Slik konstrueres et modulært overlagret nettverk for Industri 4.0-databehandlingsoptimalisering i IIoT

Støtte for mager (lean) produksjon innen databehandlingsoptimalisering i Industri 4.0-systemer og systemer i det industrielle tingenes Internett (IIoT) kan oppnås gjennom tilstandsovervåking, forebyggende vedlikehold, analyse og sporing av generell utstyrseffektivitet (OEE), diagnostikk og feilsøking. Problemet i mange tilfeller er at eldre utstyr enten ikke ble konstruert for tilkobling eller bruker en rekke forskjellige kommunikasjonsprotokoller, noe som gjør det dyrt å erstatte dem alle. For å sikre maksimal effektivitet og få handlingsdyktige maskindata, er det i mange tilfeller enklere og mer kostnadseffektivt å implementere et overlagret nettverk som kan koble sammen eksisterende automasjonsøyer og eldre utstyr.

Det er en utfordring å konstruere et slikt overlagret nettverk. Det krever en styring som kan motta signaler fra sensorer og andre enheter som bruker en rekke forskjellige kommunikasjonsprotokoller, kombinere disse signalene til en samlet strøm av brukbare data og eksportere disse dataene til kantenhetsressurser eller skyen. Systemet trenger adaptere som kan kobles direkte til sensorer, viserinnretninger og andre enheter. Omformere er nødvendig for å koble til tidligere inkompatible enhetstyper, deriblant eldre utstyr.

I tillegg, for å sikre pålitelig drift, kreves det filtre for å beskytte datakommunikasjonen mot elektrisk støy og transienter. Alle disse komponentene bør oppfylle IP65-, IP67- og IP68-miljøstandarder for drift i industrimiljøer, og løsningen må være enkel og kostnadseffektiv å implementere.

Denne artikkelen tar kort for seg problemene relatert til å koble eldre utstyr til IIoT. Den introduserer deretter arkitekturen til Snap Signal-familien av maskinvare- og programvareverktøy fra Banner Engineering og hvordan den håndterer disse utfordringene. Den presenterer eksempler på Snap Signal-enheter, deriblant DXMR90-styringen, tilknyttede omformere, adaptere og filtre, samt konstruksjonshensyn relatert til implementeringen av kablet og trådløs kantenhet- eller skytilkobling.

Koble eldre utstyr til IIoT

Mange fabrikker stammer fra tiden før IIoT og Industri 4.0, og det er ofte ikke mulig å koble alt utstyr og alle maskiner til ett nettverk, noe som resulterer i automasjonsøyer som er avskåret fra omverdenen. Selv om eldre utstyr ikke er isolert på en «øy», kan det være vanskelig å koble sammen på grunn av manglende fleksibilitet som følge av proprietære kommunikasjonsprotokoller, ikke-standardiserte kontakter og kabler og andre faktorer.

Et Snap Signal IIoT overlagret nettverk kan gi en rask, fleksibel og kostnadseffektiv måte å koble sammen eldre utstyr og automasjonsøyer på, ved å fange opp og konvertere ulike ikke-kompatible datakommunikasjonsprotokoller til en standard som er enkel å distribuere, og som kan leveres til kantenheter eller nettskyressurser for analyse og handling (figur 1).

Figur 1: Et Snap Signal overlagret nettverk gir en modulær arkitektur for å koble eldre utstyr og automasjonsøyer til kant- eller skybaserte databehandlingsressurser. (Bildekilde: Banner Engineering)

Det er flere viktige komponenter som trengs for å distribuere fleksible og pålitelige overlagte IIoT-nettverk:

• Adaptere for å omdirigere ledninger og forbinde ulike ledningslayouter for utstyr fra sensorer, viserinnretninger og andre enheter til et standardformat som brukes i det overlagte nettverket.
• Dataomformere for å oversette inkompatible formater, for eksempel frittstående, analoge og ulike digitale formater som er å finne på eldre utstyr eller automasjonsøyer, til standardprotokoller som IO-Link eller Modbus for å muliggjøre sentralisert ytelsesovervåking.
• Filtre for å beskytte dataene mot korrupsjon i elektrisk støyende industrimiljøer, forbedre signalintegritet og pålitelighet og redusere krav til feilsøking.
• En programmerbar styring for å samle data fra flere kilder og levere lokal databehandling, samt konnektivitet som gjør det mulig å integrere eldre utstyr og automasjonsøyer i IIoT.
• En kablet eller trådløs tilkobling for å distribuere de innsamlede dataene til kantenhetressurser og/eller skyen, for eksempel Banner sin CDS (Cloud Data Service), som gir datavisualisering og innsikt i maskinens ytelse, og for å sende e-post eller tekstvarsler slik at maskindrift, vedlikehold og reparasjoner kan støttes i sanntid (figur 2).

Figur 2: Konsoliderte data kan overføres med kablet eller trådløs tilkobling til kantenhetressurser eller skyen, for eksempel Banner sin CDS (skjermbilde over). (Bildekilde: Banner Engineering)

Styring for konsolidering av flere datastrømmer

De programmerbare styringene og dataomformerne er viktige elementer under konstruksjonen av et overlagret nettverk. Den industrielle styringen DXMR90 fra Banner fungerer som det sentrale kommunikasjonsknutepunktet som kombinerer signaler fra flere Modbus-porter til en enhetlig datastrøm som videresendes ved hjelp av industrielle Ethernet-protokoller. Modellen DXMR90-X1 omfatter for eksempel Modbus-mastere, og støtter parallellkommunikasjon med opptil fire seriellnettverk (figur 3).

Figur 3: Portene på DXMR90 inkluderer en konfigurerbar Modbus-port 0 (på venstre side), Modbus-hovedporter (master) (1 til 4 på bunnen), konfigurerbar Modbus-port 0/PW for RS-485 og innkommende strøm (øverst til høyre) og en D-kodet Ethernet-port (nederst til høyre). (Bildekilde: Banner Engineering)

DXMR90 er en svært integrert kommunikasjonsstyring med følgende egenskaper:

• Muligheten til å fungere med en rekke Modbus-enheter, konvertere Modbus RTU til Modbus TCP/IP, Ethernet I/P eller Profinet.
• Fire uavhengige Modbus-hovedporter som kan koble til slaveenheter uten å manuelt måtte tilordne en adresse til enhetene.
• Lokal styring og konnektivitet med:
  • Modbus/TCP, Modbus RTU, Ethernet/IP og Profinet, automasjonsprotokoller
  • Internett-protokoller, inkludert RESTful API og MQTT med nettjenester fra AWS, og andre
  • Direkte e-postvarsler
• Intern logisk styring med forhåndsdefinerte handlingsregler, som også kan programmeres med MicroPython eller ScriptBasic.
• IP65-, IP67- og IP68-klassifisert hus forenkler distribusjon i industrimiljøer.
• Raske statusindikasjoner med brukerprogrammerbare lysdioder.
• Kablet Ethernet-kabel eller en mobilaktivert DXM-styring kan brukes for tilkobling til databaser, slik som Banner sin CDS.

Omformere kobler sammen enheter i IIoT-nettverk

Effektiv dataomforming er nødvendig for å blande eldre utstyr og automasjonsøyer til et overlagret nettverk. For denne funksjonen kan konstruktører bruke Banner sine små integrerte linjeomformere i S15C-serien til å konvertere tilstandsovervåkingsdata og prosess-sensordata fra en rekke formater til digitale IO-Link-data (figur 4). For eksempel er S15C-MGN-KQ en Modbus master-til-IO-Link-enhetsomformer som er brukerkonfigurerbar slik at den er i stand til å lese opptil 60 registre og skrive opptil 15, der forhåndsdefinerte Modbus-registre automatisk sendes over IO-Link.

Figur 4: Linjedataomformerne i S15C-serien kan omforme ulike typer signaler, for eksempel frittstående (diskrete), analoge og andre, til industriprotokoller som Modbus, IO-Link, PWM og PFM. (Bildekilde: Banner Engineering)

S15C-omformere måler 15 millimeter (mm) i diameter, de har et overstøpt IP68-hus og M12-tilkobling, og de bruker samme strømforsyning som den tilkoblede enheten. Bruken av S15C-omformere eliminerer den 20 meter lange IO Link-kommunikasjonsbegrensningen siden de kan installeres på enden av en Modbus-forbindelse, nær IO-Link-masteren.

Omformere i S15C-serien inkluderer åtte modeller:

• Seks Modbus-til-IO-Link-omformere for bruk med Banner sin Modbus-sensorlinje, som omfatter ultralyd, måling av lysgardin, temperatur/fuktighet, vibrasjon/temperatur og GPS. I tillegg er det en generisk omformer som kan konfigureres slik at de fleste Modbus-enheter kan distribueres som IO-Link-enheter.
• To analoge sensormodeller som konverterer signaler på 0 til 10 volt likestrøm eller 4 til 20 milliampere (mA) til sine digitale verdier og videresender dem som IO-Link-data.

Ledningsadaptere og filtre fullfører nettverket

I tillegg til en styring og dataomformere, trenger konstruktører ledningsadaptere og støyfiltre slik at de raskt kan distribuere fleksible og kostnadseffektive overlagrede nettverk. Linjeledningsadaptere, for eksempel Banner sin S15A-F14325-M14325-Q, kobles direkte til en sensor, viserinnretning eller annen innretning for å omdirigere ledninger og isolere signaler etter behov, slik at de er i samsvar med de spesifikke behovene til konstruksjonen (figur 5). Disse ledningsadapterne er tilgjengelige i standard og egendefinerte konfigurasjoner.

Figur 5: S15A-adaptere, for eksempel S15A-F14325-M14325-Q, bruker en M12-tilkobling for enkel installasjon, og de kan omdirigere ledninger etter behov slik at de er i samsvar med de spesifikke behovene til konstruksjonen. (Bildekilde: Banner Engineering)

S15F-linjefiltre, for eksempel S15F-L-4000-Q, er også viktige elementer i et overlagret nettverk (figur 6). De kan enkelt løse utfordringer med elektrisk støy og transientspenninger som kan påvirke nettverksytelsen negativt. I likhet med S15A-adaptere og S15C-omformere, har disse filtrene M12-tilkoblinger, og de er innkapslet i en overstøpt konfigurasjon som oppfyller IP65-, IP67- og IP68-standarder. Installasjon av et S15F-linjefilter kan resultere i forbedret signalintegritet og redusert behov for feilsøking i nettverket.

Figur 6: S15F-linjefiltre, for eksempel S15F-L-4000-Q, kan kjapt og enkelt brukes til å beskytte enheter mot elektrisk støy og transienter, og M12-tilkoblingen deres gjør dem enkle å installere der de trengs i nettverket. (Bildekilde: Banner Engineering)

Konstruksjon og distribusjon av Snap Signal-nettverk

Konstruksjon og distribusjon av et Snap Signal overlagret nettverk begynner med identifikasjon av datakildene som skal overvåkes. Deretter må det fastslås om noen nye sensorer eller viserinnretninger bør legges til for å supplere eksisterende enheter. Trinn i konstruksjonen til et Snap Signal-nettverk omfatter:

• Bruk Banner sin systemskjematilnærming for å identifisere og velge Snap Signal-komponentene som trengs for en bestemt installasjon.
• Planlegg den optimale ledningsbanen, inkludert plasseringen av T-kontakter og filtre mellom enhetene som skal overvåkes og DXMR90-styringen.
• Fastsett om installasjonen krever at en kablet Ethernet-tilkobling brukes for lokalt dataforbruk, eller om en kant-gateway, som kan koble til en skyplattform trådløst, er nødvendig.

Snap Signal er et sant overlagret nettverk som ikke krever utskifting av noe eksisterende maskinvare. Den modulære plug-and-play Snap Signal-arkitekturen gjør installasjonen enkel:

• Installer eventuelle nye sensorer eller andre enheter og legg til splitterkabler til hver enhet som skal overvåkes for å opprettholde den eksisterende tilkoblingen med maskinstyringer, samtidig som en ekstra bane til det overlagrede nettverket forsynes.
• Installer de egnede linjesignalomformerne.
• Legg til T-kontakter, filtre og andre nettverkskabler etter behov for å fullføre nettverket og koble til DXMR90-styringen.
• Programmer DXMR90 til å opprette tilpassede sensor- og styringssekvenser ved å bruke ScriptBasic- eller MicroPython-programmering og/eller de integrerte handlingsreglene.
• Koble DXMR90 til kantenhetsressurser ved å bruke Ethernet-tilkoblingen, eller en mobilaktivert DXM-styring for skytilkoblinger.

Konklusjon

Overlagrede IIoT-nettverk kan støtte behovene til konstruktører som ønsker å koble eldre utstyr og automasjonsøyer til industrinettverk, noe som muliggjør innsamling av handlingsrettede data for å støtte økt produktivitet på tvers av eksisterende fabrikker. Konstruksjonen og implementeringen av et slikt overlagret nettverk er komplisert, men som vist kan det forenkles kraftig ved å bruke topologien og Snap Signal-linjen til Banner Engineering. Linjen inkluderer den industrielle styringen DXMR90, dataomformere, ledningsadaptere, filtre og andre elementer som trengs for å implementere et overlagret IIoT-nettverk og distribuere det til kantenhetsressurser eller til skyen. Den programmerbare, modulære og fleksible konstruksjonen til Snap Signal-nettverksarkitekturen støtter tilføyelsen av nye enheter, og fremtidssikrer installasjonen.

Anbefalt lesing

1. Grunnleggende om IoT-sikkerhet – del 5: Koble sikkert til IoT-skytjenester