Návrh modulární překryvné sítě pro optimalizaci zpracování dat Průmyslu 4.0 v IIoT

Optimalizace zpracování dat v systémech Průmyslu 4.0 a průmyslového internetu věcí („Internet of Things“, IIoT) pro podporu štíhlé výroby lze dosáhnout prostřednictvím monitorování stavu, prediktivní údržby, analýzy a sledování celkové efektivity zařízení („overall equipment effectiveness“, OEE), diagnostiky a odstraňování problémů. Problémem v mnoha případech je, že starší zařízení buď nebylo navrženo k připojení, nebo může používat některý z řady různých komunikačních protokolů, takže je nákladné je všechny nahradit. K zajištění maximální efektivity a získání použitelných údajů o strojích je v mnoha případech jednodušší a nákladově efektivnější implementovat překryvnou síť, která dokáže propojit stávající ostrovy automatizace a starší zařízení.

Návrh takové překryvné sítě je náročný úkol. Vyžaduje řídicí jednotku, která dokáže přijímat signály ze senzorů a dalších zařízení používajících různé komunikační protokoly, kombinovat tyto signály do jednotného streamu použitelných dat a exportovat tato data do počítačových zdrojů edge nebo cloudu. Systém potřebuje adaptéry, které lze připojit přímo k senzorům, indikátorům a dalším zařízením. K připojení dříve nekompatibilních typů zařízení, včetně starších zařízení, jsou potřeba převodníky.

Kromě toho jsou k zajištění spolehlivého provozu vyžadovány filtry, které chrání datovou komunikaci před elektrickým šumem a přechodovými jevy. Všechny tyto komponenty by měly splňovat standardy prostředí IP65, IP67 a IP68 pro provoz v průmyslovém prostředí a implementace řešení musí být snadná a nákladově efektivní.

Tento článek stručně pojednává o problémech s připojením starších zařízení k IIoT. Poté se zde představí architektura řady hardwarových a softwarových nástrojů Snap Signal od společnosti Banner Engineering a způsob, jak tyto výzvy řeší. Uvedeme zde příklady zařízení Snap Signal včetně řídicí jednotky DXMR90, souvisejících převodníků, adaptérů a filtrů, stejně jako úvahy o aplikacích při implementaci kabelového a bezdrátového edge computingu nebo cloudové konektivity.

Připojení staršího zařízení k IIoT

Mnoho továren vzniklo dříve než IIoT a Průmysl 4.0 a často není možné propojit všechna zařízení a stroje do jediné sítě, což vede k ostrovům automatizace. I když není zařízení izolováno na „ostrovu“, může být obtížné propojit starší zařízení v důsledku nepružnosti vyplývající z používání proprietárních komunikačních protokolů, nestandardních konektorů a kabeláže a dalších faktorů.

Překryvná síť Snap Signal IIoT může poskytnout rychlý, flexibilní a nákladově efektivní způsob, jak propojit starší zařízení a ostrovy automatizace zachycením a převedením různých nekompatibilních datových komunikačních protokolů do snadno distribuovatelného standardu, který lze dodat na edge nebo cloudové výpočetní zdroje k analýze a akci (obrázek 1).

Obrázek 1: Překryvná síť Snap Signal poskytuje modulární architekturu pro propojení starších zařízení a ostrovů automatizace se zdroji edge nebo cloud computingu. (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

Existuje několik klíčových komponent potřebných k nasazení flexibilních a spolehlivých překryvných sítí IIoT:

• Adaptéry pro přesměrování kabeláže a propojení různých schémat zapojení zařízení od senzorů, indikátorů a dalších zařízení do standardního formátu používaného v překryvné síti
• Převodníky dat pro převod nekompatibilních formátů, jako jsou diskrétní, analogové a různé digitální formáty, které se nacházejí ve starších zařízeních nebo ostrovech automatizace, do standardních protokolů, jako je IO-Link nebo Modbus, aby bylo možné centralizované monitorování výkonu
• Filtry pro ochranu dat před poškozením v průmyslovém prostředí s elektrickým šumem, zlepšující integritu a spolehlivost signálu a snižující požadavky na odstraňování problémů
• Programovatelná řídicí jednotka pro konsolidaci dat z více zdrojů a poskytování místního zpracování dat a také konektivity umožňující integraci starších zařízení a ostrovů automatizace do IIoT
• Kabelové nebo bezdrátové připojení pro distribuci shromážděných dat do edge počítačových zdrojů anebo cloudu, jako je služba Cloud Data Service (CDS) společnosti Banner, která poskytuje vizualizaci dat a přehled o výkonu stroje a odesílání e-mailových nebo textových upozornění k podpoře provozu stroje, údržby a oprav v reálném čase (obrázek 2)

Obrázek 2: Konsolidovaná data lze přenášet pomocí kabelového nebo bezdrátového připojení ke zdrojům edge computingu nebo do cloudu, jako je služba CDS společnosti Banner (snímek obrazovky výše). (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

Řídicí jednotka pro konsolidaci více datových streamů

Programovatelná řídicí jednotka a převodníky dat jsou klíčovými prvky při navrhování překryvné sítě. Průmyslová řídicí jednotka DXMR90 od společnosti Banner slouží jako centrální komunikační rozbočovač, který kombinuje signály z více portů Modbus do jednotného datového streamu, který je předáván pomocí průmyslových protokolů Ethernet. Například model DXMR90-X1 obsahuje čtyři hlavní porty Modbus a podporuje souběžnou komunikaci až se čtyřmi sériovými sítěmi (obrázek 3).

Obrázek 3: Porty na řídicí jednotce DXMR90 zahrnují konfigurovatelný port 0 Modbus (na levé straně), hlavní porty Modbus (1 až 4 na spodní straně), konfigurovatelný port Modbus 0/PW pro RS-485 a příchozí napájení (vpravo nahoře) a ethernetový port s kódováním D (vpravo dole). (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

Zařízení DXMR90 je vysoce integrovaná komunikační řídicí jednotka, která se vyznačuje následujícími vlastnostmi:

• Schopnost spolupracovat s řadou zařízení Modbus, převod Modbus RTU na Modbus TCP/IP, Ethernet I/P nebo Profinet
• Čtyři nezávislé hlavní porty Modbus, které mohou připojit podřízená zařízení bez ručního přidělování adresy zařízením
• Místní ovládání a konektivita s následujícími prvky:
  • Modbus/TCP, Modbus RTU, Ethernet/IP a Profinet, automatizační protokoly
  • Internetové protokoly včetně RESTful API a MQTT s webovými službami od AWS a dalších
  • Přímá e-mailová upozornění
• Interní logická řídicí jednotka s předdefinovanými pravidly akcí, která je také programovatelná pomocí jazyků MicroPython nebo ScriptBasic
• Kryt s krytím IP65, IP67 a IP68 zjednodušující nasazení v průmyslovém prostředí
• Rychlá indikace stavu pomocí uživatelsky programovatelných LED diod
• Pro připojení k databázím, jako je služba CDS společnosti Banner, lze použít kabel Ethernet nebo řadič DXM s mobilními daty

Převodníky propojují zařízení v sítích IIoT

K propojení starších zařízení a ostrovů automatizace do překryvné sítě je zapotřebí efektivní převod dat. Pro tuto funkci mohou konstruktéři použít malé připojitelné převodníky do vedení řady S15C společnosti Banner pro převod dat monitorování stavu a procesních senzorů z různých formátů na digitální data IO-Link (obrázek 4). Například model S15C-MGN-KQ je převodník master Modbus na zařízení IO-Link, který je uživatelsky konfigurovatelný ke čtení až 60 registrů a zápisu až 15, přičemž předdefinované registry Modbus se automaticky odesílají přes IO-Link.

Obrázek 4: Převodníky dat do vedení řady S15C mohou převádět různé typy signálů včetně diskrétních, analogových a dalších na průmyslové protokoly, jako je Modbus, IO-Link, PWM a PFM. (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

Převodníky S15C měří na průměr 15 mm s přelisovaným krytem IP68 a konektivitou M12 a používají stejné napájení jako připojené zařízení. Použití převodníků S15C eliminuje 20metrové omezení komunikace IO-Link, protože je lze instalovat na konec spojení Modbus v blízkosti masteru IO-Link.

Řada převodníků S15C zahrnuje osm modelů:

• Šest převodníků Modbus na IO-Link k použití s řadou senzorů Modbus společnosti Banner, včetně ultrazvukových, měřicích světelný závěs, teplotu/vlhkost, vibrace/teplotu a polohu GPS; navíc je k dispozici obecný převodník, který lze nakonfigurovat tak, aby umožňoval nasazení většiny zařízení Modbus jako zařízení IO-Link
• Dva modely analogových senzorů, které převádějí signály 0 až 10 V DC nebo 4 až 20 mA na jejich digitální hodnoty a předávají je jako data IO-Link

Doplnění sítě kabelovými adaptéry a filtry

Kromě řídicí jednotky a převodníků dat potřebují konstruktéři kabelové adaptéry a šumové filtry, aby mohli rychle nasadit flexibilní a nákladově efektivní překryvné sítě. Kabelové adaptéry do vedení, jako je model S15A-F14325-M14325-Q společnosti Banner, se připojují přímo k senzoru, indikátoru nebo jinému zařízení, aby se přesměrovala kabeláž a izolovaly signály podle potřeby, aby odpovídaly požadavkům konkrétní aplikace (obrázek 5). Tyto kabelové adaptéry jsou k dispozici ve standardní a vlastní konfiguraci.

Obrázek 5: Adaptéry S15A, jako je model S15A-F14325-M14325-Q, používají připojení M12 pro snadnou instalaci a mohou podle potřeby přesměrovat kabely tak, aby odpovídaly specifickým požadavkům aplikace. (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

Filtry S15F do vedení, jako například model S15F-L-4000-Q, jsou také důležitými prvky v překryvné síti (obrázek 6). Mohou snadno vyřešit problémy s elektrickým šumem a přechodovými napětími, které mohou negativně ovlivnit výkon sítě. Stejně jako adaptéry S15A a převodníky S15C mají i tyto filtry připojení M12 a jsou v pouzdru s přelisovanou konfigurací, která splňuje standardy IP65, IP67 a IP68. Instalace filtru S15F do vedení může vést ke zlepšení integrity signálu a menší potřebě řešení problémů se sítí.

Obrázek 6: Filtry S15F do vedení, jako je S15F-L-4000-Q, lze snadno použít k ochraně zařízení před elektrickým šumem a přechodovými jevy a jejich připojení M12 umožňuje snadnou instalaci, kdekoli je v síti potřeba. (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

Návrh a nasazení sítě Snap Signal

Návrh a nasazení překryvné sítě Snap Signal začíná identifikací zdrojů dat, které mají být monitorovány. Poté je třeba určit, zda by měly být přidány nějaké nové senzory nebo indikátory jako doplnění stávajících zařízení. Kroky v návrhu sítě Snap Signal zahrnují:

• Využití přístupu systémového diagramu společnosti Banner k identifikaci a výběru komponent Snap Signal potřebných pro konkrétní instalaci
• Plán optimální cesty zapojení, včetně umístění T-konektorů a filtrů mezi zařízeními, která mají být monitorována, a řídicí jednotkou DXMR90
• Určení, zda instalace bude vyžadovat použití kabelového ethernetového připojení pro místní spotřebu dat nebo použití zařízení brány edge pro bezdrátové připojení ke cloudové platformě

Snap Signal je skutečná překryvná síť a nevyžaduje výměnu žádného stávajícího hardwaru. Modulární architektura typu Plug-and-Play sítě Snap Signal usnadňuje instalaci:

• Nainstalujte jakékoli nové senzory nebo jiná zařízení a přidejte rozbočovací kabely ke každému zařízení, které chcete monitorovat, abyste zachovali stávající spojení s ovládacími prvky stroje a zároveň poskytli druhou cestu k překryvné síti.
• Nainstalujte příslušné převodníky signálu do vedení.
• Přidejte T-konektory, filtry a další síťové kabely podle potřeby pro dokončení sítě a připojení k řídicí jednotce DXMR90.
• Naprogramujte jednotku DXMR90 tak, aby vytvářela vlastní sekvence snímání a ovládání pomocí programování jazykem ScriptBasic nebo MicroPython anebo vložených pravidel akcí.
• Připojte jednotku DXMR90 ke zdrojům edge computingu pomocí ethernetového připojení nebo pro cloudová připojení pomocí řídicí jednotky DXM s mobilními daty.

Závěr

Překryvné sítě IIoT mohou podporovat potřeby konstruktérů propojovat starší zařízení a ostrovy automatizace do průmyslových sítí, což umožňuje shromažďování použitelných dat pro podporu zvýšené produktivity ve stávajících továrnách. Návrh a implementace takové překryvné sítě jsou složité, ale jak je ukázáno, lze je výrazně zjednodušit pomocí topologie a linek Snap Signal společnosti Banner Engineering. Řada zahrnuje průmyslovou řídicí jednotku DXMR90, převodníky dat, kabelové adaptéry, filtry a další prvky potřebné k implementaci překryvné sítě IIoT a její distribuci do počítačových zdrojů edge nebo do cloudu. Programovatelný, modulární a flexibilní design architektury sítě Snap Signal podporuje přidávání nových zařízení a zajišťuje instalaci, která bude připravena na budoucnost.

Doporučeno k přečtení

1. Základy zabezpečení IoT – část 5: bezpečné připojení ke cloudovým službám IoT