Sieci typu M2M dla automatyzacji funkcji maszyn

Sieci typu maszyna-maszyna (M2M) są w gruncie rzeczy permutacją telematyki przemysłowej - połączeniem urządzeń telekomunikacyjnych i informatycznych, które wykorzystują dane w celu wykonywania zautomatyzowanych działań. Sieci M2M obejmują czujniki, elementy sterujące i maszyny komunikujące się bez udziału człowieka. Maszyny w takich sieciach mogą znajdować się w jednym obiekcie lub na drugim końcu świata.

Funkcje M2M oparte są na komunikacji przewodowej i bezprzewodowej. Urządzenia przesyłają i zbierają informacje w celu umożliwienia oceny działania i dokonywania korekt w czasie rzeczywistym. Na przykład oczyszczalnia ścieków może zainstalować w kluczowych miejscach zdalne czujniki gromadzące dane takie jak poziom cieczy, skład chemiczny, temperaturę, natężenie przepływu i inne parametry. Dane te są następnie przesyłane za pośrednictwem sieci bezprzewodowej na platformę, skąd pobierają je elementy sterujące. Jeśli konieczny jest nadzór operatora reagującego na zmieniające się parametry, interfejs człowiek-maszyna (HMI) z oprogramowaniem specyficznym dla aplikacji może wyświetlać wartości systemowe na cyfrowym pulpicie nawigacyjnym. W niektórych sytuacjach urządzenia peryferyjne odbierają sygnały z innych maszyn za pośrednictwem kontrolerów w sieci M2M. Umożliwia to takim urządzeniom wspólną pracę z zastosowaniem dowolnie zaprogramowanych reguł.

Ilustracja 1: klucz QuickCarrier USB-D z łącznością komórkową obsługuje instalacje M2M wymagające niezawodnej łączności danych. Zapewnia również szybką konfigurację łączności komórkowej, umożliwiając cyfrową komunikację fizycznych urządzeń. (Źródło ilustracji: Multi-Tech Systems Inc.)

Różnice między siecią M2M a łącznością z Internetem rzeczy (IoT)

Względnie nowa funkcjonalność zautomatyzowanych projektów do wysyłania komunikatów i sterowania działaniami wyższego poziomu wykorzystuje zarówno technologię M2M, jak i IoT. Szczegółowe informacje na temat różnic między tymi systemami znajdziesz w artykule DigiKey „Różnice w łączności i konstrukcji między IoT a M2M” („The Difference Between IoT and M2M Communication and Design”).

• Technologie M2M najlepiej sprawdzają się w monitorowaniu i sterowaniu poszczególnych (w pewnym stopniu izolowanych) funkcji. Coraz częściej wykorzystuje się do tego łączność komórkową oraz urządzenia wbudowane. Wiele sieci M2M to zlokalizowane instalacje wykorzystujące jedno lub dwa źródła informacji: na przykład konfiguracja M2M klasy konsumenckiej może obejmować termostat i kamerę, które stale przesyłają dane do urządzenia ubieralnego lub smartfona - na przykład w celu szybkiego sterowania przez operatora. Dane pochodzą wyłącznie z tych czujników.
• Internet rzeczy natomiast wymaga pełnej integracji całkowicie połączonych instalacji (zwykle obejmujących uruchamianie maszyny i informacje zwrotne) celem umożliwienia współpracy między złożonymi systemami, źródłami danych lub elementami wysoce zautomatyzowanych maszyn. Tak więc taka sama konfiguracja konsumencka z termostatem i kamerą komunikującymi się ze smartfonem w świecie IoT wykorzystywałaby dane z takich urządzeń (podobnie jak konfiguracja M2M), jak również dodatkowe dane z Internetu, takie jak prognozy pogody, dane społecznościowe o okolicy, analizy eksperckie i bazy danych do uczenia maszynowego w celu przekazania informacji do operatora lub jakiejś automatycznej formy komunikacji.

W środowisku przemysłowym taka funkcjonalność Internetu rzeczy obsługuje również konserwację zapobiegawczą i wykorzystanie dużych zbiorów danych do funkcji na poziomie przedsiębiorstwa (firmy). Zwykle niektóre scentralizowane systemy gromadzą częściowo lub całkowicie przetworzone dane z systemów automatyzacji maszyn oraz dane zwrotne. Następnie analityka systemowa generuje określone parametry do dalszego monitorowania, sterowania lub regulacji. Rosnąca liczba obiektów wykorzystuje duże zbiory danych (czasem wykorzystuje się pomoc sztucznej inteligencji) do zarządzania zarówno typowymi, jak i złożonymi operacjami wymagającymi konserwacji lub innych działań. Na przykład w nowoczesnych gazociągach przesyła się dane z oddalonych pompowni do centralnych baz danych, z których uzyskuje do nich dostęp personel w centrum dowodzenia - w niektórych przypadkach na zupełnie innym kontynencie.

Rodzaje sprzętu do obsługi funkcji M2M

Głównymi urządzeniami wykorzystywanymi w M2M są czujniki, siłowniki i wbudowane układy logiczne. Czujniki i aktuatory są zwykle dostarczane przez producenta podzespołów z wbudowaną łącznością M2M. W przeciwieństwie do tego, wbudowane moduły M2M są zazwyczaj zintegrowane przez producentów OEM z ich własnymi urządzeniami w celu wykonywania określonych zadań i funkcji - zwykle chodzi o zapewnienie łączności komórkowej lub łączności innego rodzaju urządzeniom, które były odizolowane. Takie wbudowane systemy M2M są przydatne zwłaszcza w transporcie i przemyśle lotniczym - szczególnie w systemach nawigacji GPS, blokadach, rejestratorach i czujnikach w zasobach takich jak statki, samoloty i ciężarówki długodystansowe.

Ilustracja 2: systemy wbudowane wykorzystują układy scalone do przesyłania, odbierania i przetwarzania danych. Ten wbudowany modem Xbee Cellular LTE Cat 1 jest przeznaczony dla producentów OEM do integracji z urządzeniami wymagającymi łączności komórkowej. (Źródło ilustracji: Digi)

Oprogramowanie M2M: platforma oprogramowania zastosowana w danej sieci M2M zależy od mobilności maszyny, jej środowiska oraz ilości i rodzaju przetwarzanych danych. Jeśli oprogramowanie M2M wykorzystuje przetwarzanie w chmurze, musi działać na sprzęcie komunikującym się ze zdalnym serwerem. Ten z kolei ma własne oprogramowanie do wysyłania informacji administratorom, którzy następnie przetwarzają dane i na ich podstawie podejmują różne działania. W niektórych przypadkach oprogramowanie do obsługi sieci M2M obejmuje oprogramowanie graficznego interfejsu użytkownika (GUI). Taki interfejs GUI umożliwia personelowi dostęp do przetworzonych danych systemowych, które zwykle są przedstawiane w formie wykresów graficznych i filmów zamiast skomplikowanych i potencjalnie trudnych do zinterpretowania informacji tekstowych.

Gdzie przydadzą się sieci M2M

Specjalistyczne aplikacje do diagnostyki i konserwacji: sieci M2M obsługują diagnostykę i konserwację, optymalizację maszyn i funkcje sterowania specyficzne dla danej aplikacji. Ponieważ sieci M2M stale wysyłają i odbierają dane, nadają się do optymalizacji zaplanowanych harmonogramów konserwacji samodzielnych urządzeń w zakładach produkcyjnych oraz do sygnalizowania konieczności nieplanowanej konserwacji. Czujniki podłączonej maszyny mogą wysyłać dane przez stos oprogramowania w chmurze i agregować te dane do innego urządzenia, aby w końcu przesłać informacje na temat konserwacji sprzętu lub systemu. Na przykład nietypowe temperatury mogą wskazywać na potrzebę ponownego smarowania osi lub zużycie mechaniczne wymagające wymiany części.

W publicznych i zamkniętych sekcjach lotnisk sieci M2M gromadzą informacje o temperaturze, wibracjach i poziomach smaru w silnikach przekładniowych w ruchomych schodach, chodnikach ruchomych i systemach obsługi bagażu. Sieci M2M wykorzystują również czujniki w dystrybutorach wody pitnej na lotniskach do monitorowania przepływu wody, temperatury, stanu otwartego lub zamkniętego, a nawet w celu wykrycia potencjalnych wycieków wody.

Graficzne przedstawienie stanu maszyny: najprostsze wskaźniki stanu M2M na maszynie mają postać lampek kontrolnych i cyfrowych wyświetlaczy. Ale jak już wspomnieliśmy, bardziej złożone systemy M2M wykorzystują GUI do komunikowania stanu maszyny w postaci ułatwiającej ludziom zrozumienie danych. W niektórych przypadkach takie elementy graficzne znajdują się również na maszynie lub na urządzeniu w postaci niewielkiego wyświetlacza lub nawet pełnowymiarowego HMI. W innych przypadkach wyświetlacz graficzny znajduje się w innej lokalizacji.

Zdalne dokonywanie zmian ustawień: dane zwrotne z systemu gromadzone przez sieć M2M często informują o zdalnie uruchamianych przepływach pracy i alokacji zasobów. Weźmy jeszcze raz pod uwagę nasz przykład lotniska: analiza danych z sieci M2M może skłonić kierownictwo do wysłania technika w celu usunięcia awarii sprzętu, zanim pracownik ekipy sprzątającej lub podróżny zauważy i zgłosi problem.

Fizyczne połączenia sieciowe M2M i łącza

Jak już wspomnieliśmy, komunikacja w sieci M2M odbywa się za pośrednictwem urządzeń bezprzewodowych i przewodowych. Permutacje przewodowe dla najprostszych urządzeń obejmują komunikację za pomocą linii elektroenergetycznej (przenoszącą dane na tych samych przewodach co zasilanie prądem przemiennym) i komunikację szeregową (jeden bit na raz w sekwencjach standardowych w branży). Bardziej zaawansowane instalacje M2M mogą wykorzystywać sieci lokalne (LAN) lub (w przypadku rozproszonych i skalowalnych sieci M2M) sieci rozległe (WAN) do komunikacji i wysyłania danych na większe odległości. Opisane wcześniej wbudowane komponenty M2M łączą się za pośrednictwem sieci WAN i sieci LAN i mogą się komunikować jako elementy międzysystemowe lub wewnątrzsystemowe.

Komunikacja międzysystemowa odbywa się za pośrednictwem protokołów sieci kontrolera (CAN) i szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych (SPI), służącego do komunikacji między urządzeniami. Natomiast komunikacja wewnątrzsystemowa często wykorzystuje mikroukłady USB lub USART do komunikacji za pośrednictwem portu szeregowego komputera, aby umożliwić przepływ danych między układami scalonymi w urządzeniu.

Oczywiście komunikacja między maszynami i urządzeniami przybiera inne formy. Komunikacja point-to-point (w przeciwieństwie do komunikacji broadcast) zwykle obsługuje funkcje M2M w elementach sprzętowych. Połączenia M2M obsługiwane są również przez zdalne terminale (RTU), zwykle sprzedawane jako elektroniczne moduły mikroprocesorowe służące do monitorowania i sterowania urządzeniami polowymi w celu nadzorowania funkcji kontrolnych i zbierania danych (SCADA). Są one pośrednikami służącymi do:

• przesyłania danych w formacie telemetrii (zebranych z urządzeń polowych) do systemu centralnego, a następnie
• przesyłania odpowiedzi z powrotem do urządzeń polowych.

Formaty komunikacji bezprzewodowej M2M: istnieje sporo różnych konfiguracji komunikacji bezprzewodowej - z wykorzystaniem technologii Bluetooth, Wi-Fi i GSM, a także sieci komórkowych GSM, CMDA i LTE. Sieci bezprzewodowe są kompaktowe i wygodne, a rosnące standardy infrastruktury, takie jak LTE/5G, zachęcają do jeszcze większego wykorzystania komunikacji komórkowej w sieciach M2M.

Protokoły warstwy aplikacji używane dla funkcji M2M

Komunikacja w sieciach M2M odbywa się przede wszystkim w warstwie aplikacji sieci przemysłowych - najwyższej warstwie łączącej system z użytkownikiem, umożliwiając komunikację między urządzeniami i elementami sterującymi. Istnieje wiele interfejsów programowania aplikacji (API), które upraszczają tworzenie tego oprogramowania i usług sieciowych.

Ilustracja 3: istnieje mnóstwo modeli koncepcyjnych sieci; tutaj pokazano różne protokoły sieciowe zorganizowane zgodnie z taksonomią najbardziej znanego modelu - standard Open Systems Interconnection (OSI) ustanowiony w 1984 roku. (Źródło ilustracji: Design World)

Jednym z protokołów powszechnie wykorzystywanych do funkcji M2M jest protokół HTTP, który definiuje struktury komunikatów między przeglądarkami internetowymi a serwerami. HTTP zwykle kojarzy się z hiperłączami i innymi strukturami powiązanymi z siecią WWW. Działanie protokołu w aplikacjach M2M jest podobne, ponieważ przeglądarka funkcjonuje jako klient pozyskujący informacje od serwerów dostarczających aplikację.

Do łączności M2M wykorzystuje się również protokół MQTT; jest to protokół transmisji danych oparty na TCP/IP, służący do komunikacji M2M o niskiej przepustowości. W niektórych konfiguracjach kilku klientów wymienia informacje, łącząc się z brokerem MQTT. Funkcje brokera są wykonywane przez odbiornik, bramę lub serwer. Broker odbiera wiadomości publikowane przez klientów, z kolei klienci mogą otrzymywać wiadomości, które subskrybują.

Innym protokołem stosowanym do funkcji M2M jest otwarty protokół OPC Unified Architecture (OPC UA) wykorzystywany w automatyce przemysłowej. Kolejnym otwartym standardem jest protokół AMQP służący do przesyłania wiadomości między aplikacjami. Jest to standard używany do przesyłania wiadomości biznesowych w wielu aplikacjach korporacyjnych. Natomiast MTConnect (zdefiniowany przez ANSI/MTC1.4-2018) jest standardem w branży produkcyjnej, który określa sposób wymiany danych sterujących między urządzeniami fabrycznymi a aplikacjami. Urządzeniami fabrycznymi mogą być zarówno urządzenia, jak i narzędzia i czujniki. Protokół MTConnect standaryzuje dane wyodrębnione do formatu XML ze znormalizowanymi opisami komponentów.

Chociaż wykracza to poza tematykę niniejszego artykułu, usługą coraz częściej stosowaną w zastosowaniach w M2M i IoT jest zarządzana w chmurze usługa Amazon Web Services (AWS) IoT Core. Nie można jej jednak łatwo odwzorować na historycznym modelu sieci OSI. Obsługuje ona protokoły HTTP i MQTT oraz zapewnia bezpieczne przetwarzanie i routing bilionów wiadomości między miliardami urządzeń polowych a punktami końcowymi AWS.

Kolejne możliwości rozwoju komunikacji i sterowania M2M

Sieci M2M będą się nadal upowszechniać w miarę jak przedsiębiorstwa coraz częściej wykorzystują zalety dostępu do danych. Można wręcz powiedzieć, że sprzęt, oprogramowanie i urządzenia sieciowe przystosowane do M2M ewoluują, zapewniając niespotykane dotychczas możliwości przemysłowi i innym branżom. Tak więc sieci M2M nadal będą potężnym narzędziem służącym do przesyłania, odbierania i komunikowania danych, w niektórych przypadkach uzupełniając lub zwiększając funkcjonalność instalacji IoT.