DKK | EUR | USD

M2M-netværk til automatiserede maskinfunktioner

Af Lisa Eitel

Bidraget af Digi-Keys nordamerikanske redaktører

M2M-netværk (Machine-to-Machine) er i sagens natur en permutation af industriel telematik – kombinationer af telekommunikation og informatik, der anvender data til at køre automatiserede operationer. M2M-netværk omfatter sensorer, styringsmekanismer og maskiner, der kan kommunikere uden menneskelig indblanding. Maskiner i sådanne netværk kan være placeret i samme bygning eller i hver sin ende af verden.

Kabelforbunden og trådløs kommunikation driver M2M-funktioner. Enheder sender og indsamler information, som udgør grundlaget for driftsmæssige vurderinger og justeringer i realtid. Eksempelvis kan et spildevandsrensningsanlæg anvende fjernsensorer på centrale stationer til at indsamle data om væskeniveauer, kemiske nøgletal, temperaturer, gennemløbshastigheder og andre parametre. Disse data sendes så via et trådløst netværk til en platform, hvor intelligente styringsmekanismer henter dem. I tilfælde hvor det er praktisk, at en operatør fører tilsyn med og reagerer på ændringer i parametre, kan et HMI-interface (human machine interface), der kører applikationsspecifik software, vise systemværdierne på et digitalt dashboard. I nogle tilfælde modtager perifere enheder signaler fra andre maskiner via controllere på M2M-netværket. På den måde kan dette udstyr køre samtidig med eventuel forudindstillet regelbaseret programmering.

Billede af Multi-Tech QuickCarrier USB-D-mobildongleFigur 1: QuickCarrier USB-D-mobildonglen understøtter M2M-installationer, der kræver pålidelig dataforbindelse. Den leverer også hurtig konfiguration af mobilforbindelse til at kommunikere fysiske ting digitalt. (Billedkilde: Multi-Tech Systems Inc.)

Forskel mellem forbindelse via M2M-netværk og Internet of Things (IoT)

De relativt nye muligheder for at benytte automatiserede designs til at udløse og regulere driftsoperationer på højere niveau afhænger af både M2M- og IoT-teknologi. Læs Digi-Key-artiklen "Forskellen mellem IoT- og M2M-kommunikation og -design" for at få et detaljeret indblik i forskellen mellem disse systemer.

  • M2M-teknologier er fortræffelige til overvågning og kontrol af individuelle (og til en vis grad isolerede) funktioner. Dette sker i stigende grad via mobilnetværkskommunikation ved hjælp af integrerede enheder. Mange M2M er lokalinstallationer, der benytter en eller to informationskilder: Eksempelvis kan en forbrugerkonfiguration af M2M omfatte en termostat og et kamera, der løbende sender data til en kropsbåren enhed eller en smartphone – hvor en operatør dermed kan foretage justeringer ud fra disse data. De eneste datapunkter kommer fra disse detekteringsenheder.
  • IoT forudsætter fuld integration af fuldt forbundne installationer (sædvanligvis med maskinel aktivering og feedback) for at kunne understøtte samarbejdsfunktioner mellem avancerede systemer, informationskilder og meget automatiseret maskineri. Den samme forbrugerkonfiguration med termostat og kamera, der kommunikerer med en smartphone, hvor der er integreret IoT-funktionalitet, ville anvende datapunkter fra disse feedbackenheder (ligesom M2M-konfigurationen). Desuden ville den anvende yderligere data fra internettet om lokale vejrudsigter, data om lokalområdet baseret på crowdsourcing, ekspertanalyser og databaser med maskinel indlæring for at give et informationsgrundlag, som operatøren kan reagere ud fra, eller en forbundet form for automatisering.

Inden for industrien understøtter en sådan IoT-funktionalitet også planlagt vedligeholdelse og brug af big data til funktioner på professionelt niveau. Almindeligvis indsamler et centraliseret system delvist eller fuldt destillerede automatiserings- og feedbackdata. Dernæst genererer systemanalyse fastsatte parametre til den videre monitorering, regulering eller justering. Et stigende antal anlæg anvender big data (sommetider sammen med maskinindlæring) til at administrere både normal og problematisk drift, hvor der kræves vedligeholdelse eller anden handling. Eksempelvis sender moderne gasrørledninger data om pumpestationer, der ligger langt væk, til centrale databaser, hvor personale i et kontrol- eller kommandocenter får adgang til dem – i nogle tilfælde fra et helt andet kontinent.

Hardwaretyper til understøttelse af M2M-funktioner

Sensorer, aktuatorer og integreret logik er de primære typer af hardware, der understøtter M2M. Sensorer og aktuatorer leveres almindeligvis af komponentproducenten med indbygget M2M-forbindelse. Derimod er integrerede M2M-moduler som regel integreret i enhedsproducentens egne enheder, så de kan udføre bestemte opgaver og funktioner – som regel at viderebringe mobilforbindelse og andre former for forbindelse til enheder, der tidligere måske har fungeret isoleret. Sådanne integrerede M2M-systemer er særligt brugbare inden for transport- og luft- og rumfartsindustrien – særligt til GPS-navigationssystemer, blokeringsmekanismer samt optagere og sensorer på skibe, fly og lastvogne.

Billede af Digi XBee Cellular LTE Kat. 1 integreret modemFigur 2: Integrerede systemer omfatter integrerede kredsløb til at sende, modtage og behandle data. Dette XBee Cellular LTE Kat. 1 integrerede modem er beregnet til at blive indarbejdet i enhedsproducenternes builds, hvor der er brug for mobilnetværksforbindelse. (Billedkilde: Digi)

M2M-software: Den softwareplatform, der benyttes til en M2M-installation, afhænger af maskinens mobilitet, dens miljø og mængden og typen af data, der skal behandles. I tilfælde hvor M2M-software benytter cloud-computing, kører den på hardware med kommunikation til en fjernserver. Sidstnævnte kører sin egen software, der bruges til at sende oplysninger til administratorer, som efterfølgende behandler og handler ud fra disse data. I nogle tilfælde inkluderer softwaren til understøttelse af M2M-netværk dette i en grafisk brugergrænseflade (GUI). Sådanne grafiske brugergrænseflader giver medarbejdere adgang til destillerede systemdata, som almindeligvis præsenteres i grafiske diagrammer og videoer i stedet for komplicerede og potentielt forvirrende tekstgrænseflader.

Hvornår er M2M-netværk nyttige

Fokuserede applikationer til diagnosticering og vedligeholdelse: M2M-netværk understøtter diagnosticering og vedligeholdelse, maskinoptimering og applikationsspecifikke styringsmekanismer. Idet M2M-netværk hele tiden sender og modtager data, er de egnet til at optimere tidsplanerne for planlagt vedligeholdelse af enkeltstående udstyr i produktionsanlæg – og signalere, når der eventuelt er behov for ikke-planlagt vedligeholdelse. Her kan en forbundet maskines sensorer sende data gennem en softwarestak i skyen og aggregere disse data på en anden enhed og til sidst levere oplysninger om udstyrs- eller systemvedligeholdelse. For eksempel kan usædvanlige temperaturer være et tegn på, at det er tid til at smøre en akse, eller på mekanisk slid, der gør det nødvendigt at udskifte dele.

I lufthavnenes offentligt tilgængelige og afspærrede områder indsamler M2M-netværk oplysninger om temperatur, vibrationer og niveauer af smøremiddel i gearmotorer til rulletrapper, rullebånd og bagagehåndteringssystemer. M2M-netværk kan også anvende sensorer i aflukker til påfyldning af drikkevand i lufthavne for at overvåge vandgennemstrømning, temperatur, hvorvidt lågerne er åbne eller lukkede, samt potentielle vandlækager.

Grafisk visning af maskintilstand: De mest enkle M2M-statusindikatorer er i form af indikatorlamper og digitale displays. Som nævnt understøtter mere avancerede M2M-systemer grafiske brugergrænseflader, der kan kommunikere maskiners tilstand til mennesker i formater, der gør dataene nemme at forstå. I nogle tilfælde vises disse data også på maskinen eller enheden – på et lille display eller endda en HMI (human machine interface) i fuld størrelse. I andre tilfælde findes det grafiske display på en fjernplacering.

Ændring af indstillinger fra fjernplaceringer: Systemfeedback, der indsamles af et M2M-netværk, informerer ofte fjernudløste arbejdsgange og ressourceallokeringer. Lad os overveje lufthavnseksemplet igen: Her kan dataanalyser fra M2M-netværket anmode ledelsen om at sende en tekniker til at afhjælpe fejl på udstyr, før rengøringspersonale eller rejsende opdager problemet og rapporterer det.

Fysiske tilslutninger og forbindelser til M2M-netværk

Som nævnt sker M2M-kommunikation både via trådløse og kabelforbundne forbindelser. Kabelforbundne permutationer for de mest enkle enheder omfatter strømnetkommunikation (transport af data i de samme ledere, der leverer elektricitet) og seriel kommunikation (én bit ad gangen i branchestandardsekvenser). Mere avancerede M2M-installationer kan anvende LAN-netværk (local area network) eller (for distribuerede og skalerbare M2M-applikationer) WAN-netværk (wide area network) til at kommunikere og sende data over større afstande. De integrerede M2M-underkomponenter, der blev omtalt tidligere, forbindes via WAN- og LAN-netværk og kan kommunikere som intersystem- eller intrasystemelementer.

Intersystemkommunikation sker via CAN- (controller area network) og SPI-protokoller (serial peripheral interface) til kommunikation mellem enheder. Til gengæld anvendes der i intersystemkommunikation ofte en USB (universal serial bus) eller USART-mikrochip (universal-synchronous/asynchronous-receiver/transmitter) til at kommunikere via en computers serielle port for at muliggøre dataflow mellem chips i en enhed.

Kommunikationen mellem maskiner og enheder antager selvfølgelig også andre former. Point-to-point-kommunikation (i modsætning til broadcast kommunikation) understøtter sædvanligvis M2M-funktioner i udstyr. Også fjernterminalenheder (RTU'er) understøtter M2M-forbindelser, og de sælges typisk som elektroniske mikroprocessormoduler til overvågning og styring af feltenheder til SCADA-funktionalitet (supervisory control and data acquisition). Disse er mellemled til at:

  • sende data i telemetriformat (indsamlet fra feltenheder) til et centralt system og derefter
  • sende svarkommandoer tilbage til feltenhederne.

Trådløse M2M-kommunikationsformater: Der findes et stort antal M2M-konfigurationer til at kommunikere trådløst – ved hjælp af Bluetooth-, Wi-Fi- og GSM-teknologi samt GSM-, CMDA- og LTE-mobilnetværk. Trådløse netværk giver kompakthed og bekvemmelighed, mens infrastrukturstandarder som LTE/5G giver anledning til endnu større brug af kommunikation via mobilnetværk til M2M-funktionalitet.

Applikationslagsprotokoller til M2M-funktioner

M2M-kommunikation sker primært i applikationslaget i industrinetværk – det øverste lag, der fungerer som grænseflade mellem system og bruger – hvilket muliggør kommunikation mellem enheder og styringsmekanismer. Der findes en overflod af API'er (application programming interfaces) til at forenkle programmeringen af disse software- og webtjenester.

Billede af forskellige netværksprotokoller arrangeret ud fra OSI-standardens taksonomiFigur 3: Der findes et væld af konceptuelle modeller af netværk. Her vises forskellige netværksprotokoller arrangeret ud fra taksonomien fra den mest velkendte model – OSI-standarden (Open Systems Interconnection), som blev etableret i 1984. (Billedkilde: Design World)

Blandt de protokoller, der ofte anvendes til M2M-funktioner, er HTTP-protokollen (hypertext transfer protocol), som definerer meddelelsesstrukturer mellem webbrowsere og servere. HTTP forbindes almindeligvis med hyperlinking og anden strukturering, som den videregiver til World Wide Web. Dens funktion i M2M-anvendelser minder om det, da browsere fungerer som klienter, der anmoder om oplysninger fra servere, der leverer applikationen.

MQTT (message queue telemetry transport) anvendes også til M2M-forbindelser. Det er en TCP/IP-baseret meddelelsesprotokol til let M2M-kommunikation. I visse konfigurationer udveksler adskillige klienter oplysninger, hvor MQTT fungerer som mellemled. Sådanne mellemledsfunktioner eksekveres af en modtager, en gateway eller en server. Mellemleddet tager imod meddelelser, som klienter udsender til det, og til gengæld kan klienter så modtage meddelelser, som de har abonneret på.

En anden protokol, der anvendes til M2M-funktioner, er den åbne OPC UA-protokol (OPC Unified Architecture) til industriel automatisering. Endnu en mulig åben standard er AMQP (advanced message queuing protocol) til levering af meddelelser mellem applikationer. Det er den standard, der bruges til erhvervskommunikation i mange virksomhedsapplikationer. Derimod er MTConnect (defineret af ANSI/MTC1.4-2018) en produktionsstandard, der angiver, hvordan kontroldata skal udveksles mellem fabriksenheder og applikationer. Fabriksenheder kan være udstyr, værktøj og sensorer. MTConnect standardiserer data, der udtrækkes fra et XML-format, med standardiserede komponentbeskrivelser.

Selvom det ligger uden for denne artikels rammer og ikke umiddelbart kan indplaceres i den historiske OSI-netværksmodel, er det værd at nævne Amazon Web Services (AWS) IoT Core, der er en administreret cloud-tjeneste, som er på vej frem for M2M- og IoT-applikationer. Den understøtter HTTP og MQTT og leverer sikker behandling og routing af billioner af meddelelser mellem feltenheder og AWS-endpoints.

Den næste standard for M2M-kommunikation og -styring

M2M-netværk vil fortsætte med at vinde indpas i takt med, at virksomheder i stigende grad benytter sig af fordelene ved dataadgang. Faktisk udvikler M2M-parat hardware, software og netværkskommunikation sig og bibringer hidtil usete egenskaber til industrisektoren og andre sektorer. Disse M2M-netværk vil således fortsat være en virkningsfuld metode til at sende, modtage og kommunikere data – og i visse tilfælde også supplere eller anspore til IoT-installationer.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om denne forfatter

Lisa Eitel

Lisa Eitel has worked in the motion industry since 2001. Her areas of focus include motors, drives, motion control, power transmission, linear motion, and sensing and feedback technologies. She has a B.S. in Mechanical Engineering and is an inductee of Tau Beta Pi engineering honor society; a member of the Society of Women Engineers; and a judge for the FIRST Robotics Buckeye Regionals. Besides her motioncontroltips.com contributions, Lisa also leads the production of the quarterly motion issues of Design World.

Om udgiveren

Digi-Keys nordamerikanske redaktører