EUR | USD

Koneiden väliset verkot tuottavat automaattisia toimintoja

Kirjoittaja Lisa Eitel

Julkaisija Digi-Keyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa

Laitteiden väliset M2M-viestintäverkot ovat pohjimmiltaan muunnos teollisesta telematiikasta – yhdistelmä tietoliikennettä ja informatiikkaa, joka suorittaa automaattisia toimintoja datan perusteella. M2M-verkkoihin kuuluu antureita, ohjainlaitteita sekä laitteita, jotka voivat viestiä keskenään ilman ihmisen ohjausta. Tällaisilla verkoilla yhdistetyt laitteet voivat sijaita samassa laitoksessa tai tuhansien kilometrien päässä toisistaan.

M2M-toimintojen pohjana toimii sekä langallinen että langaton viestintä. Laitteet lähettävät ja keräävät tietoa, joka mahdollistaa toiminnan arvioinnin ja säätämisen reaaliajassa. Esimerkiksi jätevedenkäsittelylaitoksella saatetaan käyttää keskeisillä paikoilla etäantureita keräämään dataa nestetasoista, kemikaalien suhteista, lämpötiloista, virtausnopeuksista ja muista parametreista. Tämän jälkeen data lähetetään langattoman verkon kautta alustalle, josta älykkäät ohjaustoiminnot noutavat sen. Kun muuttuvia parametreja valvomaan ja niihin reagoimaan tarvitaan ihminen, sovelluskohtaista ohjelmistoa ajava käyttöliittymä (HMI) saattaa esittää järjestelmän arvot digitaalisessa ohjausnäkymässä. Joissakin tapauksissa perifeeriset koneet vastaanottavat signaaleja muilta koneilta M2M-verkossa olevien ohjaimien välityksellä. Näin laitteet voivat toimia rinnakkain ennalta asetetun sääntöpohjaisen ohjelmoinnin mukaisesti.

Kuvassa Multi-Tech QuickCarrierin USB-D- mobiili käyttöavainKuva 1: QuickCarrierin USB-D- mobiili käyttöavain tukee luotettavaa datayhteyttä vaativia M2M-asennuksia. Se tarjoaa myös nopean mobiiliyhteyden, jotta fyysisiä asioita voidaan viestiä digitaalisesti. (Kuvan lähde: Multi-Tech Systems Inc.)

M2M-verkon ja esineiden internetin (IoT) välinen ero

Automatisoitujen laitteiden suhteellisen tuore kyky käynnistää ja säännellä korkeamman tason toimintoja perustuu sekä M2M- että IoT-teknologioihin. Digi-Keyn artikkelissa ”Erot IoT- ja M2M-kommunikoinnissa ja niiden suunnittelussa” esitetään tarkempi kuvaus näiden järjestelmien eroista.

  • M2M-teknologiat ovat erinomaisia yksittäisten (jossain määrin eristettyjen) toimintojen valvontaan ja ohjaukseen. Se tehdään yhä useammin käyttäen mobiiliverkkoja sulautettujen laitteiden avulla. Monet M2M-toteutukset ovat paikallisia asennuksia, joissa käytetään yhtä tai kahta tietolähdettä: esimerkiksi kuluttajatason M2M-laitteistoon voi sisältyä termostaatti ja kamera, jotka lähettävät jatkuvasti dataa puettavaan laitteeseen tai älypuhelimeen – mahdollisesti siksi, että ihminen voi tehdä datan perusteella muutoksia. Ainoat datapisteet ovat nämä tunnistuslaitteet.
  • IoT:hen taas liittyy täysin verkkoon liitettyjen asennusten täysi integrointi (mihin yleensä liittyy koneiden ohjausta sekä palautetietoa), jolla tuetaan monimutkaisten järjestelmien, tietolähteiden tai pitkälle automatisoitujen koneiden yhteistoimintaa. Samanlainen kuluttajatason kokoonpano, joka siirtää termostaatin ja kameran tietoja älypuhelimeen, käyttäisi IoT-toiminnallisuutena näiden laitteiden datapisteitä (M2M-asennuksen tapaan) sekä lisädataa internetistä, kuten paikallisia sääennusteita, joukkoistettua dataa naapurustosta, asiantuntijoiden analyyseja sekä koneoppimisen tietokantoja, joiden perusteella se ilmoittaisi vasteesta ihmisoperaattorille tai jollekin liitetylle automaation tyypille.

Teollisissa ympäristöissä tällainen IoT-toiminnallisuus tukee myös ennakoivaa huoltoa sekä big datan käyttöä yritystason toiminnoissa. Jokin keskitetty järjestelmä kerää yleensä osittain tai täysin suodatettua koneiden automaatio- ja palautetietoa. Tämän jälkeen järjestelmän analytiikka generoi valmiit parametrit lisäseurantaa, sääntelyä tai säätöjä varten. Yhä useammat laitokset käyttävät big dataa (toisinaan yhdessä koneoppimisen kanssa) hallinnoimaan sekä normaalia toimintaa että vaikeita toimenpiteitä, joissa vaaditaan kunnossapitoa tai muita toimia. Esimerkiksi modernit kaasuputkistot lähettävät tietoa etäpumppausasemista keskustietokantaan, joista henkilökunta voi käyttää niitä ohjauskeskuksen kautta – toisinaan jopa täysin eri mantereelta.

M2M-toimintoja tukevat laitteistotyypit

Anturit, aktuaattorit ja sulautettu logiikka ovat tärkeimpiä M2M:ää tukevia laitteita. Komponenttien valmistajat toimittavat anturit ja aktuaattorit yleensä varustettuna sisäänrakennetuilla M2M-yhteyksillä. OEM-valmistajat sen sijaan integroivat sulautettuja M2M-moduuleita omiin laitteisiinsa suorittamaan tiettyjä tehtäviä ja toimintoja – yleensä lisäämään mobiili- ja muita yhteyksiä laitteisiin, jotka ovat aiemmin toimineet erillään. Tällaiset sulautetut M2M-järjestelmät ovat erityisen hyödyllisiä kuljetus- ja ilmailuteollisuudessa, erityisesti laivoissa, ilma-aluksissa ja pitkän matkan kuorma-autoissa käytettävissä GPS-navigointijärjestelmissä, lukituksissa, tallentimissa sekä antureissa.

Kuva sulautetusta Digi XBee Cellular LTE Cat 1 -modeemistaKuva 2: Sulautetut järjestelmät sisältävät mikropiirejä datan lähettämiseen, vastaanottamiseen ja käsittelyyn. Tämä sulautettu XBee Cellular LTE Cat 1 -modeemi on tarkoitettu OEM-valmistajille sulautettavaksi mobiiliyhteyksiä tarvitseviin laitteisiin. (Kuvan lähde: Digi)

M2M-ohjelmisto: M2M-asennukseen käytettävä ohjelmistoalusta riippuu koneen liikkuvuudesta, sen ympäristöstä sekä käsiteltävän datan määrästä ja tyypistä. Jos M2M-ohjelmisto hyödyntää pilvilaskentaa, sen laitteisto muodostaa tiedonsiirtoyhteyden etäpalvelimeen. Palvelimella pyörivä ohjelmisto lähettää tiedot ylläpitäjille, jotka käsittelevät dataa ja toimivat sen perusteella. Joissakin tapauksissa M2M-verkkoja tukeva ohjelmisto sisältää graafisen käyttöliittymän (GUI). Käyttöliittymien kautta henkilöstö voi käyttää suodatettua järjestelmädataa graafisten kaavioiden ja videoiden kautta monimutkaisten ja mahdollisesti harhaanjohtavien tekstikäyttöliittymien sijaan.

Missä M2M-verkoista on hyötyä

Keskitetyt sovellukset diagnostiikkaa ja huoltoa varten: M2M-verkot tukevat diagnostiikkaa ja huoltoa, koneiden optimointia sekä sovelluskohtaista ohjausta. Koska M2M-verkot lähettävät ja vastaanottavat dataa jatkuvasti, ne sopivat erillislaitteiden huoltoaikataulujen optimoimiseen – sekä sen ilmaisemiseen, milloin ylimääräinen huolto on tarpeen. Yhdistetyn laitteen anturit voivat lähettää dataa ohjelmiston kautta pilveen ja kerätä datan toiselle laitteelle, minkä jälkeen ne voivat tuottaa tietoja laitteiston tai järjestelmän huollosta. Esimerkiksi poikkeuksellinen lämpötila voi ilmaista, että akseli tarvitsee voitelua, tai se voi indikoida mekaanista kulumaa, jolloin osia on vaihdettava.

Lentokenttien julkisissa tiloissa ja takahuoneissa M2M-verkot keräävät tietoa liukuportaiden, kuljettimien ja matkatavaroiden käsittelyjärjestelmien lämpötiloista, tärinöistä ja vaihdemoottorien voiteluainetasoista. M2M-verkot käyttävät myös lentokenttien juomaveden jakelupisteissä sijaitsevia antureita veden virtauksen, lämpötilan, luukkujen avaamisen ja sulkemisen sekä jopa mahdollisten vesivuotojen tarkkailemiseen.

Koneen tilan graafinen esitys: Yksinkertaisimmat M2M:ään perustuvat tilailmaisimet ovat merkkivaloja ja digitaalisia mittareita. Mutta kuten olemme aiemmin maininneet, sofistikoidummat M2M-järjestelmät tukevat graafisia käyttöliittymiä, joilla koneen tila voidaan kuvata helposti ymmärrettävässä muodossa. Joissakin tapauksissa nämä tiedot esitetään myös koneessa tai laitteessa joko pienellä näytöllä tai täysimittaisena käyttöliittymänä. Graafinen näyttö voi sijaita myös eri paikassa.

Asetusten muuttaminen etänä: M2M-verkon keräämä järjestelmän palautetieto vaikuttaa usein etänä käynnistettäviin työnkulkuihin sekä resurssivarauksiin. Palataan esimerkkiin lentokentästä: M2M-verkosta saatavan datan analysoinnin avulla johto voi lähettää asentajan puuttumaan laitteiston ongelmiin jo ennen kuin siivooja tai matkustaja havaitsee ongelman ja raportoi siitä.

M2M:n fyysiset verkkoyhteydet ja linkit

Kuten olemme todenneet, M2M-tiedonsiirto voi käyttää sekä langattomia että langallisia yhteyksiä. Yksinkertaisimmissa laitteissa johdinpermutaatiot sisältävät tiedonsiirron sähkölinjoja pitkin (käyttäen samoja johtimia kuin verkkovirran siirtämiseen) sekä sarjatiedonsiirron (yksi bitti kerrallaan teollisuusstandardin mukaisissa sekvensseissä). Edistyneemmissä M2M-asennuskohteissa voidaan käyttää lähiverkkoja (LAN) tai – hajautettujen ja skaalautuvien M2M-toteutusten tapauksessa – laajaverkkoja (WAN), joiden avulla voidaan viestiä ja siirtää dataa pidempiä matkoja. Aiemmin esitellyt sulautetut M2M-alikomponentit käyttävät WAN- ja LAN-verkkoja ja voivat toimia joko järjestelmien sisäisinä tai järjestelmien välisinä elementteinä.

Järjestelmien sisäinen tiedonsiirto tehdään ohjainalueverkko- (CAN) ja sarjalaiterajapinta (SPI) -protokollien kautta, joita laitteet käyttävät siirtääkseen tietoa toisilleen. Sen sijaan järjestelmien välisessä tiedonsiirrossa käytetään USB-väylää tai USART-piiriä (universaali synkroninen/asynkroninen lähetin-vastaanotin), jolla voidaan kommunikoida tietokoneen sarjaväylän kautta ja tieto voi siirtyä laitteen mikropiirien välillä.

Koneiden ja laitteiden välinen tiedonsiirto voidaan luonnollisesti järjestää myös muuten. Kahden pisteen väliset yhteydet (toisin kuin yleislähetysyhteydet) tukevat yleisesti M2M-toimintoja laitteistojen sisällä. M2M-yhteyksiä tukevat myös etäpäätteet (RTU), joita myydään tyypillisesti elektronisina mikroprosessorimoduuleina SCADA-toimintoja (valvonta, ohjaus ja datan tallennus) varten. Ne toimivat välilaitteina, jotka

  • lähettävät datan telemetriamuodossa (kerätty kenttälaitteilta) keskusjärjestelmään ja
  • tuottavat vastauskomennot takaisin kenttälaitteille.

Langattomat M2M-tiedonsiirtomuodot: Langattomaan M2M-viestintään on tarjolla runsaasti vaihtoehtoja – Bluetooth-, Wi-Fi- ja GSM-teknologiat sekä GSM-, CMDA- ja LTE-mobiiliverkot. Langattomat verkot ovat kompakteja ja käteviä, ja kasvussa olevat infrastruktuurin standardit kuten LTE ja 5G lisäävät mobiiliverkkojen käyttöä M2M-toiminnallisuuteen.

M2M-toimintoihin käytetyt sovellustason protokollat

M2M-tiedonsiirto tapahtuu pääasiallisesti teollisuusverkkojen sovellustasolla, eli järjestelmän ja käyttäjien rajapinnassa, mikä mahdollistaa tiedonsiirron laitteiden ja säätimien välillä. Näiden ohjelmistojen ja verkkopalveluiden ohjelmointia helpottamaan on tarjolla runsaasti erilaisia ohjelmistorajapintoja (API).

Kuva erilaisista verkkoprotokollista järjestettynä OSI-standardin taksonomian mukaisestiKuva 3: Verkkojen konseptimalleja on runsaasti. Tässä esitetään erilaisia verkkoprotokollia järjestettynä tunnetuimman mallin, vuonna 1984 laaditun Open Systems Interconnection (OSI) -standardin taksonomian mukaisesti. (Kuvan lähde: Design World)

M2M-toimintoihin usein käytettyihin protokolliin lukeutuu sovellustason hypertekstiprotokolla (HTTP), jolla määritetään viestien rakenne verkkoselainten ja palvelinten välillä. HTTP liitetään yleensä hyperlinkkeihin ja muuhun rakenteeseen, jota se tarjoaa WWW:hen. Sen toiminta M2M-sovelluksissa on samankaltainen, sillä selaimet toimivat asiakassovelluksina, jotka pyytävät tietoa sovelluksen toimittavilta palvelimilta.

M2M-yhteyksissä käytetään myös MQTT-protokollaa (message queue telemetry transport). Se on TCP/IP-pohjainen viestintäprotokolla, joka soveltuu kevyeen M2M-tiedonsiirtoon. Joissakin kokoonpanoissa useat asiakaskoneet vaihtavat tietoa MQTT:n välityksellä. Näitä välitystoimintoja suorittaa vastaanotin, yhdyskäytävä tai palvelin. Välittäjä hyväksyy viestit, jotka asiakaskoneet julkaisevat, ja vastaavasti asiakaskoneet voivat vastaanottaa tilaamansa viestit.

Toinen M2M-toiminnoissa käytetty protokolla on teollisuusautomaatioon käytetty avoin OPC UA (OPC Unified Architecture). Vielä yksi avoimen standardin vaihtoehto on AMQP (advanced message queuing protocol), joka välittää viestejä sovellusten välillä. Se on standardi, jota monissa yrityssovelluksissa käytetään liiketoimintaviestinnässä. Sen sijaan MTConnect (määritelty ANSI/MTC1.4-2018-standardissa) on valmistusstandardi, joka määrittää, miten ohjausdataa vaihdetaan tehtaan laitteiden ja sovellusten välillä. Tehtaan laitteita voivat olla koneet, työkalut tai anturit. MTConnect standardoi kerätyn tiedon XML-muotoon, joka sisältää standardit komponenttien kuvaukset.

Vaikka se onkin tämän artikkelin tarkastelualueen ulkopuolella eikä sitä voi siististi sovittaa perinteiseen OSI-verkkomalliin, Amazon Web Services (AWS) IoT Core on hallinnoitu pilvipalvelu, jonka suosio M2M- ja IoT-sovelluksissa kasvaa. Se tukee HTTP- ja MQTT-protokollia ja välittää biljoonia viestejä miljardien kenttälaitteiden ja AWS-päätepisteiden välillä.

M2M-viestinnän ja ohjauksen seuraava rajapyykki

M2M-verkkojen yleistyminen jatkuu yritysten hyödyntäessä dataa yhä enemmän. Itse asiassa M2M:ää tukevat laitteet, ohjelmistot ja verkkoliikenne tuottavat kehittyessään ennennäkemättömiä hyötyjä teollisuuteen ja muille aloille. M2M-verkot ovat siis jatkossakin tehokkaita keinoja lähettää, vastaanottaa ja siirtää dataa, ja joissakin tapauksissa ne myös täydentävät IoT-asennuksia tai edistävät niiden toteuttamista.

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.

Tietoja kirjoittajasta

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.

Tietoja tästä julkaisijasta

Digi-Keyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa