新型 IO-Link Master 如何平衡工業 4.0 工廠中雲端連線和本機控制的優勢

現在已能更輕鬆在工業網路中使用可編程邏輯控制器 (PLC) 平衡雲端連線和本機控制的需求。工業 4.0 網路非常複雜，包含從廠區的 IO-Link 到現場匯流排的多層連線，如 EtherNet/IP 和 PROFINET 與機器和 PLC 連線，以及連至雲端的開放平台通訊統一架構 (OPC UA) 介面。

傳統的工業 4.0 網路中，感測器、致動器等裝置使用單一 IO-Link 主控連接現場匯流排網路，現場匯流排網路上的裝置使用 OPC UA 等協定連至雲端。

機器和工廠網路設計人員現在擁有一種新工具，即多協定 IO-Link 主控 (IO-Link masters)，將常用的 EtherNet/IP、PROFINET 等其他現場匯流排連線與 OPC UA 介面結合，直接連至雲端。如此可扁平化連線並加快關鍵資料傳輸至最高層網路的速度。

本文首先回顧傳統網路架構使用的本機控制和雲端連線。接著介紹 Pepperl+Fuchs 的新型 IO-Link 主控之扁平化架構，包括現場匯流排和 OPC UA 連線，並且可支援多重平行連線。此外，亦考量到如何納入新的乙太網路進階實體層 (APL) 技術。

最後詳細介紹具有 OPC UA 連線性和相容 IO-Link 中樞 (用於網路擴充) 的新型 IO-Link 主控、一些代表性的 IO-Link 裝置，以及如何使用 IO-Link USB 主控為 IO-Link 裝置進行配置、調試、故障排除。

工業 4.0 工廠需要各式本機控制和雲端連線的搭配組合，以提供不同優勢。最佳解決方案通常會結合 PLC 和邊緣電腦，進行快速響應的本機控制，並使用雲端分析複雜資料。

PLC 穩健耐用，專為工業環境所設計。通常為模組化，可以因應工業 4.0 工廠持續變化的需求。PLC 經常取代繼電器架構系統，與之相比，更緊湊且更可靠。更大的優勢也許在於，PLC 可以透過連線的機器和感測器進行直接回饋，支援關鍵應用所需的即時控制。

雲端連線在本質上提供無限的儲存和運算能力。雲端連線可以連結來自各應用的資料、由各 PLC 控制，並支援協調和最佳化整體工廠作業。雲端連線可以卸載 PLC 的管理任務，且雲端運算服務可以快速且經濟實惠地進行擴充。

傳統 IO-Link

IO-Link 是一種點對點協定，而不是現場匯流排。在傳統的工業 4.0 網路中，IO-Link 主控是廠區 IO-Link 裝置與現場匯流排網路之間的中介。IO-Link 主控上的每個連接埠都連線到單一 IO-Link 裝置。IO-Link 主控整合並轉換來自連線 IO-Link 裝置的通訊，再將其發送到現場匯流排網路。

IO-Link 主控可安裝在控制櫃內。可以作為具有 IP20 防護等級的遠端連線點，連至現場匯流排網路，也可以在廠區使用，則具有 IP65/67 等級 (圖 1)。傳統 IO-Link 主控與雲端之間沒有直接連線；所有與雲端的通訊均透過現場匯流排上的裝置進行傳輸並受其控制。

圖 1：連線到現場匯流排的 IO-Link 傳統網路應用。(圖片來源：Pepperl+Fuchs)

增強型 IO-Link 和平行網路

將 OPC UA 連線能力新增至 IO-Link 主控，大幅改變了工業網路架構的發展。工業網路不再需要透過現場匯流排與雲端通訊。

用於即時控制的時間敏感型資料仍然可以放置在現場匯流排上。對時間較不敏感的資料可以先聚合再直接傳送到雲端，以消除現場匯流排裝置的通訊負擔。

Pepperl+Fuchs 將這種新結構稱為「平行 (parallel)」架構，因為可以與標準工業機器控制系統平行使用。其關鍵在於該公司的 MultiLink™ 技術；此技術支援平行使用工業乙太網路現場匯流排，以便使用 EtherNet/IP 和訊息佇列遙測傳輸 (MQTT) 等協定與 PLC 連線。這種開源訊息傳送協定使用 OPC UA，可以與工業物聯網 (IIoT) 上的裝置連線，例如工業電腦、監控與數據採集 (SCADA) 系統以及雲端。

MultiLink 的多協定 IO-Link 主控還包括整合的網路伺服器和 IO-Link 裝置描述 (IODD) 解譯器，使用網路瀏覽器支援現場匯流排連線和附加的IO-Link 裝置的配置 (圖 2)，讓此套裝更完整 。

圖 2：新的 IO-Link 網路架構使用 OPC UA 進行直接雲端連線並達到更扁平的網路結構。(圖片來源：Pepperl+Fuchs)

更多網路選擇

具有 OPC UA 和 MultiLink 的多協定 IO-Link 主控除了可支援上述的新型平行網路架構，其他實例還包括：

改裝 – 可將傳統 IO-Link 主控替換為具有 OPC UA 和 MultiLink 連線功能的主控，將平行通訊的優勢添加到既有網路中。

無需傳統 PLC 的應用 – 部分應用 (如企業資源規劃 (ERP) 或製造執行系統 (MES)) 從廠區的感測器收集數據，不需要 PLC。具備 OPC UA 的 IO-Link 主控可以將資料直接傳至雲端，並進行聚合、分析、操作，提升至最高生產力。

含多重 PLC 的應用 – 複雜的熔接單元 (welding cell) 是含多重 PLC 和多協定的應用範例之一，加入 OPC UA 可以取得優勢。例如，主要 PLC 可以使用 PROFINET 通訊控制整體流程，工業 PC 可以使用 EtherNet/IP 通訊控制光學品質監測，而各種機器人和其他設備則可以使用專屬控制協定。儘管現場匯流排有不同協定，運用 Pepperl+Fuchs 的 MultiLink 技術，OPC UA 仍可進行系統間的通訊和資料交換，並且可以將整個熔接單元連至雲端。

建立在乙太網路 APL 的基礎上

MultiLink 技術建立在乙太網路進階實體層 (Ethernet-APL) 的基礎上，允許乙太網路用於長距離製程儀表的通訊和供電。基於 10BASE-T1L 乙太網路實體層標準。

Ethernet-APL 的速度為 10 Mbps，範圍為 1,000 m，專為針對即時製程進行監控和控制所設計，可平行存取。支援 EtherNet/IP、HART-IP、OPC UA、PROFINET 和其他更高等級的協定，無須對閘道或其他協定進行轉換。使用開放系統互連 (OSI) 模型第 1 層中的特殊乙太網路實體連線 (PHY) 實作 10BASE-T1L (圖 3)。

圖 3：Ethernet-APL 是基於 10BASE-T1L 的新型 PHY。(圖片來源：Pepperl+Fuchs)

新的工業網路工具

工業網路設計人員若想運用 IO-Link 主控與 OPC UA MultiLink 平行連線的優勢擴大發展，Pepperl+Fuchs 提供 ICE2 (含 EtherNet/IP) 和 ICE3 (含 PROFINET) 的 IO-Link 主控系列產品 。這兩款 IO-Link 主控都有八個輸入和輸出，並具有網路架構的配置功能，用於設定所有模組參數和所有連線的 IO-Link 裝置 (Web IODD 作業)。包括可納入 100 多個 IODD 的整合式 IODD 儲存。其他功能包括：

• PortVision® DX 軟體，支援在單一應用中進行網路設定、裝置管理、設定複製／備份。
• 所有模組設定均可儲存為獨立檔案，並使用複製功能傳送到新裝置以加速部署。
• 模塊型號有兩個 L 編碼 M12 電源連接器插頭，額定電流為 16 A。輸入和輸出具有 A 編碼的 M12 連接器插頭，透過 D 編碼的 M12 連接器插頭連至現場匯流排。
• DIN 軌型號提供螺絲端子或可插拔推入式連接器。
• 防護等級：模塊型號為 IP67，DIN 軌型號為 IP20 (圖 4)。

圖 4：DIN 軌 (左) 與模塊 (右) IO-Link 主控範例。(圖片來源：Pepperl+Fuchs)

含 OPC UA MultiLink 的 IO-Link 主控範例包括：

• ICE2-8IOL1 -G65L-V1D 模塊式 EtherNet/IP 和 Modbus IO-Link 主控，具有四個 IO-Link Class A 連線埠，可為連線的裝置提供高達 200 mA 的電源，並具有四個 IO-Link Class B 連線埠，適用於具有獨立電源的高功率裝置。
• ICE2-8IOL -K45P-RJ45 是 DIN 軌式 EtherNet/IP IO-Link 主控，具有八個輸入／輸出和推入式連接器。
• ICE3-8IOL1 -G65L-V1D 是模塊式 PROFINET 和 Modbus IO-Link 主控，具有四個 IO-Link Class A 和四個 IO-Link Class B 連線埠。
• ICE3-8IOL -K45S-RJ45 是 DIN 軌式 PROFINET IO IO-Link 主控，具有八個輸入／輸出和螺絲端子。

用於網路擴充的中樞和轉換器

IO-Link 中樞支援感測器、致動器和其他裝置的網路擴充。採用 IO-Link 中樞，可使用標準感測器纜線將多個數位感測器和致動器連至 IO-Link 主控。例如，ICA-16DI-G60A-IO IO-Link 中樞可以處理多達 16 個 PNP 數位輸入，並且為每個連線埠單獨配置邏輯位準。依據連線的 IO-Link 主控的功能，此中樞可以向連線的裝置提供高達 500 mA 的電力。其防護等級為 IP65、IP67、IP69K。

若含類比輸出的感測器需要連線到 IO-Link 網路，設計人員可以選用具有電流或電壓類比輸入及 IO-Link 輸出的 ICA-AI-I/U-IO-V1 IO-Link 轉換器。其防護等級為 IP67，輸入可設定如下：

• 電流輸入可設定為 0 至 20 mA 或 4 至 20 mA。
• 電壓輸入可設定為 -10 至 10 V 或 0 至 10 V。

IO-Link 裝置產品

IO-Link 裝置具備完整的生態系統，幾乎所有工業製程皆可使用，滿足其感測和控制需求。Pepperl+Fuchs 的 IO-Link 產品組合包括電感式接近感測器、電感式定位系統、光電感測器、超音波感測器、振動感測器、旋轉編碼器、識別系統等 (圖 5)。範例包括：

• VDM28 距離測量裝置，採用脈衝測距技術 (PRT)，可提供 5 mm 的重複準確度、0.2 至 15 m 的工作範圍和 25 mm 的絕對準確度。
• IUT -F191-IO-V1-FR2-02 RFID 讀取／寫入裝置，針對距離長達約 1 m 的工業應用經過最佳化。本裝置依據 ISO/IEC 18000-63，讀取和寫入被動標籤。

圖 5：各種市售 IO-Link 裝置的範例。(圖片來源：Pepperl+Fuchs)

用於調試 IO-Link 裝置的 USB 主控

網路技術人員若需要安裝和調試 IO-Link 裝置時，可以選用 IO-LINK-MASTER02-USB (圖 6)。此 USB 主控可將 IO-Link 裝置連至 PC 上的 USB 連線埠。用於支援測試、配置、維護作業。可對連線的裝置進行配置和參數化，也支援裝置診斷。低電流消耗的裝置可以直接由 USB 主控供電。具有較高功率需求的裝置可以連線到選用的外部電源供應器。

圖 6：IO-Link USB 主控連線至 PC 可加速網路部署。(圖片來源：Pepperl+Fuchs)

結論

在 IO-Link 主控加入 OPC UA 平行連線，即可大幅增加工業 4.0 網路設計人員的設計選擇。現在已可扁平化網路架構，並在廠區的 IO-Link 裝置和雲端之間提供直接連線。新技術可用於各種實例，有助於提高運作效率。