Hur man utformar ett modulärt överlappande nätverk för optimering av databehandling i IIoT för Industry 4.0

Optimering av databehandling i Industry 4.0 och IIoT-system (Industrial Internet of Things) för att stödja effektiviserad tillverkning kan åstadkommas genom tillståndsövervakning, förebyggande underhåll, analys och spårning av utrustningens totala effektivitet (OEE), diagnostik och felsökning. Problemet i många fall är att den gamla utrustningen antingen inte är konstruerad för att vara ansluten eller att den kan använda något av flera olika kommunikationsprotokoll, vilket gör det dyrt att byta ut dem alla. För att säkerställa maximal effektivitet och få fram användbara maskindata är det i många fall enklare och mer kostnadseffektivt att implementera ett överlappande nätverk som kan ansluta befintliga automationsöar och äldre utrustning.

Att utforma ett sådant överlappande nätverk är en krävande utmaning. Det krävs en styrenhet som kan ta emot signaler från givare och andra enheter som använder en mängd olika kommunikationsprotokoll, kombinera dessa signaler till en enhetlig ström av användbar data och exportera dessa data till dataresurser i molnkanten eller till molnet. Systemet behöver adaptrar som kan anslutas direkt till givare, indikeringar och andra enheter. Omvandlare behövs för att ansluta tidigare inkompatibla enhetstyper, inklusive äldre utrustning.

För att säkerställa en tillförlitlig drift krävs dessutom filter som skyddar datakommunikationen från elektriska störningar och transienter. Alla dessa komponenter ska uppfylla standarderna IP65, IP67 och IP68 för drift i industriella miljöer, och lösningen ska vara enkel och kostnadseffektiv att implementera.

Artikeln diskuterar kortfattat problemen med att ansluta äldre utrustning till IIoT. Därefter presenteras arkitekturen i Snap Signal-familjen med hård- och mjukvaruverktyg från Banner Engineering och hur den tar itu med dessa utmaningar. Här presenteras exempel på Snap Signal-enheter, inklusive styrenheten DXMR90, tillhörande omvandlare, adaptrar och filter, samt tillämpningsöverväganden vid implementering av kabelansluten eller trådlös databehandling i molnkanten och molnanslutning.

Anslutning av äldre utrustning till IIoT

Många fabriker är äldre än IIoT och Industry 4.0, och det är ofta inte möjligt att koppla ihop all utrustning och alla maskiner till ett enda nätverk, vilket resulterar i automationsöar. Även om den gamla utrustningen inte är isolerad på en "ö" kan den vara svår att koppla samman på grund av den brist på flexibilitet som beror på användningen av proprietära kommunikationsprotokoll, icke-standardiserade kontakter, kablage och andra faktorer.

Ett överlappande IIoT-nätverk med Snap Signal kan ge ett snabbt, flexibelt och kostnadseffektivt sätt att ansluta äldre utrustning och automatiseringsöar genom att fånga upp och konvertera olika icke-kompatibla datakommunikationsprotokoll till en standard som är lätt att distribuera och som kan levereras till beräkningsresurser i molnkanten eller molnet för analys och åtgärd (figur 1).

Figur 1: Ett överlappande Snap Signal-nätverk har en modulär arkitektur för att ansluta äldre utrustning och automatiseringsöar till dataresurser i molnkanten eller molnet. (Bildkälla: Banner Engineering)

Det finns flera viktiga komponenter som behövs för att bygga ut flexibla och tillförlitliga överlappende IIoT-nätverk:

• Adaptrar för att dra om kablar och koppla olika utrustningars kopplingsscheman från givare, indikeringar och andra enheter till ett standardformat som används i det överlappade nätverket.
• Dataomvandlare för att översätta inkompatibla format, t.ex. diskreta, analoga och olika digitala format som finns på äldre utrustning eller automationsöar, till standardprotokoll som IO-Link eller Modbus för att möjliggöra centraliserad prestandaövervakning.
• Filtren skyddar data från att förvrängas i industriella miljöer med elektriska störningar, vilket förbättrar signalintegriteten och tillförlitligheten och minskar kraven på felsökning.
• En programmerbar styrenhet för att sammanställa data från flera olika källor och tillhandahålla lokal databehandling samt anslutningsmöjligheter som gör det möjligt att integrera äldre utrustning och automatiseringsöar i IIoT.
• En kabelansluten eller trådlös anslutning för att distribuera de insamlade uppgifterna till datorer i molnkanten och/eller molnet, t.ex. Banners Cloud Data Service (CDS), som ger datavisualisering och insikter om maskinens prestanda och skickar e-post- eller textmeddelanden för att stödja maskinens drift, underhåll och reparationer i realtid (figur 2).

Figur 2: Sammanställd data kan överföras med en kabelansluten eller trådlös anslutning till datorer i molnkanten eller till molnet, t.ex. till Banner CDS (skärmbild ovan). (Bildkälla: Banner Engineering)

Styrenhet för sammanställning av flera dataströmmar

Den programmerbara styrenheten och dataomvandlarna är viktiga delar i utformningen av ett överlappande nätverk. Den industriella styrenheten DXMR90 från Banner fungerar som en central kommunikationshubb och kombinerar signaler från flera Modbus-portar till en enhetlig dataström som vidarebefordras med hjälp av industriella Ethernet-protokoll. Modellen DXMR90-X1 innehåller exempelvis fyra Modbus-mastrar och stöder samtidig kommunikation med upp till fyra seriella nätverk (figur 3).

Figur 3: Portarna på DXMR90 inkluderar en konfigurerbar Modbus-port 0 (på vänster sida), Modbus-master-portar (1 till 4 på undersidan), konfigurerbar Modbus-port 0/PW för RS-485 och inkommande ström (överst till höger) och en D-kodad Ethernet-port (nederst till höger). (Bildkälla: Banner Engineering)

DXMR90 är en högintegrerad kommunikationsstyrenhet med följande funktioner:

• Förmåga att arbeta med en rad Modbus-enheter, konvertera Modbus RTU till Modbus TCP/IP, Ethernet I/P eller Profinet.
• Fyra oberoende Modbus-master-portar som kan ansluta slavenheter utan att manuellt tilldela en adress till enheterna.
• Lokal styrning och anslutning med:
  • Modbus/TCP, Modbus RTU, Ethernet/IP och Profinet, automationsprotokoll.
  • Internetprotokoll, inklusive RESTful API och MQTT med webbtjänster från AWS och andra.
  • Direkta varningar via e-post
• Intern logikstyrning med fördefinierade åtgärdsregler som även kan programmeras med MicroPython eller ScriptBasic.
• IP65-, IP67- och IP68-klassificerad höljen underlättar användning i industriella miljöer.
• Snabba statusindikeringar med lysdioder som kan programmeras av användaren.
• En kabelansluten Ethernet-kabel eller en DXM-styrenhet med mobiltelefon kan användas för anslutning till databaser som CDS från Banner.

Omvandare ansluter enheter i IIoT-nätverk

Effektiv dataomvandling krävs för att blanda äldre utrustning och öar av automatisering i ett överlappande nätverk. För den här funktionen kan konstruktörer använda de påkopplingsbara linjeomvandlarna i S15C-serien från Banner för att omvandla data från tillståndsövervakning och processgivare från en mängd olika format till digitala IO-Link-data (figur 4). S15C-MGN-KQ är exempelvis en omvandlare från Modbus-master till IO-Link-enheter som kan konfigureras av användaren för att läsa upp till 60 register och skriva till upp till 15, med fördefinierade Modbus-register som skickas automatiskt via IO-Link.

Figur 4: S15C-seriens inline-dataomvandlare kan konvertera olika typer av signaler, inklusive diskreta, analoga och andra, till industriprotokoll som Modbus, IO-Link, PWM och PFM. (Bildkälla: Banner Engineering)

Omvandlaren S15C har måttet 15 mm i diameter, en övergjuten IP68-kapsling, M12-anslutning och använder samma strömförsörjning som den anslutna enheten. Användning av S15C-omvandlare eliminerar kommunikationsbegränsningen för IO-Link på 20 m eftersom de kan installeras i slutet av en Modbus-länk, nära IO-Link-mastern.

S15C-serien av omvandlare omfattar åtta modeller:

• Sex Modbus- till IO-Link-omvandlare för användning med Banners serie Modbus-sensorer, inklusive ultraljud, mätning av ljusridåer, temperatur/fuktighet, vibration/temperatur och GPS. Det finns dessutom en allmän omvandlare som kan konfigureras så att de flesta Modbus-enheter kan användas som IO-Link-enheter.
• Två analoga givarmodeller som omvandlar signaler med 0 till 10 V DC eller 4 till 20 mA till digitala värden och vidarebefordrar dessa som IO-Link-data.

Kopplingsadaptrar och filter kompletterar nätverket

Utöver en styrenhet och dataomvandlare behöver konstruktörerna inkopplingsadaptrar och störningsfilter för att snabbt kunna distribuera flexibla och kostnadseffektiva överlappande nätverk. Inline-ledningsomvandlare, som S15A-F14325-M14325-Q från Banner, ansluts direkt till en givare, indikering eller annan enhet för att dra om kablar och isolera signaler efter behov för att passa specifika tillämpningsbehov (figur 5). Adaptrarna finns i standard- och specialkonfigurationer.

Figur 5: S15A-adaptrar som S15A-F14325-M14325-Q använder en M12-anslutning för enkel installation och kan dra om kablarna efter behov för att passa specifika tillämpningskrav. (Bildkälla: Banner Engineering)

S15F-inlinefilter som S15F-L-4000-Q är också viktiga delar i ett överlappande nätverk (figur 6). De kan enkelt lösa problemet med elektriska störningar och transienta spänningar som kan påverka nätverkets prestanda negativt. Liksom S15A-adaptrarna och S15C-omvandlarna har dessa filter M12-anslutningar och är förpackade i en övergjuten kapsling som uppfyller standarderna IP65, IP67 och IP68. Installation av ett S15F-inlinefilter kan medföra förbättrad signalintegritet och mindre behov av felsökning i nätverket.

Figur 6: S15F-inlinefilter som S15F-L-4000-Q kan lätt användas för att skydda enheter från elektriska störningar och transienter, och deras M12-anslutning gör det enkelt att installera dem där de behövs i nätverket. (Bildkälla: Banner Engineering)

Utformning och installation av Snap signal-nätverk

Utformningen och installationen av ett överlappande Snap Signal-nätverk börjar med att identifiera de datakällor som ska övervakas. Därefter måste man avgöra om nya sensorer och indikeringar behöver läggas till som komplement till befintliga enheter. Stegen i utformningen av ett Snap Signal-nätverk omfattar följande:

• Använd Banners systemdiagram för att identifiera och välja de Snap Signal-komponenter som behövs för en specifik installation.
• Planera den optimala ledningsförläggningen, inklusive placering av T-kontakter och filter mellan de enheter som ska övervakas och styrenheten DXMR90.
• Konstatera om installationen kommer att kräva en kabelansluten Ethernet-anslutning för lokal dataförbrukning eller om en kantansluten gateway-enhet ska användas för trådlös anslutning till en molnplattform.

Snap Signal är ett äkta överlappande nätverk och kräver inte att någon befintlig hårdvara byts ut. Den modulära plug-and-play-arkitekturen i Snap Signal gör installationen enkel:

• Installera alla nya givare och andra enheter, och dra ut fördelningskablar till respektive enhet som ska övervakas för att bibehålla den befintliga anslutningen till maskinstyrningen och samtidigt tillhandahålla en andra väg för det överlappande nätverket.
• Installera lämpliga inline-signalomvandlare.
• Lägg till T-kontakter, filter och andra nätverkskablar som behövs för att slutföra nätverket och ansluta till styrenheten DXMR90.
• Programmera DXMR90 för att skapa anpassade avkännings- och kontrollsekvenser med hjälp av programmering i ScriptBasic eller MicroPython och/eller inbyggda åtgärdsregler.
• Anslut DXMR90 till datorresurser i molnkanten med Ethernet-anslutningen, eller för molnanslutningar, en DXM-styrenhet med mobiltelefon.

Sammanfattning

Överlappande IIoT-nätverk kan stödja konstruktörernas behov av att ansluta äldre utrustning och automatiseringsöar till industriella nätverk som möjliggör insamling av användbara data för att stödja ökad produktivitet i befintliga fabriker. Utformningen och implementeringen ett sådant överlappande nätverk är komplicerat, men som framgår ovan, kan det förenklas avsevärt med hjälp av Banner Engineerings topologi och sortimentet Snap Signal. Sortimentet omfattar den industriella styrenheten DXMR90, dataomvandlare, kabeladaptrar, filter och andra delar som behövs för att implementera ett överlappande IIoT-nätverk och distribuera detta till datorer i molnkanten eller i molnet. Den programmerbara, modulära och flexibla utformningen av Snap Signals nätverksarkitektur gör det möjligt att lägga till nya enheter och gör installationen framtidssäker.

Rekommenderad läsning

1. Grunderna inom IoT-säkerhet - Del 5: Säker anslutning till IoT-tjänster i molnet