Cum se proiectează o rețea modulară suprapusă pentru optimizarea procesării datelor în Industrie 4.0 în cadrul IIoT

13 SEPTEMBRIE 2022

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

Optimizarea prelucrării datelor în Industrie 4.0 și în sistemele IIoT (Industrial Internet of Things) pentru a sprijini o producție eficientă poate fi realizată prin monitorizarea stării, întreținerea predictivă, analiza și urmărirea eficacității generale a echipamentelor (OEE − Overall Equipment Effectiveness), diagnosticarea și remedierea defecțiunilor. Problema în multe cazuri este că echipamentele vechi fie nu au fost proiectate pentru a fi conectate, fie pot utiliza diverse protocoale de comunicație, ceea ce face costisitoare înlocuirea tuturor acestora. Pentru a asigura o eficiență maximă și a obține date despre utilaje care pot fi puse în aplicare, 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 care să poată primi semnale de la senzori și alte dispozitive care acceptă o varietate de protocoale de comunicație, să combine aceste semnale într-un flux unificat de date utilizabile și să exporte datele respective către resurse de calcul periferice (edge) sau către cloud.

Figura 1: O rețea suprapusă Snap Signal oferă o arhitectură modulară pentru a conecta echipamentele vechi și insulele de automatizare cu resursele de calcul edge sau cloud. (Sursa imaginii: Banner Engineering) ▶

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 a proteja comunicațiile de date de zgomotul electric și de fenomenele 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.

Conectarea echipamentelor vechi la IIoT

Multe fabrici datează dinainte de apariția IIoT și a Industriei 4.0 și, de multe ori, nu este posibil să se interconecteze toate echipamentele și mașinile într-o singură rețea, ceea ce duce la apariția unor insule de automatizare. Chiar dacă nu sunt izolate pe o “insulă”, echipamentele moștenite pot fi dificil de interconectat ca urmare a inflexibilității care rezultă din utilizarea protocoalelor de comunicație proprietare, a conectorilor și cablurilor nestandardizate și a altor factori.

Figura 2: Datele consolidate pot fi transmise cu ajutorul unei conexiuni prin cablu sau wireless la resursele de calcul periferice sau în cloud, cum ar fi CDS al Banner (captura de ecran de mai sus). (Sursa imaginii: Banner Engineering)

O rețea suprapusă Snap Signal IIoT poate oferi o modalitate rapidă, flexibilă și cost-eficientă de conectare a echipamentelor moștenite și a insulelor de automatizare, prin captarea și conversia diferitelor protocoale de comunicații de date necompatibile într-un standard ușor de distribuit, capabil să fie livrat către resursele de calcul periferice sau în cloud pentru analiză și acțiune (figura 1).

Există mai multe componente cheie necesare pentru a implementa rețele suprapuse IIoT flexibile și fiabile:

  • Adaptoare pentru a reruta cablurile și pentru a conecta diverse scheme de cablare a echipamentelor de la senzori, indicatori și alte dispozitive la un format standard utilizat în rețeaua suprapusă.
  • Convertoare de date pentru a transforma formatele incompatibile, cum ar fi formatele discrete, analogice și diverse formate digitale întâlnite pe echipamentele tradiționale sau pe insulele de automatizare, în protocoale standard, cum ar fi IO-Link sau Modbus, pentru a permite monitorizarea centralizată a performanțelor.
  • Filtre pentru a proteja datele împotriva coruperii lor în medii industriale cu zgomot electric, îmbunătățind integritatea și fiabilitatea semnalului și reducând cerințele de depanare.
  • Un controler programabil pentru a unifica datele provenite din mai multe surse și pentru a asigura procesarea locală a datelor, precum și conectivitatea care să permită integrarea echipamentelor vechi și a insulelor de automatizare în IIoT.
  • O conexiune cu fir sau wireless pentru a distribui datele colectate către resurse de calcul periferice și/sau în cloud, cum ar fi serviciul Cloud Data Service (CDS) al Banner, care oferă vizualizarea datelor și informații despre performanța mașinilor și pentru a trimite alerte prin e-mail sau text pentru a sprijini funcționarea, întreținerea și reparațiile mașinilor în timp real (figura 2).

Figura 3: Porturile de pe modelul DXMR90 includ un port Modbus 0 configurabil (în partea stângă), porturi Modbus master (de la 1 la 4 în partea de jos), port Modbus 0/PW configurabil pentru RS-485 și alimentare la intrare (dreapta sus) și un port Ethernet codat D (dreapta jos). (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 ca hub central de comunicații care combină semnalele de la mai multe porturi Modbus într-un flux de date unificat care este transmis cu ajutorul protocoalelor Ethernet industriale. De exemplu, modelul DXMR90-X1 include patru porturi Modbus și suportă comunicația simultană cu până la patru rețele seriale (figura 3).

DXMR90 este un controler de comunicație înalt integrat care dispune de:

  • Abilitatea de a opera cu o gamă de dispozitive Modbus, convertind Modbus RTU în Modbus TCP/IP, Ethernet I/P sau Profinet.
  • Patru porturi Modbus master independente care pot conecta dispozitive “slave” fără a atribui manual o adresă dispozitivelor.
  • Control local și conectivitate cu:
    • Modbus/TCP, Modbus RTU, 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 intervenție predefinite, care este, de asemenea, programabil cu ajutorul MicroPython sau ScriptBasic.
  • Carcasa certificată IP65, IP67 și IP68 simplifică implementarea în medii industriale.
  • Indicații rapide de stare cu LED-uri 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 compatibil cu tehnologia celulară.

Convertoarele conectează dispozitivele în rețelele IIoT

Figura 4: Convertoarele de date „in-line” din seria S15C pot converti diverse tipuri de semnale, inclusiv discrete, analogice și altele, în protocoale industriale precum Modbus, IO-Link, PWM și PFM. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

Este necesară o conversie eficientă a datelor pentru a îmbina echipamentele vechi și insulele de automatizare într-o rețea suprapusă. Pentru această funcție, proiectanții pot utiliza micile convertoare în linie din seria S15C plug-in 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 Modbus master la dispozitiv IO-Link, ce poate fi configurat de utilizator pentru a citi până la 60 de regiștri și a scrie până la 15, cu regiștri Modbus predefiniți trimiși automat prin IO-Link.

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

Linia de convertoare S15C include opt modele:

  • Șase convertoare Modbus la IO-Link pentru utilizarea cu linia de senzori Modbus de la Banner, inclusiv senzori ultrasonici, de măsurare a cortinei optice, de temperatură/umiditate, de 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 DC sau de la 4 la 20 miliamperi (mA) în valorile lor digitale și le transmit ca date IO-Link.

Adaptoarele de cablare și filtrele completează rețeaua

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

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 cost-eficiente. 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 reorienta cablajul și pentru a izola semnalele după cum este necesar pentru a corespunde nevoilor specifice aplicației (figura 5). Aceste adaptoare pentru cablare sunt disponibile în configurații standard și personalizate.

Figura 6: Filtrele „in-line” S15F, cum ar fi S15F-L-4000-Q, pot fi utilizate cu ușurință pentru a proteja dispozitivele împotriva zgomotului electric și a fenomenelor tranzitorii, iar conexiunea lor M12 permite o instalare ușoară oriunde este necesar în rețea. (Sursa imaginii: Banner Engineering)

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

Proiectarea și implementarea rețelelor de semnalizare Snap

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

  • Utilizarea diagramei de sistem de la 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.
  • Determinați dacă instalația va necesita utilizarea unei conexiuni Ethernet cu fir pentru consumul local de date sau utilizarea unui gateway periferic (edge) pentru conectarea wireless la o platformă cloud.

Snap Signal este o adevărată rețea suprapusă și nu necesită înlocuirea niciunui hardware existent. Arhitectura modulară Snap Signal de tip plug-and-play face ca instalarea să fie ușoară:

  • Instalați orice senzori noi sau alte dispozitive și adăugați cabluri splitter la fiecare dispozitiv care urmează să fie monitorizat pentru a menține conexiunea existentă cu comenzile mașinilor, oferind în același timp o a doua cale de acces la rețeaua de suprapunere.
  • Instalați convertoarele de semnal corespunzătoare.
  • Adăugați conectori în T, filtre și alte cabluri de rețea, după cum este necesar, pentru a completa rețeaua și a vă 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 calcul periferic utilizând conexiunea Ethernet sau, pentru conexiuni în cloud, un controler DXM cu tehnologie celulară.

Concluzie

Rețelele IIoT suprapuse pot sprijini nevoile proiectanților de a conecta echipamentele vechi și insulele de automatizare în rețele industriale, permițând colectarea de date operaționale 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 folosind topologia și linia Snap Signal de la Banner Engineering. Linia include controlerul industrial DXMR90, convertoare de date, adaptoare pentru cablare, filtre și alte elemente necesare pentru a implementa o rețea suprapusă IIoT și a o distribui către resurse de calcul “edge” sau către cloud. Structura programabilă, modulară și flexibilă a arhitecturii de rețea Snap Signal suportă adăugarea de noi dispozitive și asigură siguranța instalației pentru viitor.

Lecturi recomandate

• IoT Security Fundamentals—Part 5: Connecting Securely to IoT Cloud Services (Fundamentele securității IoT-Partea 5: Conectarea în siguranță la serviciile cloud IoT)
• S15C In-Line Converters (Conversia senzorilor de monitorizare a stării și a procesului pentru a permite inițiativele OEE tocmai a devenit mai ușoară cu convertoarele în linie din seria S15C de la Banner Engineering.).
• DXMR90 Controller (Controlerul DXMR90 de la Banner Engineering conține patru porturi Modbus master individuale care permit comunicarea simultană cu până la patru rețele independente.)

Urmăriți un videoclip despre controlerul DXMR90 de la Banner Engineering:

 

Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații Rolf Horn, face parte din grupul European de Asistență Tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la întrebările venite din partea clienților finali din EMEA referitoare la Dezvoltare și Inginerie, precum și la scrierea și corectarea articolelor și postărilor de pe platformele TechForum și  https://maker.io ale firmei Digi-Key pentru cititorii din Germania. Înainte de Digi-Key, el a lucrat la mai mulți producători din zona semiconductorilor, cu accent pe sistemele embedded ce conțin FPGA-uri, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf este licențiat în inginerie electrică și electronică la Universitatea de Științe Aplicate din Munchen, Bavaria. Și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de Arhitect pentru Soluții de Sistem pentru a-și împărtăși expertiza și cunoștințele în calitate de consilier de încredere. Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile (cu rulota familiei VW-California) și motociclismul (pe un BMW GS din 1988).

Digi-Key Electronics   |    https://www.digikey.ro

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre