Cum se proiectează o rețea suprapusă modulară pentru optimizarea prelucrării datelor din Industria 4.0 în IIoT

Optimizarea prelucrării datelor în Industria 4.0 și în sistemele din Internetul industrial al lucrurilor (IIoT) pentru susținerea producției optimizate poate fi realizată prin monitorizarea stării, întreținerea predictivă, analiza și urmărirea eficienței generale a echipamentelor (OEE), diagnosticare și depanare. În multe cazuri, problema este că echipamentele vechi fie nu au fost proiectate pentru a fi conectate, fie pot utiliza o varietate de protocoale de comunicare, ceea ce face ca înlocuirea lor să fie costisitoare. Pentru a asigura eficiență maximă și pentru a obține date utilizabile despre utilaje, în multe cazuri este mai simplu și mai rentabil să se implementeze o rețea suprapusă care poate conecta insulele de automatizare existente și echipamentele vechi.

Proiectarea unei astfel de rețele suprapuse este o operațiune dificilă. Este nevoie de un controler capabil să primească semnale de la senzori și alte dispozitive care utilizează o varietate de protocoale de comunicare, să combine aceste semnale într-un flux unificat de date utilizabile și să exporte aceste date către resurse de edge computing sau către cloud. Sistemul are nevoie de adaptoare care se pot conecta direct la senzori, indicatori și alte dispozitive. Convertoarele sunt necesare pentru a conecta tipuri de dispozitive incompatibile anterior, inclusiv echipamente vechi.

În plus, pentru a asigura o funcționare fiabilă, sunt necesare filtre pentru protejarea comunicațiilor de date împotriva zgomotului electric și a curenților tranzitorii. Toate aceste componente trebuie să respecte standardele de mediu IP65, IP67 și IP68 pentru funcționarea în medii industriale, iar soluția trebuie să fie ușor de implementat și rentabilă.

Acest articol discută pe scurt problemele legate de conectarea echipamentelor vechi la IIoT. Apoi, introduce arhitectura familiei de instrumente hardware și software Snap Signal de la Banner Engineering și modul în care aceasta abordează aceste provocări. Articolul prezintă exemple de dispozitive Snap Signal, inclusiv controlerul DXMR90, convertoarele, adaptoarele și filtrele asociate, precum și considerente privind aplicațiile atunci când se implementează conectivitatea cu fir și fără fir pentru edge computing sau conectivitate în cloud.

Conectarea echipamentelor vechi la IIoT

Multe fabrici există dinainte de apariția IIoT și a Industriei 4.0 și, adesea, nu este posibilă interconectarea tuturor echipamentelor și utilajelor într-o singură rețea, ceea ce duce la apariția unor insule de automatizare. Chiar dacă nu sunt izolate pe o „insulă”, echipamentele vechi pot fi dificil de interconectat ca urmare a inflexibilității care rezultă din utilizarea protocoalelor de comunicare brevetate, a conectorilor și cablurilor nestandardizate și a altor factori.

O rețea suprapusă Snap Signal IIoT poate oferi o modalitate rapidă, flexibilă și rentabilă de conectare a echipamentelor vechi și a insulelor de automatizare, prin capturarea și convertirea diferitelor protocoale de comunicații de date necompatibile într-un standard ușor de distribuit, care poate fi livrat către resursele de edge computing sau în cloud pentru analiză și acțiune (Figura 1).

Figura 1: o rețea suprapusă Snap Signal oferă o arhitectură modulară pentru conectarea echipamentelor vechi și a insulelor de automatizare cu resursele de edge computing sau în cloud. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Există mai multe componente cheie necesare pentru implementarea rețelelor suprapuse IIoT flexibile și fiabile:

• Adaptoare pentru redirecționarea cablurilor și conectarea diferitelor scheme de cablare a echipamentelor de la senzori, indicatori și alte dispozitive la un format standard utilizat în rețeaua suprapusă.
• Convertoare de date pentru traducerea formatelor incompatibile, cum ar fi formatele discrete, analogice și diversele formate digitale întâlnite pe echipamentele vechi sau pe insulele de automatizare, în protocoale standard, cum ar fi IO-Link sau Modbus, pentru a permite monitorizarea centralizată a performanțelor.
• Filtre pentru protejarea datelor împotriva corupției în mediile industriale cu zgomot electric, îmbunătățind integritatea și fiabilitatea semnalului și reducând cerințele pentru depanare.
• Un controler programabil pentru consolidarea datelor din mai multe surse și asigurarea prelucrării locale a datelor, precum și conectivitate care să permită integrarea în IIoT a echipamentelor vechi și a insulelor de automatizare.
• O conexiune prin cablu sau wireless pentru distribuirea datelor colectate către resursele de edge computing și/sau în cloud, cum ar fi serviciul Cloud Data Service (CDS) al Banner, care oferă vizualizarea datelor și informații despre performanța utilajelor și trimite alerte prin e-mail sau text pentru a susține funcționarea, întreținerea și reparațiile utilajelor în timp real (Figura 2).

Figura 2: datele consolidate pot fi transmise cu o conexiune prin cablu sau wireless la resursele de edge computing sau în cloud, cum ar fi CDS de la Banner (captura de ecran de mai sus). (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Controler pentru consolidarea mai multor fluxuri de date

Controlerul programabil și convertoarele de date sunt elemente-cheie în proiectarea unei rețele suprapuse. Controlerul industrial DXMR90 de la Banner servește drept hub central de comunicații care combină semnale de la mai multe porturi Modbus într-un flux de date unificat care este transmis folosind protocoale Ethernet industriale. De exemplu, modelul DXMR90-X1 include patru dispozitive master Modbus și acceptă comunicarea simultană cu până la patru rețele seriale (Figura 3).

Figura 3: porturile de pe DXMR90 includ un port Modbus 0 configurabil (în partea stângă), porturi Modbus master (de la 1 la 4 în partea de jos), un port Modbus 0/PW configurabil pentru RS-485 și alimentare de intrare (dreapta sus) și un port Ethernet cu cod D (dreapta jos). (Sursa imaginii: Banner Engineering)

DXMR90 este un controler de comunicație cu grad ridicat de integrare care dispune de:

• Capacitatea de a lucra cu o serie de dispozitive Modbus, convertind Modbus RTU în Modbus TCP/IP, Ethernet I/P sau Profinet.
• Patru porturi master Modbus independente care pot conecta dispozitive slave fără a atribui manual o adresă dispozitivelor.
• Control local și conectivitate cu:
  • Modbus/TCP, Modbus RTU, Ethernet/IP și Profinet, protocoale de automatizare
  • Protocoale de Internet, inclusiv RESTful API și MQTT cu servicii web de la AWS și altele
  • Alerte directe prin e-mail
• Controler logic intern cu reguli de acțiune predefinite, care este, de asemenea, programabil prin MicroPython sau ScriptBasic.
• Carcasa clasificată IP65, IP67 și IP68 simplifică implementarea în medii industriale.
• Indicații rapide de stare cu leduri programabile de către utilizator.
• Pentru conectarea la bazele de date, cum ar fi CDS de la Banner, se poate utiliza un cablu Ethernet sau un controler DXM cu suport pentru telefonie mobilă.

Convertoarele conectează dispozitivele în rețelele IIoT

Este nevoie de o conversie eficientă a datelor pentru integrarea echipamentelor vechi și a insulelor de automatizare într-o rețea suprapusă. Pentru această funcție, proiectanții pot utiliza convertoarele în linie de mici dimensiuni, de tip plug-on din seria S15C de la Banner pentru a converti datele de monitorizare a stării și datele senzorilor de proces dintr-o varietate de formate în date digitale IO-Link (Figura 4). De exemplu, S15C-MGN-KQ este un convertor de la dispozitiv master Modbus la IO-Link, care poate fi configurat de utilizator pentru a citi până la 60 de registre și a scrie până la 15 registre, cu registre Modbus predefinite trimise automat prin IO-Link.

Figura 4: convertoarele de date în linie din seria S15C pot converti diferite tipuri de semnale, inclusiv discrete, analogice și de alt fel, în protocoale industriale precum Modbus, IO-Link, PWM și PFM. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Convertoarele S15C măsoară 15 milimetri (mm) în diametru, au o carcasă IP68 supraturnată și conectivitate M12 și utilizează aceeași sursă de alimentare ca și dispozitivul conectat. Utilizarea convertoarelor S15C elimină limitarea de 20 de metri (m) a comunicării IO-Link, deoarece acestea pot fi instalate la capătul unei legături Modbus, în apropierea dispozitivului master IO-Link.

Linia de convertoare S15C include opt modele:

• Șase convertoare Modbus la IO-Link pentru utilizare cu linia de senzori Modbus de la Banner, inclusiv senzori ultrasonici, barieră luminoasă de măsurare, temperatură/umiditate, vibrații/temperatură și GPS. În plus, există un convertor generic care poate fi configurat pentru a permite ca majoritatea dispozitivelor Modbus să fie implementate ca dispozitive IO-Link.
• Două modele de senzori analogici care convertesc semnalele de la 0 la 10 volți c.c. sau de la 4 la 20 miliamperi (mA) în valori digitale și le transmit ca date IO-Link.

Adaptoarele de cablare și filtrele completează rețeaua

Pe lângă un controler și convertoare de date, proiectanții au nevoie de adaptoare de cablare și filtre de zgomot pentru a implementa rapid rețele suprapuse flexibile și rentabile. Adaptoarele de cablare în linie, cum ar fi S15A-F14325-M14325-Q de la Banner, se conectează direct la un senzor, indicator sau alt dispozitiv pentru a redirecționa cablajul și a izola semnalele după cum este necesar, pentru a corespunde nevoilor specifice ale aplicației (Figura 5). Aceste adaptoare de cablare sunt disponibile în configurații standard și personalizate.

Figura 5: adaptoarele S15A, cum ar fi S15A-F14325-M14325-Q, utilizează o conexiune M12 pentru instalare ușoară și pot redirecționa cablajul după cum este necesar pentru a corespunde cerințelor specifice ale aplicațiilor. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Filtrele în linie S15F, cum ar fi S15F-L-4000-Q, sunt, de asemenea, elemente importante într-o rețea suprapusă (Figura 6). Acestea pot rezolva cu ușurință problemele legate de zgomotul electric și tensiunile tranzitorii care pot afecta negativ performanța rețelei. La fel ca și adaptoarele S15A și convertoarele S15C, aceste filtre au conexiuni M12 și sunt ambalate într-o configurație supraturnată care respectă standardele IP65, IP67 și IP68. Instalarea unui filtru în linie S15F poate duce la o mai bună integritate a semnalului și la o mai mică nevoie de depanare a rețelei.

Figura 6: filtrele în linie S15F, cum ar fi S15F-L-4000-Q, pot fi utilizate cu ușurință pentru a proteja dispozitivele împotriva zgomotului electric și a curenților tranzitorii, iar conexiunea lor M12 facilitează instalarea oriunde este necesar în rețea. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Proiectarea și implementarea rețelelor Snap Signal

Proiectarea și implementarea unei rețele suprapuse Snap Signal începe cu identificarea surselor de date care urmează să fie monitorizate. Apoi trebuie să se stabilească dacă trebuie adăugați noi senzori sau indicatori pentru a completa dispozitivele existente. Etapele de proiectare a unei rețele Snap Signal includ:

• Utilizarea diagramei de sistem Banner pentru a identifica și selecta componentele Snap Signal necesare pentru o instalație specifică.
• Planificarea traseului optim de cablare, inclusiv amplasarea conectorilor în T și a filtrelor între dispozitivele care urmează să fie monitorizate și controlerul DXMR90.
• Determinarea necesității de utilizare a unei conexiuni Ethernet cu cablu pentru consumul local de date al instalației sau utilizarea unui dispozitiv gateway prin edge computing pentru conectarea wireless la o platformă cloud.

Snap Signal este o adevărată rețea suprapusă și nu necesită înlocuirea niciunui hardware existent. Arhitectura modulară plug-and-play Snap Signal facilitează instalarea:

• Instalați orice senzori noi sau alte dispozitive și adăugați cabluri de separare la fiecare dispozitiv care urmează să fie monitorizat pentru a menține conexiunea existentă cu comenzile utilajelor, oferind în același timp o a doua cale de acces la rețeaua suprapusă.
• Instalați convertoarele de semnal în linie corespunzătoare.
• Adăugați conectori în T, filtre și alte cabluri de rețea, după cum este necesar, pentru a finaliza rețeaua și a o conecta la controlerul DXMR90.
• Programați DXMR90 pentru a crea secvențe de detecție și control personalizate utilizând programarea ScriptBasic sau MicroPython și/sau regulile de acțiune încorporate.
• Conectați DXMR90 la resursele de edge computing utilizând conexiunea Ethernet sau, pentru conexiuni în cloud, un controler DXM compatibil cu tehnologia celulară.

Concluzie

Rețelele IIoT suprapuse îi pot ajuta pe proiectanți să conecteze echipamentele vechi și insulele de automatizare la rețelele industriale, permițând colectarea de date utilizabile pentru a sprijini creșterea productivității în fabricile existente. Proiectarea și implementarea unei astfel de rețele suprapuse este complexă, dar, după cum s-a arătat, poate fi mult simplificată prin utilizarea topologiei Banner Engineering și a gamei Snap Signal. Gama include controlerul industrial DXMR90, convertoare de date, adaptoare de cablare, filtre și alte elemente necesare pentru a implementa o rețea suprapusă IIoT și pentru a o distribui către resurse de edge computing sau către cloud. Proiectarea programabilă, modulară și flexibilă a arhitecturii de rețea Snap Signal permite adăugarea de noi dispozitive și garantează siguranța instalației pentru viitor.

Lectură recomandată

1. Bazele securității IoT - Partea 5: Conectarea în siguranță la serviciile cloud IoT