Jak projektować modułowe sieci nakładowe na potrzeby optymalizacji przetwarzania danych w przemysłowym Internecie rzeczy w przemyśle 4.0

Optymalizacja przetwarzania danych w przemyśle 4.0 oraz systemy przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) wspierające produkcję zgodną ze strategią Lean można osiągnąć poprzez monitorowanie stanu, konserwację predykcyjną, analizę ogólnej efektywności sprzętu (OEE) oraz śledzenie, diagnostykę i rozwiązywanie problemów. W wielu przypadkach problem polega na tym, że sprzęt starszego typu nie został zaprojektowany do łączności z użyciem określonego protokołu komunikacyjnego lub może korzystać z wielu różnych protokołów komunikacyjnych, co powoduje, że jego wymiana jest kosztowna. W celu zapewnienia maksymalnej efektywności i uzyskania danych dotyczących maszyn, w wielu przypadkach prostsze i bardziej opłacalne jest wdrożenie sieci nakładkowej, która może łączyć istniejące wyspy automatyki i starsze urządzenia.

Zaprojektowanie takiej sieci nakładkowej stanowi wyzwanie. Wymaga ona kontrolera, który może odbierać sygnały z czujników i innych urządzeń wykorzystujących różne protokoły komunikacyjne, łączyć te sygnały w jednolity strumień użytecznych danych i eksportować je do zasobów przetwarzania brzegowego lub do chmury. System wymaga adapterów, które można podłączyć bezpośrednio do czujników, wskaźników i innych urządzeń. Do podłączenia dotychczas niekompatybilnych, w tym starszych, typów urządzeń potrzebne są konwertery.

Ponadto, aby zapewnić niezawodne działanie, wymagane są filtry zabezpieczające przesyłane dane przed zakłóceniami elektrycznymi i stanami nieustalonymi. Wszystkie te komponenty powinny spełniać normy środowiskowe IP65, IP67 i IP68 dla pracy w warunkach przemysłowych, a rozwiązanie musi być łatwe i ekonomiczne w realizacji.

W niniejszym artykule omówiono pokrótce problemy związane z podłączaniem starszego sprzętu do przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT). W dalszej części przedstawiono architekturę grupy narzędzi sprzętowych i programowych Snap Signal firmy Banner Engineering oraz sposób, w jaki ułatwiają one pokonanie przedstawionych wyzwań. Przedstawiono przykłady urządzeń Snap Signal, w tym kontrolera DXMR90, powiązanych konwerterów, adapterów i filtrów, a także kwestie związane z aplikacjami podczas implementacji przewodowego i bezprzewodowego przetwarzania brzegowego lub łączności z chmurą.

Podłączanie starszych urządzeń do przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT)

Wiele fabryk powstało przed erą przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) i przemysłu 4.0, w związku z czym często nie jest możliwe połączenie wszystkich urządzeń i maszyn w jedną sieć, co prowadzi do powstawania wysp automatyki. Nawet jeśli starsze urządzenia nie są izolowane w obrębie wyspy, połączenie ich może być trudne ze względu na brak elastyczności wynikający z zastosowania zastrzeżonych protokołów komunikacyjnych, niestandardowych złączy i okablowania oraz innych czynników.

Sieć nakładkowa Snap Signal przemysłowego Internetu rzeczy może stanowić szybki, elastyczny i ekonomiczny sposób na połączenie starszego sprzętu i wysp automatyki poprzez przechwytywanie i konwertowanie różnych niekompatybilnych protokołów transmisji danych w łatwy do dystrybucji standard, który można dostarczyć do krawędziowych lub chmurowych zasobów obliczeniowych w celu analizy i działania (ilustracja 1).

Ilustracja 1: sieć nakładkowa Snap Signal posiada architekturę modułową łączącą starsze urządzenia i wyspy automatyki z zasobami przetwarzania brzegowego lub w chmurze. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Do wdrożenia elastycznych i niezawodnych sieci nakładkowych przemysłowego Internetu rzeczy potrzebne są następujące kluczowe komponenty:

• Adaptery do zmiany tras okablowania i łączenia różnych typów okablowania sprzętowego od czujników, wskaźników i innych urządzeń do standardowego formatu używanego w sieci nakładanej.
• Konwertery danych do translacji niekompatybilnych formatów, takich jak formaty dyskretne, analogowe i różne cyfrowe, które można znaleźć w starszych urządzeniach lub wyspach automatyki, na standardowe protokoły, takie jak IO-Link lub Modbus, w celu umożliwienia scentralizowanego monitorowania wydajności.
• Filtry chroniące dane przed uszkodzeniem w środowiskach przemysłowych o dużym natężeniu zakłóceń, poprawiające integralność i wierność sygnału oraz zmniejszające wymagania w zakresie rozwiązywania problemów.
• Kontroler programowany do konsolidacji danych z wielu źródeł i lokalnego przetwarzania danych, a także połączenia umożliwiające zintegrowanie starszych urządzeń i wysp automatyki z przemysłowym Internetem rzeczy.
• Połączenie przewodowe lub bezprzewodowe do dystrybucji zebranych danych do brzegowych lub chmurowych zasobów przetwarzania danych, takich jak Cloud Data Service (CDS) firmy Banner, które zapewnia wizualizowanie danych i wgląd w wydajność maszyny oraz wysyłanie wiadomości e-mail lub SMS w celu wsparcia obsługi maszyny, konserwacji i naprawy w czasie rzeczywistym (ilustracja 2).

Ilustracja 2: skonsolidowane dane mogą być przesyłane za pomocą połączenia przewodowego lub bezprzewodowego do brzegowych zasobów obliczeniowych lub do chmury, jak na przykład CDS firmy Banner (zrzut ekranu powyżej). (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Kontroler do konsolidacji wielu strumieni danych

Kontroler programowany i konwertery danych są kluczowymi komponentami w projektowaniu sieci nakładkowych. Kontroler przemysłowy DXMR90 firmy Banner służy jako centralny koncentrator komunikacyjny, który łączy sygnały z wielu portów Modbus w jeden strumień danych przesyłany za pomocą przemysłowych protokołów Ethernet. Na przykład model DXMR90-X1 zawiera cztery główne moduły Modbus i obsługuje równoległą komunikację z maksymalnie czterema sieciami szeregowymi (ilustracja 3).

Ilustracja 3: wśród portów kontrolera DXMR90 znajdują się konfigurowalny port Modbus 0 (po lewej stronie), główne porty Modbus (od 1 do 4 na dole), konfigurowany port Modbus 0/PW dla RS-485 i zasilania wejściowego (po prawej stronie u góry) oraz port Ethernet z kodowaniem D (u dołu po prawej stronie). (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

DXMR90 to wysoce zintegrowany kontroler komunikacyjny wyróżniający się następującymi cechami:

• Możliwość pracy z wieloma urządzeniami Modbus, konwertowanie Modbus RTU na Modbus TCP/IP, Ethernet i/P lub Profinet.
• Cztery niezależne porty główne Modbus, które mogą służyć do podłączania urządzeń podrzędnych bez ręcznego przypisywania adresu do urządzeń.
• Lokalne sterowanie i łączność za pomocą protokołów takich jak:
  • Modbus/TCP, Modbus RTU, Ethernet/IP i Profinet, protokoły automatyki
  • Protokoły internetowe, w tym RESTful API oraz MQTT z usługami sieciowymi AWS i innymi
  • Bezpośrednie alerty e-mail
• Wewnętrzny kontroler logiczny ze wstępnie zdefiniowanymi regułami działania, który można również zaprogramować za pomocą oprogramowania MicroPython lub ScriptBasic.
• Obudowy o stopniu ochrony IP65, IP67 i IP68 ułatwiają wdrażanie w warunkach przemysłowych.
• Szybkie wskazania stanu za pomocą programowanych przez użytkownika diod LED.
• Do połączenia z bazami danych, takimi jak CDS firmy Banner, można użyć kabla Ethernet lub obsługującego sieć komórkową kontrolera DXM.

Konwertery łączą urządzenia w sieciach przemysłowego Internetu rzeczy

Aby połączyć sprzęt starszego typu z wyspami automatyki w sieć nakładkową potrzebna jest efektywna konwersja danych. Aby zrealizować tę funkcję, deweloperzy mogą użyć małych liniowych konwerterów wtyczkowych serii S15C firmy Banner do konwersji danych z monitorowania stanu i czujników procesowych z różnych formatów na dane cyfrowe IO-Link (ilustracja 4). Na przykład urządzenie S15C-MGN-KQ jest konwerterem urządzeń głównych Modbus do IO-Link, który można skonfigurować w taki sposób, aby odczytywał maksymalnie 60 rejestrów i zapisywał maksymalnie 15, a predefiniowane rejestry Modbus były automatycznie wysyłane przez IO-Link.

Ilustracja 4: liniowe konwertery danych serii S15C mogą przekształcać różne typy sygnałów, w tym dyskretne, analogowe i inne, na protokoły przemysłowe, takie jak Modbus, IO-Link, PWM i PFM. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Konwertery S15C mają średnicę 15mm i posiadają oblewaną obudowę IP68 oraz złącza M12, a także te same zasilacze, co podłączone urządzenie. Zastosowanie konwerterów S15C eliminuje ograniczenie łączności IO-Link do odległości 20m, ponieważ można je zainstalować na końcu łącza Modbus, w pobliżu głównego urządzenia IO-Link.

Linia konwerterów S15C obejmuje osiem modeli:

• Sześć konwerterów Modbus-IO-Link do użytku z linią czujników Modbus firmy Banner, m.in. ultradźwiękowych, pomiarowych kurtyny świetlnej, temperatury/wilgotności, wibracji/temperatury i GPS. Dodatkowo dostępny jest konwerter ogólny, który można skonfigurować w taki sposób, aby umożliwić wdrożenie większości urządzeń Modbus jako urządzeń IO-Link.
• Dwa modele czujników analogowych, które konwertują sygnały o wielkości od 0 do 10V= lub od 4 do 20mA na wartości cyfrowe i przesyłają je jako dane IO-Link.

Sieć uzupełniają adaptery kablowe i filtry

Aby szybko wdrożyć elastyczne i ekonomiczne sieci nakładkowe, oprócz kontrolera i konwerterów danych projektanci potrzebują adapterów kablowych i filtrów szumów. Liniowe adaptery kablowe, takie jak S15A-F14325-M14325-Q firmy Banner, można podłączyć bezpośrednio do czujnika, wskaźnika lub innego urządzenia, aby przekierować okablowanie i wyodrębnić sygnały zgodnie z potrzebami danego zastosowania (ilustracja 5). Te adaptery kablowe są dostępne w konfiguracji standardowej i niestandardowej.

Ilustracja 5: adaptery serii S15A, takie jak S15A-F14325-M14325-Q, wykorzystują połączenie M12 do łatwej instalacji i mogą w razie potrzeby posłużyć do zmiany trasy okablowania w celu spełnienia określonych wymagań. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Filtry liniowe S15F, takie jak S15F-L-4000-Q, również są ważnymi elementami w sieci nakładkowej (ilustracja 6). Pozwalają łatwo rozwiązywać problemy związane z zakłóceniami elektrycznymi i napięciami w stanie nieustalonym, które mogą negatywnie wpływać na działanie sieci. Podobnie jak adaptery S15A i konwertery S15C, filtry te mają połączenia M12 i są umieszczone w oblewanej obudowie o stopniu ochrony IP65, IP67 i IP68. Zamontowanie filtra liniowego S15F może poprawić integralność sygnału i zmniejszyć zapotrzebowanie na rozwiązywanie problemów z siecią.

Ilustracja 6: filtry liniowe S15F, takie jak S15F-L-4000-Q, mogą być łatwo stosowane w celu ochrony urządzeń przed zakłóceniami elektrycznymi i stanami nieustalonymi, a połączenie M12 ułatwia instalację w dowolnym miejscu sieci. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Projektowanie i wdrażanie sieci Snap Signal

Projektowanie i wdrażanie sieci nakładkowych Snap Signal rozpoczyna się od identyfikacji źródeł danych podlegających monitorowaniu. Następnie należy ustalić, czy w celu uzupełnienia istniejących urządzeń trzeba dodać nowe czujniki lub wskaźniki. Etapy projektowania sieci Snap Signal:

• Wykorzystanie diagramu systemu firmy Banner, określenie i wybór komponentów Snap Signal potrzebnych do konkretnej instalacji.
• Zaplanowanie optymalnej trasy okablowania, w tym rozmieszczenie złączy T i filtrów między monitorowanymi urządzeniami a kontrolerem DXMR90.
• Sprawdzenie, czy instalacja wymaga połączenia przewodowego Ethernet na potrzeby danych lokalnych lub użycia bramki brzegowej do bezprzewodowego połączenia z platformą chmurową.

Sieci Snap Signal to prawdziwe sieci nakładkowe i nie wymagają wymiany żadnego dotychczas stosowanego sprzętu. Modułowa architektura Snap Signal typu plug-and-play ułatwia instalację:

• Instalacja wszelkich nowych czujników lub innych urządzeń i dodanie kabli rozdzielających do każdego monitorowanego urządzenia, aby utrzymać istniejące połączenie z elementami sterującymi maszyny oraz zapewnienie drugiej ścieżki do sieci nakładanej.
• Instalacja odpowiednich liniowych konwerterów sygnału.
• W razie potrzeby dodanie złączy T, filtrów i innych elementów okablowania sieciowego, aby uzupełnić budowę sieci i podłączyć ją do sterownika DXMR90.
• Zaprogramowanie kontrolera DXMR90 w celu stworzenia własnych sekwencji wykrywania i sterowania za pomocą programowania ScriptBasic lub MicroPython i/lub wbudowanych reguł działania.
• Kontroler DXMR90 można podłączyć do brzegowych zasobów obliczeniowych przy użyciu połączenia Ethernet lub do chmury za pomocą kontrolera DXM z obsługą sieci komórkowej.

Podsumowanie

Nakładkowe sieci przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) mogą ułatwić projektantom podłączanie starszych urządzeń i wysp automatyki do sieci przemysłowych, umożliwiając gromadzenie danych pozwalających na podjęcie działań w celu zwiększenia wydajności w istniejących fabrykach. Projektowanie i wdrażanie takiej sieci nakładkowej jest złożone, jednak można je znacznie uprościć przy użyciu topologii opracowanej przez firmę Banner Engineering i linii Snap Signal. Linia obejmuje kontroler przemysłowy DXMR90, konwertery danych, adaptery kablowe, filtry i inne elementy potrzebne do wdrożenia sieci nakładkowej przemysłowego Internetu rzeczy i dystrybucji danych do brzegowych lub chmurowych zasobów obliczeniowych. Programowana, modułowa i elastyczna konstrukcja architektury sieci Snap Signal umożliwia dodawanie nowych urządzeń i zapewnia ich zgodność z przyszłymi rozwiązaniami.

Rekomendowane artykuły

1. Podstawy zabezpieczeń IoT - część 5: bezpieczna łączność z usługami chmurowymi Internetu rzeczy