Sådan designes et modulært overlay-netværk til optimering af databehandling i IIoT til Industri 4.0

Databehandlingsoptimering i Industri 4.0- og IIoT-systemer (Industrial Internet of Things) til støtte for lean manufacturing kan opnås gennem tilstandsovervågning, forudsigelig vedligeholdelse, analyse og sporing af udstyrets samlede effektivitet (OEE), diagnosticering og fejlfinding. Problemet i mange tilfælde er, at det gamle udstyr enten ikke er designet til at blive forbundet eller bruger en af flere forskellige kommunikationsprotokoller, hvilket gør det dyrt at udskifte dem alle. For at sikre maksimal effektivitet og få brugbare maskindata er det i mange tilfælde enklere og mere omkostningseffektivt at implementere et overlay-netværk, der kan forbinde eksisterende automatiseringsøer og ældre udstyr.

Det er en stor udfordring at designe et sådant overlay-netværk. Det kræver en controller, der kan modtage signaler fra sensorer og andre enheder, der anvender en række forskellige kommunikationsprotokoller, kombinere disse signaler til en samlet strøm af brugbare data og eksportere disse data til Edge computing-ressourcer eller Cloud’en. Systemet har brug for adaptere, der kan tilsluttes direkte til sensorer, indikatorer og andre enheder. Konvertere er nødvendige for at forbinde tidligere inkompatible enhedstyper, herunder gammelt udstyr.

For at sikre pålidelig drift er der desuden brug for filtre til at beskytte datakommunikationen mod elektrisk støj og transienter for at sikre pålidelig drift. Alle disse komponenter skal opfylde miljøstandarderne IP65, IP67 og IP68 til brug i industrielle omgivelser, og løsningen skal være let og omkostningseffektiv at implementere.

I denne artikel diskuteres kort problemerne med at forbinde ældre udstyr med IIoT. Derefter præsenteres arkitekturen i Snap Signal-familien af hardware- og softwareværktøjer fra Banner Engineering, og hvordan den løser disse udfordringer. Den præsenterer eksempler på Snap Signal-enheder, herunder DXMR90-controlleren, tilhørende konvertere, adaptere og filtre, samt anvendelsesovervejelser ved implementering af kablet og trådløs Edge computing eller Cloud-forbindelse.

Tilslutning af gammelt udstyr til IIoT

Mange fabrikker er fra før IIoT og Industri 4.0, og det er ofte ikke muligt at forbinde alt udstyr og alle maskiner i et enkelt netværk, hvilket resulterer i øer af automatisering. Selv hvis det ikke er isoleret på en "ø", kan det være vanskeligt at forbinde ældre udstyr som følge af manglende fleksibilitet, der skyldes brugen af proprietære kommunikationsprotokoller, ikke-standardiserede stik og kabler og andre faktorer.

Et Snap Signal IIoT overlay-netværk kan give en hurtig, fleksibel og omkostningseffektiv måde at forbinde ældre udstyr og automatiseringsøer på ved at opsamle og konvertere forskellige ikke-kompatible datakommunikationsprotokoller til en standard, der er let at distribuere, og som kan leveres til computerressourcer på kanten eller i Cloud med henblik på analyse og handling (figur 1).

Figur 1: Et Snap Signal overlay-netværk giver en modulær arkitektur til at forbinde gammelt udstyr og automatiseringsøer med Edge- eller Cloud-computing resourcer. (Billedkilde: Banner Engineering)

Der er flere vigtige komponenter, der er nødvendige for at implementere fleksible og pålidelige IIoT overlay-netværk:

• Adaptere til at omdirigere ledninger og forbinde forskellige udstyrsforbindelser fra sensorer, indikatorer og andre enheder til et standardformat, der anvendes i overlay-netværket.
• Data-konvertere til at oversætte inkompatible formater som diskrete, analoge og forskellige digitale formater, der findes på ældre udstyr eller automatiseringsøer, til standardprotokoller som IO-Link eller Modbus for at muliggøre centraliseret overvågning af ydeevne.
• Filtre til at beskytte dataene mod korruption i elektrisk støjende industrimiljøer, hvilket forbedrer signalintegriteten og pålideligheden og reducerer kravene til fejlfinding.
• En programmerbar controller til at konsolidere data fra flere kilder og levere lokal databehandling samt tilslutningsmuligheder, der gør det muligt at integrere gammelt udstyr og automatiseringsøer i IIoT.
• En kablet eller trådløs forbindelse til at distribuere de indsamlede data til Edge computing-ressourcer og/eller Cloud’en, f.eks. Banners Cloud Data Service (CDS), som giver datavisualisering og indsigt i maskinens ydeevne og til at sende advarsler via e-mail eller sms for at støtte maskinens drift, vedligeholdelse og reparationer i realtid (figur 2).

Figur 2: Konsoliderede data kan overføres med en kablet eller trådløs forbindelse til Edge computing-ressourcer eller til Cloud’en, f.eks. Banners CDS (skærmbillede ovenfor). (Billedkilde: Banner Engineering)

Controller til konsolidering af flere datastrømme

Den programmerbare controller og datakonvertere er nøgleelementer i udformningen af et overlay-netværk. DXMR90-industricontrolleren fra Banner fungerer som det centrale kommunikationscenter, der kombinerer signaler fra flere Modbus-porte til en samlet datastrøm, der videresendes ved hjælp af industrielle Ethernet-protokoller. For eksempel indeholder modellen DXMR90-X1 fire Modbus-mastere og understøtter samtidig kommunikation med op til fire serielle netværk (Figur 3).

Figur 3: Portene på DXMR90 omfatter en konfigurerbar Modbus-port 0 (til venstre), Modbus-masterporte (1 til 4 nederst), konfigurerbar Modbus-port 0/PW til RS-485 og indgående strøm (øverst til højre) og en D-kodet Ethernet-port (nederst til højre). (Billedkilde: Banner Engineering)

DXMR90 er en højt integreret kommunikationscontroller med følgende funktioner:

• Evnen til at arbejde med en række Modbus-enheder ved at konvertere Modbus RTU til Modbus TCP/IP, Ethernet I/P eller Profinet.
• Fire uafhængige Modbus-masterporte, der kan tilslutte slaveenheder uden manuel tildeling af en adresse til enhederne.
• Lokal kontrol og tilslutningsmuligheder med:
  • Modbus/TCP, Modbus RTU, Ethernet/IP og Profinet, automatiseringsprotokoller
  • Internetprotokoller, herunder RESTful API og MQTT med webtjenester fra AWS m.fl.
  • Direkte e-mail-advarsler
• Intern logikcontroller med foruddefinerede handlingsregler, som også kan programmeres med MicroPython eller ScriptBasic.
• IP65-, IP67- og IP68-klassificeret kabinet forenkler implementeringen i industrielle omgivelser.
• Hurtige statusangivelser med brugerprogrammerbare lysdioder.
• Der kan bruges et kabelbaseret Ethernet-kabel eller en DXM-controller med mobiltelefonsystem til forbindelse til databaser som f.eks. Banners CDS.

Konvertere forbinder enheder i IIoT-netværk

Der er behov for effektiv datakonvertering for at blande ældre udstyr og øer af automatisering i et overlay-netværk. Til denne funktion kan designere bruge Banners små plug-on S15C-serie in-line-konverter til at konvertere tilstandsovervågnings- og proces-sensordata fra en række forskellige formater til digitale IO-Link-data (Figur 4). S15C-MGN-KQ er f.eks. en Modbus-master til IO-Link-enhedskonverter, der kan konfigureres af brugeren til at læse op til 60 registre og skrive op til 15, med foruddefinerede Modbus-registre, der automatisk sendes over IO-Link.

Figur 4: S15C-seriens in-line datakonvertere kan konvertere forskellige typer signaler, herunder diskrete, analoge og andre, til industrielle protokoller som Modbus, IO-Link, PWM og PFM. (Billedkilde: Banner Engineering)

S15C-konvertere måler 15 mm i diameter med et overstøbt IP68-hus og M12-tilslutning, og de bruger den samme strømforsyning som den tilsluttede enhed. Brug af S15C-konverter eliminerer IO-Link-kommunikationsbegrænsningen på 20 meter (m), da de kan installeres i enden af et Modbus-link i nærheden af IO-Link-masteren.

S15C-serien af konvertere omfatter otte modeller:

• Seks Modbus til IO-Link-konverter til brug med Banner's serie af Modbus-sensorer, herunder ultralyd, lysgardinmåling, temperatur/fugt, vibration/temperatur og GPS. Desuden er der en generisk konverter, der kan konfigureres til at gøre det muligt at implementere de fleste Modbus-enheder som IO-Link-enheder.
• To analoge sensormodeller, der konverterer 0 til 10 volt DC eller 4 til 20 milliampere (mA)-signaler til deres digitale værdier og videresender dem som IO-Link-data.

Ledningsadaptere og filtre fuldender netværket

Ud over en controller og datakonvertere har designere brug for ledningsadaptere og støjfiltre for hurtigt at kunne implementere fleksible og omkostningseffektive overlay-netværk. In-line ledningsadaptere, som f.eks. Banners S15A-F14325-M14325-Q, tilsluttes direkte til en sensor, indikator eller anden enhed for at omdirigere ledninger og isolere signaler efter behov for at opfylde specifikke applikationsbehov (Figur 5). Disse ledningsadaptere er tilgængelig i standard- og brugerdefinerede konfigurationer.

Figur 5: S15A-adaptere som S15A-F14325-M14325-Q bruger en M12-tilslutning for nem installation og kan omlægge ledningerne efter behov for at opfylde specifikke applikationskrav. (Billedkilde: Banner Engineering)

S15F in-line-filtre som S15F-L-4000-Q er også vigtige elementer i et overlay-netværk (Figur 6). De kan nemt løse udfordringer med elektrisk støj og transiente spændinger, der kan påvirke netværkets ydeevne negativt. Ligesom S15A-adapterne og S15C-konverterne har disse filtre M12-tilslutninger og er pakket i en overstøbt konfiguration, der opfylder IP65-, IP67- og IP68-standarderne. Installation af et S15F in-line-filter kan resultere i forbedret signalintegritet og mindre behov for fejlfinding på netværket.

Figur 6: S15F in-line-filtre som S15F-L-4000-Q kan nemt bruges til at beskytte enheder mod elektrisk støj og transienter, og deres M12-tilslutning gør det nemt at installere dem, hvor det er nødvendigt i netværket. (Billedkilde: Banner Engineering)

Design og implementering af Snap-signalnetværk

Design og implementering af et Snap Signal-overlay-netværk begynder med identifikation af de datakilder, der skal overvåges. Derefter skal det afgøres, om der skal tilføjes nye sensorer eller indikatorer som supplement til de eksisterende enheder. Trinene i designet af et Snap Signal-netværk omfatter:

• Brug af Banners systemdiagram til at identificere og vælge de Snap Signal-komponenter, der er nødvendige for en specifik installation.
• Planlæg den optimale ledningsvej, herunder placering af T-stik og filtre mellem de enheder, der skal overvåges, og DXMR90-controlleren.
• Bestem, om installationen vil kræve brug af en kablet Ethernet-forbindelse til lokalt dataforbrug eller brug af en Edge gateway-enhed til trådløs forbindelse til en Cloud-platform.

Snap Signal er et ægte overlay-netværk og kræver ikke udskiftning af eksisterende hardware. Den modulære plug-and-play Snap Signal-arkitektur gør installationen let:

• Installer eventuelle nye sensorer eller andre enheder, og tilføj splitterkabler til hver enhed, der skal overvåges, for at bevare den eksisterende forbindelse til maskinstyringen og samtidig give en anden vej til overlay-netværket.
• Installer de relevante in-line-signalkonvertere.
• Tilføj T-stik, filtre og andre netværkskabler efter behov for at færdiggøre netværket og oprette forbindelse til DXMR90-controlleren.
• Programmer DXMR90 til at oprette brugerdefinerede registrerings- og kontrolsekvenser ved hjælp af ScriptBasic- eller MicroPython-programmering og/eller de indbyggede aktionsregler.
• Tilslut DXMR90 til Edge computing-ressourcer ved hjælp af Ethernet-forbindelsen eller til Cloud-forbindelser en DXM-controller, der er aktiveret via mobiltelefoni.

Konklusion

Overlay IIoT-netværk kan støtte designere i deres behov for at forbinde ældre udstyr og automatiseringsøer til industrielle netværk, hvilket gør det muligt at indsamle data, der kan bruges til at øge produktiviteten på tværs af eksisterende fabrikker. Design og implementering af et sådant overlay-netværk er komplekst, men som vist kan det forenkles betydeligt ved hjælp af Banner Engineerings topologi og Snap Signal line. Serien omfatter DXMR90 industricontroller, datakonvertere, ledningsadaptere, filtre og andre elementer, der er nødvendige for at implementere et IIoT overlay-netværk og distribuere det til Edge computing-ressourcer eller til Cloud’en. Det programmerbare, modulære og fleksible design af Snap Signal-netværksarkitekturen understøtter tilføjelsen af nye enheder og fremtidssikre installationen.

Anbefalet læsning

1. Grundlæggende principper for IoT-sikkerhed - Del 5: Sikker tilslutning til IoT-Cloud tjenester