Miten suunnitella modulaarinen päällysverkko IIoT:n optimoitua Teollisuus 4.0 -tietojenkäsittelyä varten

Tietojenkäsittelyn optimointi Teollisuus 4.0:ssa samoin kuin lean-valmistuksen tukeminen teollisen esineiden internetin (IIoT) järjestelmissä voidaan toteuttaa kunnonvalvonnan, ennakoivan kunnossapidon, laitteiden kokonaistehokkuusanalyysin (OEE) ja -seurannan, diagnostiikan ja vianmäärityksen avulla. Monissa tapauksissa ongelmana on, että käytössä olevia laitteita ei ole suunniteltu liitettäviksi verkkoon tai ne saattavat lukuisia erilaisia viestintäprotokollia. Niiden kaikkien korvaaminen on kallista. Haluttaessa maksimoida tehokkuus ja haluttaessa toimintakelpoisia konetietoja monissa tapauksissa on yksinkertaisempaa ja kustannustehokkaampaa toteuttaa päällysverkko, joka voi yhdistää nykyiset automaatiosaarekkeet ja käytössä olevat laitteet.

Tällaisen päällysverkon suunnittelu on haastava tehtävä. Se edellyttää ohjainta, joka voi vastaanottaa signaaleja antureilta ja muilta lukuisia erilaisia viestintäprotokollia käyttäviltä laitteilta, yhdistää nämä signaalit yhtenäiseksi käyttökelpoisen datavirraksi ja lähettää nämä tiedot reunalaskentaresursseihin tai pilvipalveluun. Järjestelmä tarvitsee adaptereita, jotka voidaan liittää suoraan antureihin, indikaattoreihin ja muihin laitteisiin. Muuntimia tarvitaan yhdistettäessä aiemmin yhteensopimattomien laitetyyppejä verkkoon, käytössä olevat laitteet mukaan lukien.

Lisäksi toiminnan luotettavuus edellyttää suodattimia, jotka suojaavat tiedonsiirtoa sähköiseltä kohinalta ja transienteilta. Kaikkien näiden komponenttien on täytettävä IP65-, IP67- ja IP68-ympäristöstandardit, jotta niitä voitaisiin käyttää teollisuusympäristöissä. Ratkaisun täytyy myös olla helppo ja kustannustehokas toteuttaa.

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti ongelmia, joita liittyy käytössä olevien laitteiden liittämiseen IIoT-verkkoon. Sen jälkeen artikkelissa esitellään Banner Engineeringin Snap Signal -laitteisto- ja ohjelmistotyökaluperheen arkkitehtuuri ja se, miten se vastaa näihin haasteisiin. Artikkelissa esitellään esimerkkejä Snap Signal -laitteista, mukaan lukien DXMR90-ohjain, sekä siihen liittyvät muuntimet, sovittimet ja suodattimet, sekä sovellusnäkökohtia toteutettaessa langallista ja langatonta reunalaskentaa tai pilviyhteyttä.

Käytössä olevien laitteiden liittäminen IIoT-verkkoon

Monet tehtaat ovat vanhempia kuin IIoT ja Teollisuus 4.0, eikä kaikkia laitteita ja koneita ole useinkaan mahdollista liittää yhteen verkkoon. Tämä synnyttää automaatiosaarekkeita. Vaikka käytettävät laitteet eivät muodostaisikaan erillisiä "saarekkeita", niitä voi olla vaikea liittää toisiinsa, koska ne ovat joustamattomia. Tämä johtuu muun muassa valmistajakohtaisten tietoliikenneprotokollien käytöstä, epätavallisista liittimistä ja kaapeloinnista jne.

Snap Signal IIoT-päällysverkko tarjoaa nopean, joustavan ja kustannustehokkaan tavan liittää käytössä olevat laitteet ja automaatiosaarekkeet toisiinsa lukemalla ja muuntamalla erilaiset ei-yhteensopivat tiedonsiirtoprotokollat helposti käytettäväksi standardimuodoksi, joka voidaan lähettää reuna- tai pilvipalveluresursseihin analysoitavaksi ja käytettäväksi (kuva 1).

Kuva 1: Snap Signal -päällysverkko tarjoaa modulaarisen arkkitehtuurin käytössä olevien laitteiden ja automaatiosaarekkeiden yhdistämiseksi reunan tai pilven laskentaresursseihin. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Joustavien ja luotettavien IIoT-päällysverkkojen käyttöönottoon tarvitaan useita keskeisiä komponentteja:

• Adapterit, joiden avulla johdotus voidaan reitittää uudelleen ja yhdistää anturien, ilmaisimien ja muiden laitteiden erilaiset johdotusratkaisut päällysverkossa käytettävään standardimuotoon.
• Datamuuntimet, joilla muunnetaan epäyhteensopivia formaatteja (kuten käytössä olevien laitteiden tai automaatiosaarekkeiden diskreettejä, analogisia ja erilaisia digitaalisia formaatteja) standardiprotokollaksi, kuten IO-Link tai Modbus. Tämä mahdollistaa keskitetyn suorituskyvyn seurannan.
• Suodattimet, jotka suojaavat dataa häiriöiltä sähköisesti meluisissa teollisuusympäristöissä, parantavat signaalin eheyttä ja luotettavuutta sekä vähentävät tarvetta vianetsinnälle.
• Ohjelmoitava ohjain, joka yhdistää useista lähteistä tulevan tiedon ja tarjoaa datan käsittelyn paikallisesti ja johon käytössä olevat laitteet ja automaatiosaarekkeet voidaan yhdistää niiden integroimiseksi IIoT-verkkoon.
• Langallinen tai langaton yhteys, jonka avulla kerätty data voidaan lähettää reunalaskentaresursseihin ja/tai pilvipalveluun, esimerkkinä Bannerin Cloud Data Service (CDS) -palvelu, joka tarjoaa datan visualisoinnin ja auttaa ymmärtämään koneen suorituskykyä. Palvelu tarjoaa myös sähköposti- tai tekstihälytysten lähettämisen ja tukee näin koneen käyttöä, huoltoa ja korjauksia reaaliajassa (kuva 2).

Kuva 2: Yhdistetty data voidaan lähettää langallisen tai langattoman yhteyden kautta reunan laskentaresursseihin tai pilveen, esimerkkinä Bannerin CDS (katso ylhäällä oleva kuvakaappaus). (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Ohjain yhdistää useita tietovirtoja

Ohjelmoitava ohjain ja datamuuntimet ovat keskeisiä elementtejä päällysverkon suunnittelussa. Bannerin DXMR90-teollisuusohjain toimii keskitettynä tiedonsiirtokeskuksena, joka yhdistää useiden Modbus-porttien signaalit yhtenäiseksi tietovirraksi, joka välitetään eteenpäin käyttäen Ethernet-teollisuusprotokollaa. Esimerkiksi DXMR90-X1-malli tarjoaa neljä Modbus-masteria ja tukee samanaikaista kommunikointia jopa neljässä sarjamuotoisessa verkossa (kuva 3).

Kuva 3: DXMR90-ohjaimen portteihin kuuluvat konfiguroitava Modbus-portti 0 (vasemmalla puolella), Modbus-master-portit (1–4 alhaalla), konfiguroitava Modbus-portti 0/PW RS-485-yhteyttä varten sekä tulojännite (ylhäällä oikealla) ja D-muotoinen Ethernet-portti (alhaalla oikealla). (Kuvan lähde: Banner Engineering)

DXMR90 on pitkälle integroitu tietoliikenneohjain, joka tarjoaa seuraavat ominaisuudet:

• Mahdollisuus käyttää erilaisia Modbus-laitteita ja Modbus RTU-protokollan muuttaminen Modbus TCP/IP-, Ethernet I/P- tai Profinet-muotoon.
• Neljä toisistaan riippumatonta Modbus-master-porttia, joihin voidaan yhdistää slave-laitteita ilman laiteosoitteen manuaalista määritystä.
• Paikallinen ohjaus ja liitettävyys:
  • Modbus/TCP, Modbus RTU, Ethernet/IP sekä Profinet, automaatioprotokollat
  • Internetprotokollat, mukaan lukien RESTful API ja MQTT sekä AWS-verkkopalvelut jne.
  • Suorat sähköpostihälytykset
• Sisäinen logiikkaohjain ennalta määritetyillä toimintasäännöillä, voidaan myös ohjelmoida käyttäen MicroPythonia tai ScriptBasicia.
• IP65-, IP67- ja IP68-luokituksen kotelo yksinkertaistaa käyttöönottoa teollisuusympäristöissä.
• Nopeat tilailmoitukset käyttäjän ohjelmoitavilla ledeillä.
• Ohjain voi langallista Ethernet-kaapelia tai matkapuhelinverkon DXM-ohjainta käyttämällä muodostaa yhteyden sellaisiin tietokantoihin kuten Bannerin CDS.

Muuntimet yhdistävät laitteet IIoT-verkkoon

Käytössä olevien laitteiden ja automaatiosaarekkeiden sulauttaminen päällysverkkoon vaatii tehokasta datakonversiota. Suunnittelijat voivat käyttää tähän Bannerin pieniä S15C-sarjan in-line-muuntimia, jotka muuntavat kunnonvalvonta- ja prosessianturitiedot eri formaateista digitaalisiksi IO-Link-tiedoiksi (kuva 4). Esimerkiksi S15C-MGN-KQ on muunnin Modbus-masterista IO-Link-muotoon. Käyttäjä voi konfiguroida sen lukemaan jopa 60 rekisteriä ja kirjoittamaan jopa 15 rekisteriin. Laite tarjoaa valmiiksi määritetyt Modbus-rekisterit, jotka lähetetään automaattisesti IO-Link-protokollan kautta.

Kuva 4: S15C-sarjan in-line-datamuuntimet voivat muuntaa erityyppisiä signaaleja, kuten diskreettejä, analogisia ja muita signaaleja sellaisiin teollisuusprotokolliin kuten Modbus, IO-Link, PWM ja PFM. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

S15C-muuntimet ovat halkaisijaltaan 15 millimetriä (mm) ja ne käyttävät valettua IP68-koteloa ja M12-liitäntää. Ne myös käyttävät samaa virtalähdettä kuin niihin liitetty laite. S15C-muuntimien käyttö poistaa 20 metrin (m) IO-Link-tiedonsiirtorajoituksen, koska ne voidaan asentaa Modbus-yhteyden päähän, lähelle IO-Link-masteria.

S15C-muuntimet sisältävät kahdeksan eri mallia:

• Kuusi muunninta Modbus-muodosta IO-Link-muotoon. Näitä voidaan käyttää Bannerin Modbus-anturien kanssa, mukaan lukien ultraääni, valoverhon mittaus, lämpötila/kosteus, tärinä/lämpötila ja GPS. Lisäksi sarjaan kuuluu geneerinen konfiguroitava muunnin, jonka avulla useimpia Modbus-laitteita voidaan käyttää IO-Link-laitteina.
• Kaksi analogista anturimallia, jotka muuntavat 0–10 DC-voltin tai 4–20 milliampeerin (mA) signaalit vastaaviksi digitaalisiksi arvoiksi ja lähettävät ne IO-Link-datana.

Kytkentäadapterit ja suodattimet täydentävät verkon

Suunnittelijat tarvitsevat ohjaimen ja datamuuntimien lisäksi kytkentäadaptereja ja kohinasuodattimia, jotta joustavat ja kustannustehokkaat päällysverkot voidaan ottaa nopeasti käyttöön. Sellaiset in-line-kytkentäadapterit kuten Bannerin S15A-F14325-M14325-Q voidaan kytkeä suoraan anturiin, indikaattoriin tai muuhun laitteeseen. Tämä järjestää johdot haluttuun muotoon ja erottaa tarvittaessa signaalit sovelluksen vaatimusten mukaan (kuva 5). Näitä kytkentäadaptereja on saatavana sekä vakiomallisina että räätälöitävinä konfiguraatioina.

Kuva 5: S15A-adapterit, esimerkkinä S15A-F14325-M14325-Q, käyttävät M12-liitäntää, mikä helpottaa asennusta ja joka voi tarvittaessa järjestää johdot haluttuun muotoon sovelluksen vaatimusten mukaan. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Myös S15F-in-line-suodattimet, kuten S15F-L-4000-Q, ovat tärkeitä tekijöitä päällysverkossa (kuva 6). Niillä voidaan helposti ratkaista sähköiseen kohinaan ja transienttijännitteisiin liittyvät haasteet, jotka voivat heikentää verkon suorituskykyä. Samoin kuin S15A-sovittimet ja S15C-muuntimet, myös nämä suodattimet käyttävät M12-liitäntää ja valettua liitinratkaisua, joka täyttää IP65-, IP67- ja IP68-standardit. S15F-in-line-suodattimen asentaminen voi parantaa signaalin eheyttä ja vähentää tarvetta etsiä vikoja verkosta.

Kuva 6: S15F-L-4000-Q:n kaltaisia S15F-in-line-suodattimia voidaan helposti käyttää suojaamaan laitteita sähköhäiriöiltä ja transienteilta, ja niiden M12-liitäntä tarjoaa helpon asennuksen kaikkialle verkkoon. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Snap Signal -verkon suunnittelu ja käyttöönotto

Snap Signal -päällysverkon suunnittelu ja käyttöönotto alkaa seurattavien tietolähteiden määrittämisellä. Tämän jälkeen on määriteltävä, pitäisikö olemassa olevia laitteisiin lisätä uusilla antureita tai indikaattoreita. Snap Signal -verkon suunnitteluvaiheet:

• Bannerin järjestelmäkaavio-lähestymistavan käyttäminen haluttuun asennuskohteeseen tarvittavien Snap Signal -komponenttien tunnistamiseksi ja valitsemiseksi.
• Optimaalisen johdotusreitin suunnittelu, mukaan lukien T-liittimien ja suodattimien sijoittaminen valvottavien laitteiden ja DXMR90-ohjaimen välille.
• Määritä, tarvitaanko asennuskohteessa langallista Ethernet-yhteyttä paikalliseen datanvälitykseen vai käytetäänkö reunayhdyskäytävää langattoman yhteyden muodostamiseksi pilvialustaan.

Snap Signal on aito päällysverkko, eikä se vaadi käytössä olevien laitteiden korvaamista toisilla. Modulaarinen Snap Signal plug-and-play-arkkitehtuuri tekee asennuksesta helppoa:

• Asenna uudet anturit tai muut laitteet. Lisää jakokaapelit jokaiseen seurattavaan laitteeseen muuttamatta nykyistä koneen ohjaukseen käytettävää yhteyttä. Tämä muodostaa toisen reitin päällysverkkoon.
• Asenna tarvittavat in-line-signaalimuuntimet.
• Lisää tarvittaessa T-liittimet, suodattimet ja muu verkon johdotus verkon täydentämiseksi sekä kytke DXMR90-ohjain siihen.
• Ohjelmoi DXMR90 luoden räätälöidyt mittaus- ja ohjaussekvenssit käyttäen ScriptBasic- tai MicroPython-ohjelmointia ja/tai sulautettuja toimintasääntöjä.
• Yhdistä DXMR90 reunalaskentaresursseihin käyttäen Ethernet-yhteyttä tai pilvipalveluihin käyttäen matkapuhelinverkon DXM-ohjainta.

Yhteenveto

IIoT-päällysverkot auttavat suunnittelijoita yhdistämään käytössä olevat laitteet ja automaatiosaarekkeet teollisuusverkkoihin. Tämä mahdollistaa toimintakelpoisen datan keräämisen ja tuottavuuden parantamisen nykyisissä tehtaissa. Tällaisen päällysverkon suunnittelu ja toteutus on kompleksista, mutta kuten artikkelissa näytetään, sitä voidaan yksinkertaistaa huomattavasti käyttämällä Banner Engineeringin topologiaa ja Snap Signal -tuotelinjaa. Tuotevalikoimaan kuuluu DXMR90-teollisuusohjain, datamuuntimia, kytkentäadaptereja, suodattimia ja muita komponentteja, joita tarvitaan IIoT-päällysverkon toteuttamiseen ja sen jakamiseen reunalaskentaresursseihin tai pilveen. Snap Signal -verkkoarkkitehtuurin ohjelmoitava, modulaarinen ja joustava rakenne tukee uusien laitteiden lisäämistä ja varmistaa asennuksen toimivuuden tulevaisuudessakin.

Suositeltavaa luettavaa

1. IoT-tietoturvan perusteet - osa 5: Turvallinen yhteyden muodostaminen IoT-pilvipalveluihin