est conçu pour prendre en charge les activités de test, de configuration et de maintenance. Les dispositifs connectés peuvent être configurés et paramétrés. Le diagnostic des dispositifs est également pris en charge. Les dispositifs à faible consommation de courant peuvent être alimentés directement depuis le maître USB. Les dispositifs ayant des besoins en énergie plus élevés peuvent être connectés à une alimentation externe en option.

Figure 6 : Ce maître USB IO-Link se connecte à un PC pour accélérer les déploiements réseau. (Source de l'image : Pepperl+Fuchs)

Conclusion

L'ajout de la connectivité parallèle OPC UA aux dispositifs maîtres IO-Link a radicalement modifié les options disponibles pour les concepteurs de réseaux Industrie 4.0. Il est désormais possible d'uniformiser l'architecture réseau et de fournir des connexions directes entre les dispositifs IO-Link de l'usine et le cloud. Cette nouvelle technologie peut être appliquée dans divers cas d'utilisation pour améliorer le rendement opérationnel.