SEK | EUR | USD

Maskin-till-maskin-nätverk för automatiserade maskinfunktioner

Av Lisa Eitel

Bidraget med av Digi-Keys nordamerikanska redaktörer

M2M-nätverk (Machine-to-Machine) är i grunden en variant av industritelematik – kombinationer av telekommunikation och informationsteknik som använder data för att köra automatiserade åtgärder. M2M-nätverk inkluderar sensorer, reglage och maskiner som kommunicerar utan mänsklig inblandning. Maskiner i sådana nätverk kan finnas i samma anläggning eller befinna sig i olika världsdelar.

Trådbunden och trådlös kommunikation driver M2M-funktioner. Enheter sänder och samlar in information för att möjliggöra driftbedömningar och realtidsjusteringar. Till exempel kan ett reningsverk använda fjärrsensorer på viktiga stationer för att samla in data relaterad till vätskenivåer, kemikalieförhållanden, temperaturer, flöden och andra parametrar. Därefter sänds denna data via ett rådlöst nätverk till en plattform där den samlas in av smarta kontroller. I de fall där det är användbart att låta en mänsklig operatör övervaka och agera utifrån ändrade parametrar, kan ett användargränssnitt som kör tillämpningsspecifik programvara visa systemvärdena på en digital instrumentpanel. I vissa fall tar perifera maskiner emot signaler från andra maskiner via styrenheter i M2M-nätverket. Det gör det möjligt att köra sådan utrustning samtidigt med programmering med förinställda regler.

Bild på Multi-Tech QuickCarrier USB-D-mobildongelFigur 1: QuickCarrier USB-D-mobildongeln ger stöd för M2M-installationer som kräver tillförlitlig datakonnektivitet. Den kan även snabbt konfigureras för mobil konnektivitet för att kommunicera fysiska förhållanden digitalt. (Bildkälla: Multi-Tech Systems Inc.)

Skillnad mellan M2M-nätverk och IoT-konnektivitet

Den relativt nya förmågan hos automatiserade konstruktioner att framkalla och reglera högnivååtgärder bygger på både M2M- och IoT-tekniken. Läs Digi-Key-artikeln Skillnaden mellan IoT och M2M avseende kommunikation och konstruktion för en mer djupgående beskrivning av hur dessa system skiljer sig åt.

  • M2M-teknikerna är utmärkta på att övervaka och styra individuella (till viss del isolerade) funktioner. Detta sker i allt högre utsträckning via mobilkommunikation som underlättas av inbäddade enheter. Många M2M är lokala installationer med en eller två informationskällor: till exempel kan en konsumentklassad M2M-installation inkludera en termostat och en kamera som kontinuerligt skickar data till en bärbar enhet eller en smarttelefon – kanske för att uppmana en mänsklig operatör att göra justeringar. De enda datapunkterna är från avkänningsenheterna.
  • IoT innebär fullständig integrering av helt anslutna installationer (normalt inkluderar det maskinaktivering och återkoppling) för att möjliggöra samarbetsåtgärder mellan sofistikerade system, informationskällor eller högautomatiserade maskiner. Så samma konsumentklassade installation med termostat- och kamerakommunikation till en smarttelefon med integrerad IoT-funktion skulle använda datapunkter från dessa återkopplingsenheter (precis som M2M-installationen gör) samt ytterligare data från internet om lokala väderprognoser, crowdsourcad lokal data, expertanalyser och databaser för maskininlärning för att påverka responsen från operatören eller någon form av ansluten automationsutrustning.

I industritillämpningar ger sådana IoT-funktioner även stöd för prediktivt underhåll och användning av stordata för funktioner på företagsnivå. Normalt samlar ett centralt system in helt eller delvis behandlad maskinautomations- och återkopplingsdata. Därefter genererar systemanalys föreskrivna parametrar för ytterligare övervakning, reglering eller justering. Ett ökande antal anläggningar använder stordata (ibland kompletterat med maskininlärning) för att hantera både normal och problematisk drift som kräver underhåll eller andra åtgärder. Till exempel sänder moderna gasrörledningar data om fjärrpumpstationer till centrala databaser som personalen kan använda i styrcentraler – i vissa fall på en helt annan kontinent.

Typer av maskinvara som stöder M2M-funktioner

Sensorer, styrdon och inbäddad logik utgör huvudtyperna av hårdvara med M2M-stöd. Sensorer och styrdon tillhandahålls normalt av komponenttillverkaren med inbyggd M2M-konnektivitet. Till skillnad från detta integreras inbäddade M2M-moduler normalt av OEM-tillverkaren i dennes egna enheter för att utföra specifika uppgifter och funktioner – normalt för att tillhandahålla mobil och andra typer av konnektivitet till enheter som tidigare kan ha arbetat isolerat. Sådana inbäddade M2M-system är särskilt användbara inom transport- och flygbranschen – särskilt för GPS-navigationssystem, förreglingar, registrerare och sensorer på tillgångar som fartyg, flygplan och lastbilar.

Bild på Digi XBee mobilt inbäddat LTE Cat 1-modemFigur 2: inbäddade system inkluderar IC:ar för att sända, ta emot och bearbeta data. Detta mobila inbäddade LTE Cat 1-modem från XBee är avsett för OEM-tillverkare för integrering i deras konstruktioner som kräver mobilanslutning. (Bildkälla: Digi)

M2M-programvara: programvaruplattformen som används för en M2M-installation beror på maskinens mobilitet, dess miljö samt mängden och typen av data som ska behandlas. Där M2M-programvara utnyttjar molntjänster körs den på hårdvara som kommunicerar med en fjärrserver. Servern kör sin egen programvara för att skicka information till administratörer som därefter bearbetar och agerar på datan. I vissa fall inkluderar programvaran som stödjer M2M-nätverk programvara för ett grafiskt användargränssnitt (GUI). Sådana användargränssnitt ger personalen åtkomst till behandlad systemdata som normalt presenteras i grafiska tabeller och videor istället för komplicerade och potentiellt förvirrande textgränssnitt.

M2M-nätverkens användbarhet

Fokuserade tillämpningar för diagnos och underhåll: M2M-nätverk har stöd för diagnos och underhåll, maskinoptimering och tillämpningsspecifika kontroller. Eftersom M2M-nätverk kontinuerligt skickar och tar emot data är de lämpliga för att optimera de planerade underhållsschemana för fristående utrustning i tillverkningsanläggningar – samt för att signalera när ej schemalagt underhåll kan vara nödvändigt. Här kan en ansluten maskins sensorer skicka data via en programvarustack i molnet och sammanställa denna data till en annan enhet och slutligen tillhandahålla information om utrustnings- eller systemunderhåll. Till exempel kan avvikande temperaturer indikera behov av att smörja upp en axel eller att det förekommer mekaniskt slitage som kräver byte av delar.

Både i de offentliga delarna och bakom kulisserna på flygplatser samlar M2M-nätverk in information om temperatur, vibrationer och drevmotorers smörjmedelsnivåer från rulltrappor, rullband och bagagehanteringssystem. M2M-nätverk använder även sensorer i dricksvattenskåp på flygplatser för att övervaka vattenflöde, temperatur, om dörrarna är öppna eller stängda samt även potentiella vattenläckor.

Grafisk visning av maskintillstånd: de enklaste M2M-statusindikatorerna på maskiner är indikatorlampor och digitala avläsningar. Men som nämnts tidigare har mer sofistikerade M2M-system stöd för grafiska användargränssnitt som kan kommunicera maskintillstånden till människor i format som gör datan enkel att förstå. I vissa fall finns sådana presentationer även på maskinen eller enheten – som en liten display eller till och med ett fullstort användargränssnitt. I andra fall finns den grafiska displayen på en fjärrplats.

Fjärrändringar av inställningar: Systemåterkopplingsdata insamlad av ett M2M-nätverk informerar ofta fjärrutlösta arbetsflöden och resurstilldelningar. Tänk på vårt exempel med flygplatsen: här kan dataanalyser från M2M-nätverket få ledningen att skicka en tekniker för att åtgärda utrustningsfel innan lokalvårdare eller resenärer märker det och rapporterar problemet.

Fysiska M2M-nätverksanslutningar och länkar

Som nämnts ovan sker M2M-kommunikation via trådlösa och trådbundna lösningar. Trådbundna versioner för de enklaste enheterna inkluderar kraftkabelkommunikation (där data förmedlas i samma ledare som matar växelström) samt seriekommunikation (en bit åt gången i industristandardsekvenser). Mer avancerade M2M-installationer kan använda LAN-nätverk eller (för distribuerade och skalbara M2M-tillämpningar) WAN-nätverk för att kommunicera och skicka data över längre avstånd. De inbäddade M2M-delkomponenterna som förklarats tidigare ansluts via WAN- och LAN-nätverk och kan kommunicera som enheter inom eller mellan systemen.

Kommunikation mellan system sker via CAN-nätverk och SPI-protokoll (serial peripheral interface) för att kommunicera mellan enheter. Till skillnad från detta används ofta en USB- eller USART-krets (universal-synchronous/asynchronous-receiver/transmitter) vid kommunikation mellan system för kommunikation via en dators serieport för att tillåta dataflöde mellan kretsar inom en enhet.

Givetvis kan kommunikation mellan maskiner och enheter ta andra former. Punkt-till-punkt-kommunikation (till skillnad från utsänd kommunikation) har normalt stöd för M2M-funktioner i utrustning. Även fjärrterminaler har stöd för M2M-anslutningar och säljs normalt som elektroniska mikroprocessormoduler för att övervaka och styra fältenheter för SCADA-funktioner (supervisory control and data acquisition). De fungerar som mellanhänder och:

  • skickar data i telemetriformat (insamlad från fältenheter) till ett centralt system och
  • skickar sedan tillbaka svarskommandon till fältenheterna.

Trådlösa M2M-kommunikationsformat: det finns många M2M-konfigurationer för trådlös kommunikation – med Bluetooth-, Wi-Fi- och GSM-teknik samt GSM-, CMDA- och LTE-mobilnät. Trådlösa nätverk är kompakta och praktiska, och förbättrade infrastrukturstandarder som LTE/5G driver fram ännu mer omfattande användning av mobilkommunikation för M2M-funktioner.

Applikationsskiktsprotokoll som används för M2M-funktioner

M2M-kommunikation sker primärt i applikationsskiktet i industriella nätverk – det översta lagret sammankopplar system och användare – vilket möjliggör kommunikation mellan enheter och kontroller. Det finns många API:er som förenklar programmeringen av dessa programvaru- och webbtjänster.

Bild på olika nätverksprotokoll som organiserats enligt OSI-standardens taxonomiFigur 3: Det finna många konceptmodeller av nätverk. Här visas olika nätverksprotokoll som organiserats enligt taxonomin för den mest kända modellen – OSI-standarden (Open Systems Interconnection) som etablerades 1984. (Bildkälla: Design World)

Bland de protokoll som ofta används för M2M-funktionerna finns HTTP-protokollet på applikationsnivå som definierar meddelandestrukturer mellan webbläsare och servrar. HTTP förknippas normalt med hyperlänkar och andra strukturmedel på webben. Dess funktion i M2M-tillämpningar är liknande eftersom webbläsare fungerar som klienter som efterfrågar information från servrar som tillhandahåller applikationen.

MQTT (Message queue telemetry transport) används också för M2M-konnektivitet. Det är ett TCP/IP-baserat meddelandeprotokoll för lättar M2M-kommunikation. I vissa strukturer utbyter flera klienter information som förmedlas via MQTT. Sådana förmedlingsfunktioner utförs av en mottagare, en gateway eller en server. Förmedlaren tar emot meddelanden som klienten publicerar till den och i retur kan klinterna få meddelanden som de abonnerar på.

Ett annat protokoll som används för M2M-funktioner är det öppna OPC UA-protokollet (OPC Unified Architecture) för industriautomation. Ett annat alternativ med öppen standard är AMQP (advanced message queuing protocol) som förmedlar meddelanden mellan applikationer. Det är den standard som används för affärsmeddelanden i många affärsapplikationer. I kontrast till detta är MTConnect (definieras i ANSI/MTC1.4-2018) en tillverkningsstandard som specificerar hur styrdata ska utbytas mellan fabriksenheter och applikationer. Fabriksenheter kan vara utrustning samt verktyg och sensorer. MTConnect standardiserar data som extraherats i XML-format med standardiserade komponentbeskrivningar.

Trots att det ligger utanför den här artikelns område och inte enkelt kan mappas till den historiska OSI-nätverksmodellen, är det värt att nämna Amazon Web Services (AWS) IoT Core som är en hanterad molntjänst som ökar i popularitet för M2M- och IoT-tillämpningar. Den har stöd för HTTP och MQTT och tillhandahåller säker behandling och dirigering av biljoner meddelanden mellan miljarder fältenheter och AWS-ändpunkter.

Nästa område för M2M-kommunikation och -styrning

M2M-nätverk kommer att fortsätta att växa i popularitet i takt med att företag utnyttjar fördelarna med tillgång till data. M2M-färdig hårdvara, programvara och nätverkskommunikation är under utveckling för att ge oöverträffad kapacitet inom industrin och andra branscher. Så M2M-nätvrken kommer att fortsätta att vara ett kraftfullt sätt att överföra, ta emot och förmedla data och i vissa fall kommer de att komplettera eller driva på 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 skribenten

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 utgivaren

Digi-Keys nordamerikanska redaktörer