Maskin-til-maskin-nettverk for automatiserte maskinfunksjoner

Maskin-til-maskin-nettverk (M2M) er i hovedsak en permutasjon av industriell telematikk – kombinasjoner av telekommunikasjon og informatikk som bruker data til å kjøre automatiserte operasjoner. M2M-nettverk omfatter sensorer, styringer og maskiner som kommuniserer uten menneskelig innblanding. Maskiner i slike nettverk kan enten være i samme anlegg eller på hver sin side av jordkloden.

Kablet og trådløs kommunikasjon driver M2M-funksjoner. Enheter overfører og samler informasjon for å muliggjøre driftsmessige vurderinger og sanntidsjusteringer. For eksempel kan et renseanlegg benytte eksterne sensorer på viktige stasjoner til å samle data relatert til væskenivåer, kjemiske forhold, temperaturer, strømningshastigheter og andre parametere. Dataene overføres deretter via et trådløst nettverk til en plattform hvor intelligente styringer kan samle inn disse. I tilfeller hvor det er kjekt å ha en menneskelig operatør til å overvåke og respondere på endringer i parametere, kan et menneske-maskin-grensesnitt (human machine interface – HMI) som kjører anvendelsesspesifikk programvare vise systemverdiene på et digitalt instrumentbord. I noen tilfeller mottar periferimaskiner signaler fra andre maskiner via styringer på M2M-nettverket. På denne måten kan slikt utstyr kjøres i tandem med all forhåndsinnstilt reglelbasert programmering.

Figur 1: QuickCarrier USB-D-mobildonglen (senderen) støtter M2M-installasjoner som krever pålitelig datakonnektivitet. Den leverer også hurtigoppsett av mobilkonnektivitet for å kommunisere fysiske ting digitalt. (Bildekilde: Multi-Tech Systems Inc.)

Forskjellen mellom M2M-nettverk og Internet of Things (IoT)-konnektivitet

Den relativt nye evnen til automatiserte konstruksjoner, som innebærer å anmode om og regulere operasjoner på høyere nivå, avhenger av både M2M- og IoT-teknologier. Les DigiKey-artikkelen «Forskjellen mellom kommunikasjon og konstruksjon for IoT og M2M» for å få et dypere innblikk i hvordan disse systemene skiller seg fra hverandre.

• M2M-teknologier er bedre på å overvåke og styre individuelle (og til en viss grad, isolerte) funksjoner. Dette skjer i økende grad via mobilkommunikasjon ved bruk av innebygde enheter. Mange M2M-er er lokaliserte installasjoner som bruker en eller to informasjonskilder: For eksempel kan et M2M-forbrukeroppsett omfatte en termostat og et kamera som kontinuerlig overfører data til en bærbar enhet eller smarttelefon – muligens for å anmode om justering fra en menneskelig operatør. De eneste datapunktene er fra disse sensorenhetene.
• IoT antyder full integrasjon av fullstendig tilkoblede installasjoner (som vanligvis involverer aktivering og automatisk regulering av maskiner) for å støtte samhandlende operasjoner mellom sofistikerte systemer, informasjonskilder eller svært automatisert maskineri. For å meddele responsen fra den menneskelige operatøren eller en tilkoblet form for automatisering, skulle det samme forbrukeroppsettet med termostat- og kamerakommunikasjon til en smarttelefon som integrerer IoT-funksjonalitet skulle bruke datapunkter fra disse tilbakemeldings-enhetene (som M2M-oppsettet gjør), samt ytterligere data fra Internett om værmeldinger, crowdsourcede lokale data, ekspertanalyser og maskinlæringsdatabaser .

I industrielle omgivelser støtter slik IoT-funksjonalitet også prediktivt vedlikehold og bruk av «big data» for funksjoner relatert til forretningsvirksomhet. Vanligvis samler et sentralisert system, delvis eller fullstendig, destillert data om maskinautomatisering og automatisk regulering. Systemanalysene genererer deretter foreskrevne parametere for videre overvåking, regulering eller justering. Stadig flere systeminnretninger bruker «big data» (noen ganger supplert med maskinlæring) til å håndtere både normale og problematiske operasjoner som krever vedlikehold eller andre handlinger. For eksempel kan moderne gassrørledninger overføre data om eksterne pumpestasjoner til sentrale databaser som er tilgjengelige for personell i et styrekommandosenter – som i noen tilfeller befinner seg på et helt annet kontinent.

Maskinvaretyper som støtter M2M-funksjoner

Sensorer, aktuatorer og innebygd logikk er de mest brukte M2M-støttede maskinvaretypene. Sensorer og aktuatorer leveres vanligvis av komponentprodusenten med innebygd M2M-konnektivitet. Innebygde M2M-moduler integreres vanligvis av OEM-ene i egne enheter for å utføre bestemte oppgaver og funksjoner – vanligvis for å formidle mobilkonnektivitet og andre former for konnektivitet til enheter som tidligere kan ha fungert isolert. Slike innebygde M2M-systemer er spesielt nyttige i transport- og luftfartsindustrien – spesielt for GPS-navigasjonssystemer, låsesystemer og registratorer og sensorer i ressurser som skip, fly og langtransport.

Figur 2: Innebygde systemer omfatter IC-er for å overføre, motta og behandle data. Dette innebygde XBee Cellular LTE Cat 1-modemet er utviklet for integrering i OEM-bygg som krever mobilkonnektivitet. (Bildekilde: Digi)

M2M-programvare: Programvareplattformen som brukes for en M2M-installasjon avhenger av mobiliteten til maskinen, miljøet den befinner seg i og datamengden og -typen som skal behandles. I tilfeller hvor M2M-programvaren benytter databehandling i skyen, kjører den på maskinvare som kommuniserer med en ekstern server. Sistnevnte kjører sin egen programvare for å sende informasjon til administratorer, som deretter behandler og utfører handlinger basert på disse dataene. I noen tilfeller omfatter programvaren som støtter M2M-nettverk denne for et grafisk brukergrensesnitt (GUI). Med slike grafiske grensesnitt (GUI) kan menneskelig personell få tilgang til destillerte systemdata som vanligvis presenteres i grafiske diagrammer og videoer i stedet for kompliserte og potensielt forvirrende tekstgrensesnitt.

Situasjoner hvor M2M-nettverk er nyttige

Fokuserte installasjoner for diagnostikk og vedlikehold: M2M-nettverk støtter diagnostikk og vedlikehold, maskinoptimalisering og bruksspesifikk styring. Fordi M2M-nettverk kontinuerlig sender og mottar data, er de godt egnet for å optimalisere de planlagte vedlikeholdsplanene for frittstående utstyr i produksjonsanlegg – og signalisere når vedlikehold, som ikke er planlagt, kan være nødvendig. Her kan sensorer fra en tilkoblet maskin sende data gjennom en programvarestakk i skyen og samle disse dataene til en annen enhet, for så å oppgi informasjon om utstyret eller systemvedlikeholdet. For eksempel kan uvanlige temperaturer antyde at det er et behov for å smøre en akse på nytt eller mekanisk slitasje som fremtvinger utskifting av deler.

I de offentlige og private områdene på flyplasser, samler M2M-nettverk inn informasjon om temperaturer, vibrasjoner og smørenivåer for girmotorer i rulletrapper, bevegelige gangveier og systemer for baggasjehåndtering. M2M-nettverk bruker også sensorer på skap med drikkevann på flyplasser til å overvåke vannføring, temperatur, åpen eller lukket tilstand på skapdørene og til og med potensielle vannlekkasjer.

Grafisk visning av maskintilstander: Indikatorlamper og digitale avlesninger er de enkleste M2M-statusindikatorene på maskiner. Men som vi nevnte tidligere, støtter mer sofistikerte M2M-systemer grafiske brukergrensesnitt (GUI) for å kommunisere maskintilstander til mennesker i formater som gjør dataene enkle å forstå. I noen tilfeller finner du også slike presentasjoner på maskinen eller enheten – som en liten skjerm eller til og med en HMI (menneske-maskin-grensesnitt) i full størrelse. I andre tilfeller befinner den grafiske skjermen seg på et eksternt sted.

Eksterne endringer i innstillinger: Data om automatisk systemregulering som er samlet inn av et M2M-nettverk, informerer ofte om eksternt utløste arbeidsflyter og allokering av ressurser. La oss ta en titt på flyplasseksemplet en gang til: Her kan dataanalyse fra M2M-nettverket be ledelsen sende en tekniker for å rette utstyrsfeil før rengjøringspersonell eller en reisende merker og rapporterer problemet.

M2M fysiske nettverkstilkoblinger og -lenker

Som nevnt tidligere, utføres M2M-kommunikasjon via trådløse og kablede mekanismer. Kablede permutasjoner for de enkleste enhetene inkluderer kraftlinjekommunikasjon (der data overføres på de samme lederne som forsyner vekselstrøm) og seriell kommunikasjon (en bit av gangen i sekvenser som er standard for bransjen). Mer avanserte M2M-installasjoner kan bruke lokalnettverk (LAN) eller (for distribuerte og skalerbare M2M-applikasjoner) regionnettverk (WAN) til å kommunisere og sende data over større avstander. De innebygde M2M-underkomponentene som ble forklart tidligere tilkobles via WAN- og LAN-nettverk, og kan kommunisere som intersystem- eller intrasystem-elementer.

For å kommunisere mellom enheter, utføres intersystem-kommunikasjon via protokollene CAN (controller area network) og SPI (serial peripheral interface). Som en kontrast til dette, benytter intrasystem-kommunikasjon ofte en USB (universal serial bus) eller USART-mikrochip (universal-synchronous/asynchronous-receiver/transmitter) til å kommunisere via datamaskinens serielle port, for å muliggjøre dataoverføring mellom brikker i en enhet.

Kommunikasjon mellom maskiner og enheter omfatter også andre kommunikasjonsformer. Punkt-til-punkt kommunikasjon (i motsetning til kringkastingskommunikasjon) støtter ofte M2M-funksjoner i utstyrsdeler. Eksterne terminalenheter (RTU-er), som vanligvis selges som elektroniske mikroprosessormoduler for overvåking og styring av feltenheter for overvåkingsstyring og datainnsamling (SCADA), støtter også M2M-tilkoblinger. Disse er mellomledd for:

• overføring av data i telemetriformat (innsamlet fra feltenheter) til et sentralt system, og deretter
• utlasting av responskommandoer tilbake til feltenheter.

Trådløse M2M-kommunikasjonsformater: M2M-konfigurasjoner for trådløs kommunikasjon er svært utbredt – og bruker Bluetooth-, Wi-Fi- og GSM-teknologier samt GSM-, CMDA- og LTE-mobilnett. Trådløse nettverk gir kompakthet og bekvemmelighet, og moderne infrastrukturstandarder som LTE/5G oppfordrer til enda mer bruk av mobilkommunikasjon for M2M-funksjonalitet.

Protokoller for applikasjonslag som brukes for M2M-funksjoner

M2M-kommunikasjon skjer først og fremst i applikasjonslaget i industrielle nettverk – det øverste laget som forbinder system og brukere – noe som muliggjør kommunikasjon mellom enheter og styringer. Det finnes en overflod av API-er (application program interfaces) for å forenkle programmeringen av disse programvarene og nettjenestene.

Figur 3: Det florerer av konseptuelle nettverksmodeller. Her ser du forskjellige nettverksprotokoller organisert i henhold til klassifiseringssystemet i den mest kjente modellen – OSI-standarden (Open Systems Interconnection), som ble opprettet i 1984. (Bildekilde: Design World)

HTTP (hypertext transfer protocol), applikasjonslaget som definerer meldingsstrukturer mellom nettlesere og servere, er blant protokollene som regelmessig brukes for M2M-funksjoner. HTTP forbindes vanligvis med hyperlenking og annen strukturering på Internett. Protokollen har en lignende funksjon i M2M-applikasjoner; nettlesere fungerer som klienter som ber om informasjon fra servere som leverer applikasjonen.

MQTT (message queue telemetry transport) brukes også for M2M-konnektivitet. Det er en TCP/IP-basert meldingsprotokoll for lettere M2M-kommunikasjon. I noen installasjoner utveksler flere klienter informasjon som er meglet via MQTT. Slike meglerfunksjoner utføres av en mottaker, en gateway eller en server. Megleren godtar meldinger som klienter publiserer til den. Klientene kan til gjengjeld motta meldinger som de abonnerer på.

En annen protokoll som brukes for M2M-funksjoner er den åpne OPC UA-protokollen (OPC Unified Architecture) for industriell automatisering. Et annet alternativ med åpen standard er AMQP (advanced message queuing protocol) for overføring av meldinger mellom applikasjoner. Dette er standarden som brukes for forretningsrelaterte meldinger i mange enterprise-applikasjoner. En kontrast til disse er MTConnect (definert av ANSI/MTC1.4-2018), en produksjonsstandard som spesifiserer hvordan styringsdata skal utveksles mellom fabrikkenheter og applikasjoner. Fabrikkenheter kan være utstyr, verktøy eller sensorer. MTConnect standardiserer data som er hentet ut i XML-format med standardiserte komponentbeskrivelser.

Selv om Amazon Web Services (AWS) IoT Core ligger utenfor det vi tar for oss i denne artikkelen, og ikke kan tilordnes enkelt på den historiske OSI-nettverksmodellen, er dette en administrert skytjeneste som øker i popularitet for M2M- og IoT-applikasjoner. Den støtter HTTP og MQTT, og leverer sikker behandling og ruting for billioner av meldinger mellom milliarder av feltenheter og AWS-endepunkter.

Fremtiden til M2M-kommunikasjon og -styring

M2M-nettverk vil fortsette å spre seg i takt med antallet foretak som utnytter fordelene av å ha datatilgang. M2M-klar maskinvare, programvare og nettverkskommunikasjon er faktisk i stadig utvikling for å gi industrien og andre bransjer enestående muligheter. Så disse M2M-nettverkene vil fortsette å være et kraftig hjelpemiddel for å overføre, motta og kommunisere data, og i visse tilfeller, komplettere eller stimulere IoT-installasjoner.