Modulrendszerű átfedő hálózatok tervezése az ipari dolgok internetén végzett Ipar 4.0-s adatfeldolgozás optimalizálására

Az Ipar 4.0-s és az ipari dolgok internetére (IIoT) kapcsolódó rendszerekben az adatfeldolgozásnak a karcsúsított gyártást támogató optimalizálása az állapotfigyelés, a megelőző karbantartás, a berendezések általános hatékonyságának (OEE) elemzése és nyomon követése, a diagnosztika és a hibakeresés révén valósítható meg. A gond sok esetben az, hogy a régi berendezéseket vagy nem úgy tervezték, hogy csatlakoztathatóak legyenek, vagy számos különböző kommunikációs protokollt használnak, ami költségessé teszi azt, ha az összes ilyen berendezést cserélni szeretné. A lehető legnagyobb hatékonyság biztosítása és a hasznosítható gépadatok kinyerése érdekében sok esetben egyszerűbb és költségtakarékosabb egy olyan átfedő hálózatot kialakítani, amely lehetővé teszi a meglévő automatizálási szigetek és a régi berendezések csatlakoztatását.

Egy ilyen átfedő hálózat megtervezése komoly kihívást jelent. Olyan vezérlőegységre van szükség, amely képes fogadni a különböző kommunikációs protokollokat használó érzékelők és egyéb eszközök jeleit, ezeket a jeleket hasznosítható adatokat tartalmazó egységes adatfolyammá egyesíteni, és ezeket az adatokat peremhálózati számítástechnikai erőforrásokba vagy a felhőbe exportálni. A rendszerben olyan adapterekre van szükség, amelyek közvetlenül csatlakoztathatóak az érzékelőkhöz, kijelzőkhöz és egyéb eszközökhöz. A korábban nem kompatibilis eszköztípusok, köztük a régi berendezések csatlakoztatásához átalakítókra is szükség van.

Ezenkívül a megbízható működés biztosítása érdekében szűrőket kell használni az adatkommunikáció villamos zajoktól és tranziensektől való védelmére. Az ipari környezetben való működéshez az összes fenti alkatrésznek IP65, IP67 vagy IP68 védettségi szintűnek, a megoldásnak pedig könnyen és költségtakarékosan megvalósíthatónak kell lennie.

Ez a cikk röviden tárgyalja a régi berendezések ipari dolgok internetére (IIoT) csatlakoztatásának problémáit. Ezután ismerteti a Banner Engineering által gyártott Snap Signal hardver- és szoftvereszköz-termékcsalád felépítését, és azt, hogy az hogyan oldja meg ezeket a kihívásokat. Példákat mutat a Snap Signal-eszközökre, beleértve a DXMR90 vezérlőegységet, a kapcsolódó átalakítókat, adaptereket és szűrőket, valamint azt, hogy milyen szempontokat kell figyelembe venni az egyes berendezések esetében a peremhálózati számítástechnikai erőforrásokhoz vagy a felhőhöz való vezetékes és vezeték nélküli csatlakozás megvalósításakor.

Régi berendezések csatlakoztatása az ipari dolgok internetére

Sok gyár az ipari dolgok internete (IIoT) és az Ipar 4.0 megjelenését megelőzően épült, és gyakran nem lehet az összes berendezést és gépet egyetlen hálózatba kapcsolni, így automatizálási szigetek jönnek létre. Még ha nem szigetszerűen elkülönültek is, a saját kommunikációs protokollok használatából, a nem szabványos csatlakozókból és kábelezésből, valamint egyéb tényezőkből eredő rugalmatlanság miatt nehézkes lehet a régi berendezések csatlakoztatása.

A Snap Signal IIoT átfedő hálózat gyors, rugalmas és költségtakarékos megoldást jelenthet a régi berendezések és az automatizálási szigetek csatlakoztatására azáltal, hogy fogadja a különféle nem kompatibilis adatkommunikációs protokollokat, és könnyen továbbítható szabványos adatokká alakítja át azokat, amelyek aztán elemzési és felhasználási céllal eljuttathatóak peremhálózati vagy felhőalapú számítástechnikai erőforrásokba (1. ábra).

1. ábra: A Snap Signal átfedő hálózat modulrendszerű felépítést kínál a régi berendezések és az automatizálási szigetek peremhálózati vagy felhőalapú számítástechnikai erőforrásokhoz csatlakoztatására (kép: Banner Engineering)

A rugalmas és megbízható IIoT átfedő hálózatok kiépítéséhez több kulcsfontosságú összetevőre van szükség:

• Adapterek a vezetékek átkötésére és a berendezésekhez tartozó érzékelők, kijelzők és egyéb eszközök különböző huzalozási megoldásainak az átfedő hálózatban használt szabványos formátumokkal való összekapcsolására.
• Adatátalakítók a régi berendezések és az automatizálási szigetek által használt, egymással és a rendszerrel nem kompatibilis diszkrét, analóg és különböző digitális formátumok szabványos protokollokra, például IO-Link vagy Modbus formátumra történő lefordítására a központi teljesítményfigyelés lehetővé tétele érdekében.
• Szűrők, amelyek megvédik az adatokat a sérülésektől a villamos zajjal teli ipari környezetben, javítják a jelek épségét és a megbízhatóságot, valamint csökkentik a hibakeresési követelményeket.
• Programozható vezérlőegység a több forrásból származó adatok egyesítésére és a helyi adatfeldolgozás lehetővé tételére, valamint annak a lehetőségnek a megteremtésére, hogy a régi berendezéseket és az automatizálási szigeteket az ipari dolgok internetéhez (IIoT) lehessen csatlakoztatni.
• Vezetékes vagy vezeték nélküli kapcsolat az összegyűjtött adatoknak a peremhálózati számítástechnikai erőforrásokba vagy a felhőbe továbbításához. Ilyen felhő például a Banner Cloud Data Service (CDS), amely adatmegjelenítést kínál, és betekintést nyújt a gép teljesítményébe, valamint lehetőséget ad figyelmeztetések e-mailben vagy SMS-ben történő küldésére, valós időben támogatva ezzel a gép üzemeltetését, karbantartását és javítását (2. ábra).

2. ábra: Az egyesített adatokat vezetékes vagy vezeték nélküli kapcsolaton keresztül lehet továbbítani peremhálózati számítástechnikai erőforrásokba vagy a felhőbe, mely utóbbira példa a Banner CDS (fenti képernyőkép) (kép: Banner Engineering)

Vezérlőegység több adatfolyam egyesítéséhez

A programozható vezérlőegység és az adatátalakítók az átfedő hálózat kialakításának kulcsfontosságú elemei. A Banner cég DXMR90 ipari vezérlőegysége központi kommunikációs csomópontként szolgál, amely egységes adatfolyammá egyesíti a több Modbus-portról érkező jeleket, és ezt az adatfolyamot ipari Ethernet-protokollok segítségével továbbítja. A DXMR90-X1 típusváltozat például négy fő Modbus-porttal van ellátva, és négy soros hálózattal való egyidejű kommunikációt tesz lehetővé (3. ábra).

3. ábra: A DXMR90 portjai közé tartozik a beállítható 0. Modbus-port (bal oldalon), a fő Modbus-portok (1–4, alul), a beállítható 0/PW Modbus-port RS-485 csatlakozáshoz és a bejövő áramellátás számára (jobbra fent), valamint egy D kódolású Ethernet-port (jobbra lent) (kép: Banner Engineering)

A DXMR90 egy nagy integráltsági fokú kommunikációs vezérlőegység, amely a következő jellemzőkkel rendelkezik:

• Képes együttműködni a Modbus-eszközök széles skálájával, és átalakítja a Modbus távoli terminál (RTU) jeleit Modbus TCP/IP-, Ethernet/IP- vagy Profinet-jelekké.
• Négy fő független Modbus-port, amelyekhez alárendelt (slave) eszközök csatlakoztathatók anélkül, hogy az eszközökhöz egyedileg kellene címeket rendelni.
• Helyi vezérlés és kapcsolódás a következőkhöz:
  • Modbus/TCP, Modbus RTU (távoli terminál), Ethernet/IP (ipari Ethernet-protokoll) és Profinet, automatizálási protokollok
  • Internetes protokollok (beleértve a RESTful API-t és az MQTT-t), valamint az AWS és mások webes szolgáltatásai
  • Közvetlen e-mailes figyelmeztetések
• Belső logikai vezérlőegység előre definiált műveleti szabályokkal, amely MicroPython vagy ScriptBasic nyelven is programozható.
• Az IP65, IP67 vagy IP68 védettségű ház egyszerűsíti az ipari környezetben történő használatot.
• Gyors állapotjelzés a felhasználó által programozható LED-ekkel.
• Az adatbázisokhoz, például a Banner CDS-hez való csatlakozáshoz használható Ethernet-kábel vagy valamilyen mobiltelefonos DXM-vezérlőegység.

Az eszközöket átalakítók kapcsolják az IIoT-hálózatokba

Ahhoz, hogy a régi berendezéseket és az automatizálási szigeteket egy átfedő hálózathoz lehessen csatlakoztatni, hatékony adatátalakításra van szükség. Ehhez a funkcióhoz a tervezők használhatják a Banner cég kis méretű, dugasszal csatlakoztatható, S15C sorozatú, sorosan beköthető átalakítóit, hogy a különböző formátumú állapotfigyelési és folyamatérzékelőktől kapott adatokat digitális IO-Link-adatokká alakítsák (4. ábra). Az S15C-MGN-KQ például egy Modbus-főegység és IO-Link-eszköz közötti átalakító, amelyet a felhasználó állíthat be maximum 60 regiszter olvasására és 15 regiszter írására, az előre definiált Modbus-regisztereket pedig automatikus IO-Link kapcsolaton át küldi.

4. ábra: Az S15C sorozatú, sorosan beköthető adatátalakítók különböző típusú jeleket, köztük diszkrét, analóg és egyéb jeleket képesek ipari protokolloknak megfelelő jelekké átalakítani, amilyen például a Modbus, az IO-Link, a PWM és a PFM (kép: Banner Engineering)

Az S15C átalakítók 15 mm átmérőjűek, IP68 védettségűek, kiöntött házzal és M12-es csatlakozóval vannak ellátva, és ugyanazt a tápegységet használják, mint a csatlakoztatott eszköz. Az S15C átalakítók használatával kivédhető az IO-Link-kommunikáció 20 m-es korlátozása, mert a Modbus-kapcsolat végére, az IO-Link-főegység közelébe telepíthetők.

Az S15C átalakító termékcsalád nyolc változatból áll:

• Hat Modbus–IO-Link-átalakító a Banner Modbus-érzékelőivel való használatra, beleértve az ultrahangos, a mérési fényfüggönyhöz való, a hőmérséklet/páratartalom-, a rezgés/hőmérséklet- és a GPS-érzékelőket. Ezenkívül van egy általános átalakító, amely olyan beállításokat tesz lehetővé, hogy a legtöbb Modbus-eszközt IO-Link-eszközként lehessen használni.
• Két analóg érzékelős változat, amelyek 0–10 V egyenfeszültségű vagy 4–20 mA áramerősségű jeleket alakítanak át digitális értékké, és IO-Link-adatként továbbítják azokat.

A hálózatot kábeladapterek és szűrők teszik teljessé

A tervezőknek a vezérlőegység és az adatátalakítók mellett kábeladapterekre és zajszűrőkre is szükségük van a rugalmas és költségtakarékos átfedő hálózatok gyors kiépítéséhez. A vezetékbe beköthető kábeladapterek, amilyen például a Banner S15A-F14325-M14325-Q, közvetlenül csatlakoznak az érzékelőhöz, kijelzőhöz vagy más eszközhöz, hogy a vezetékeket az egyedi felhasználási igényeknek megfelelően átkössék, és a jeleket elkülönítsék (5. ábra). Ezek a kábeladapterek szabványos és egyedi változatokban is kaphatóak.

5. ábra: Az S15A adapterek, amilyen például az S15A-F14325-M14325-Q, az egyszerű beépíthetőség érdekében M12-es csatlakozót használnak, a vezetékeket pedig az egyedi felhasználási követelményeknek megfelelően lehet velük átkötni (kép: Banner Engineering)

Az S15F-L-4000-Q-hoz hasonló, sorosan beköthető S15F szűrők szintén fontos elemei az átfedő hálózatoknak (6. ábra). Ezek a szűrők könnyen tudják kezelni a villamos zajjal és a tranziensfeszültségekkel kapcsolatos problémákat, amelyek károsan befolyásolnák a hálózat teljesítményét. Az S15A adapterekhez és az S15C átalakítókhoz hasonlóan ezek a szűrők is M12-es csatlakozókkal vannak ellátva, és IP65, IP67 vagy IP68 védettségű kiöntött házban vannak elhelyezve. A sorosan beköthető S15F szűrők használata jobb jelépséget és kevesebb hálózati hibakeresést eredményezhet.

6. ábra: Az S15F-L-4000-Q típushoz hasonló, sorosan beköthető S15F szűrők könnyen használhatók az eszközök villamos zajoktól és tranziensektől való védelmére, és M12-es csatlakozójuknak köszönhetően könnyen beépíthetők a hálózat bármely pontjára (kép: Banner Engineering)

Snap Signal-hálózat tervezése és kiépítése

A Snap Signal átfedő hálózat tervezése és kiépítése a figyelni kívánt adatforrások meghatározásával kezdődik. Ezután azt kell eldönteni, hogy a meglévő eszközök kiegészítéseként szükség van-e új érzékelők vagy kijelzők beépítésére. A Snap Signal-hálózat tervezésének lépései a következők:

• Használja a Banner rendszerábrás megközelítését az adott kiépítéshez szükséges Snap Signal-összetevők azonosításához és kiválasztásához.
• Tervezze meg az optimális huzalozási útvonalat, beleértve a T-csatlakozók és szűrők elhelyezését is a figyelni kívánt eszközök és a DXMR90 vezérlőegység között.
• Határozza meg, hogy a kiépítéshez szükség lesz-e vezetékes Ethernet-kapcsolatra a helyi adatforgalomhoz, vagy valamilyen peremhálózati átjáróra a felhőplatformhoz való vezeték nélküli csatlakozáshoz.

A Snap Signal egy valódi átfedő hálózat, és nem igényli semmilyen meglévő hardver cseréjét. A modulrendszerű Plug and Play Snap Signal-architektúra megkönnyíti a kiépítést:

• Szereljen fel és építsen be új érzékelőket vagy egyéb eszközöket, és használjon elosztókábeleket minden figyelni kívánt eszköznél, hogy fennmaradjon a gép kezelőszerveivel meglévő kapcsolat, ugyanakkor egy második útvonalat is létrehozzon az átfedő hálózathoz kapcsolódás végett.
• Szerelje fel a megfelelő, sorosan beköthető jelátalakítókat.
• Ha szükség van rájuk a hálózat kiépítéséhez és a DXMR90 vezérlőegységhez való csatlakozáshoz, használjon T-csatlakozókat, szűrőket és további hálózati vezetékeket.
• A DXMR90 vezérlőegység programozásával alakítson ki egyéni érzékelési és vezérlési sorrendeket a ScriptBasic vagy a MicroPython programnyelvet használva vagy a beágyazott műveleti szabályok segítségével.
• Csatlakoztassa a DXMR90 vezérlőegységet a peremhálózati számítástechnikai erőforrásokhoz az Ethernet-kapcsolat vagy a számítási felhőhöz valamilyen mobiltelefonos DXM-vezérlőegység segítségével.

Összegzés

Az IIoT átfedő hálózatok képesek támogatni a tervezők azon igényeit, hogy a régi berendezéseket és az automatizálási szigeteket bekapcsolják az ipari hálózatokba, lehetővé téve a meglévő gyárakban a hasznosítható adatok gyűjtését a termelékenység növelése érdekében. Egy ilyen átfedő hálózat tervezése és megvalósítása bonyolult, de mint látható, a Banner Engineering cég topológiája és Snap Signal termékcsaládja segítségével nagymértékben leegyszerűsíthető. A termékcsaládnak része a DXMR90 ipari vezérlőegység, valamint az adatátalakítók, kábeladapterek, szűrők és egyéb olyan elemek, amelyek az IIoT átfedő hálózat kialakításához és az adatoknak a peremhálózati számítástechnikai erőforrásokba vagy a felhőbe történő eljuttatásához szükségesek. A Snap Signal hálózati architektúra programozható, modulrendszerű és rugalmas felépítése lehetővé teszi új eszközök hozzáadását, és időtállóvá teszi a kiépített rendszert.

Ajánlott olvasnivaló

1. IoT Security Fundamentals—Part 5: Connecting Securely to IoT Cloud Services (A dolgok internete (IoT) – biztonsági alapismeretek, 5. rész: Biztonságos csatlakozás az IoT-felhőszolgáltatásokhoz)