Hoe ontwerp je een modulair overlay netwerk voor industrie 4.0 optimalisatie van gegevensverwerking in het IIoT

Optimalisering van gegevensverwerking in Industrie 4.0 en het Industrial Internet of Things (IIoT) ter ondersteuning van slanke productie kan worden bereikt door conditiebewaking, voorspellend onderhoud, OEE-analyse (Overall Equipment Effectiveness) en -tracering, diagnostiek en probleemoplossing. Het probleem is in veel gevallen dat verouderde apparatuur niet is ontworpen om te worden aangesloten of gebruik maakt van een aantal verschillende communicatieprotocollen, waardoor het duur wordt om ze allemaal te vervangen. Om een maximale doeltreffendheid te garanderen en bruikbare machinegegevens te verkrijgen, is het in veel gevallen eenvoudiger en kosteneffectiever om een overlay-netwerk te implementeren dat bestaande automatiseringseilanden en verouderde apparatuur kan verbinden.

Het ontwerpen van zo'n overlaynetwerk is een uitdagende onderneming. Daarvoor is een controller nodig die signalen kan ontvangen van sensoren en andere apparaten die uiteenlopende communicatieprotocollen gebruiken, die signalen kan combineren tot een gebundelde stroom van bruikbare gegevens, en die gegevens kan exporteren naar randapparatuur of de cloud. Het systeem heeft adapters nodig die rechtstreeks kunnen worden aangesloten op sensoren, indicatoren en andere apparaten. Convertors zijn nodig om voorheen niet-compatibele apparatuurtypes aan te sluiten, met inbegrip van verouderde apparatuur.

Bovendien zijn voor een betrouwbare werking filters nodig om de datacommunicatie te beschermen tegen elektrische ruis en transiënten. Al deze componenten moeten voldoen aan de milieunormen IP65, IP67 en IP68 voor gebruik in industriële omgevingen, en de oplossing moet gemakkelijk en kosteneffectief te implementeren zijn.

In dit artikel wordt kort ingegaan op de problemen bij het aansluiten van legacy-apparatuur op het IIoT. Vervolgens wordt de architectuur van de Snap Signal-familie van hardware- en softwaretools van Banner Engineering geïntroduceerd en wordt uitgelegd hoe deze uitdagingen worden aangepakt. Het presenteert voorbeelden van Snap Signal apparaten, waaronder de DXMR90 controller, bijbehorende converters, adapters en filters, evenals toepassingsoverwegingen bij de implementatie van bedrade en draadloze edge computing of cloudconnectiviteit.

Verbinding van verouderde apparatuur met het IIoT

Veel fabrieken dateren van voor de opkomst van het IIoT en Industrie 4.0, en het is vaak niet mogelijk om alle apparatuur en machines met elkaar te verbinden in één netwerk, wat resulteert in eilanden van automatisering. Zelfs als zij niet op een "eiland" zijn geïsoleerd, kan verouderde apparatuur moeilijk onderling te verbinden zijn als gevolg van inflexibiliteit die voortvloeit uit het gebruik van merkgebonden communicatieprotocollen, niet-standaard connectoren en bekabeling, en andere factoren.

Een Snap Signal IIoT-overlaynetwerk kan een snelle, flexibele en kosteneffectieve manier bieden om verouderde apparatuur en automatiseringseilanden met elkaar te verbinden door verschillende niet-compatibele datacommunicatieprotocollen vast te leggen en om te zetten in een eenvoudig te distribueren standaard, die kan worden geleverd aan edge- of cloud computing-resources voor analyse en actie (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Een Snap Signal-overlaynetwerk biedt een modulaire architectuur om legacy-apparatuur en eilanden van automatisering te verbinden met edge of cloud computing resources. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Er zijn verschillende sleutelcomponenten nodig om flexibele en betrouwbare IIoT-overlaynetwerken op te zetten:

• Adapters om de bedrading om te leiden en verschillende bedradingsschema's van sensoren, indicatoren en andere apparatuur te koppelen aan een standaardformaat dat in het overlappende netwerk wordt gebruikt.
• Gegevensomzetters om incompatibele formaten zoals discrete, analoge en diverse digitale formaten van verouderde apparatuur of automatiseringseilanden om te zetten in standaardprotocollen zoals IO-Link of Modbus om gecentraliseerde prestatiebewaking mogelijk te maken.
• Filters om de gegevens te beschermen tegen beschadiging in elektrisch lawaaierige industriële omgevingen, waardoor de signaalintegriteit en betrouwbaarheid worden verbeterd en minder problemen hoeven te worden opgelost.
• Een programmeerbare controller om gegevens uit meerdere bronnen te consolideren en te voorzien in lokale gegevensverwerking, alsook in connectiviteit waarmee verouderde apparatuur en eilanden van automatisering kunnen worden geïntegreerd in het IIoT.
• Een bekabelde of draadloze verbinding om de verzamelde gegevens te distribueren naar edge computing-bronnen en/of de cloud, zoals de Cloud Data Service (CDS) van Banner, die gegevensvisualisatie en inzicht in machineprestaties biedt en e-mail- of sms-waarschuwingen kan verzenden ter ondersteuning van machinebediening, onderhoud en reparaties in realtime (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Geconsolideerde gegevens kunnen via een bekabelde of draadloze verbinding worden verzonden naar edge computing-bronnen of naar de cloud, zoals Banner's CDS (screenshot hierboven). (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Controller voor het consolideren van meervoudige gegevensstromen

De programmeerbare controller en de gegevensomzetters zijn sleutelelementen bij het ontwerpen van een overlappend netwerk. De DXMR90 industriële controller van Banner fungeert als centrale communicatiehub die signalen van meerdere Modbus-poorten combineert tot een uniforme gegevensstroom die wordt doorgestuurd met behulp van industriële Ethernet-protocollen. Het model DXMR90-X1 bijvoorbeeld bevat vier Modbus masters en ondersteunt gelijktijdige communicatie met maximaal vier seriële netwerken (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Poorten op de DXMR90 omvatten een configureerbare Modbus poort 0 (aan de linkerzijde), Modbus-masterpoorten (1 tot 4 aan de onderzijde), configureerbare Modbus poort 0/PW voor RS-485 en inkomende voeding (rechtsboven), en een D-gecodeerde Ethernet poort (rechtsonder). (Bron afbeelding: Banner Engineering)

De DXMR90 is een sterk geïntegreerde communicatiecontroller die beschikt over:

• De mogelijkheid om met een reeks Modbus-apparaten te werken, waarbij Modbus RTU wordt omgezet in Modbus TCP/IP, Ethernet I/P of Profinet.
• Vier onafhankelijke Modbus-masterpoorten waarop slave-apparaten kunnen worden aangesloten zonder dat er handmatig een adres aan de apparaten hoeft te worden toegewezen.
• Lokale controle en connectiviteit met:
  • Modbus/TCP, Modbus RTU, Ethernet/IP, en Profinet, automatiseringsprotocollen
  • Internetprotocollen waaronder RESTful API en MQTT met webdiensten van AWS, en anderen
  • Directe e-mail waarschuwingen
• Interne logische controller met voorgedefinieerde actieregels, die ook programmeerbaar is met MicroPython of ScriptBasic.
• Behuizing met IP65-, IP67- en IP68-classificatie vereenvoudigt het gebruik in industriële omgevingen.
• Snelle statusindicaties met door de gebruiker programmeerbare LED's.
• Voor de verbinding met databases zoals Banner's CDS kan gebruik worden gemaakt van een bekabelde Ethernet-kabel of een DXM-controller die geschikt is voor mobiele telefonie.

Converters verbinden apparaten in IIoT-netwerken

Efficiënte dataconversie is nodig om verouderde apparatuur en eilanden van automatisering in een overlappend netwerk onder te brengen. Voor deze functie kunnen ontwerpers de kleine plug-on in-line converters van de S15C-serie van Banner gebruiken om conditiebewakings- en processensorgegevens van verschillende formaten om te zetten in digitale IO-Link-gegevens (Afbeelding 4). De S15C-MGN-KQ is bijvoorbeeld een Modbus-master naar IO-Link-omzetter die door de gebruiker geconfigureerd kan worden om tot 60 registers te lezen en tot 15 te schrijven, waarbij voorgedefinieerde Modbus-registers automatisch over IO-Link worden verzonden.

Afbeelding 4: De in-line dataconvertors van de S15C-serie kunnen verschillende soorten signalen, waaronder discrete, analoge en andere, omzetten naar industriële protocollen zoals Modbus, IO-Link, PWM en PFM. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

S15C-converters hebben een diameter van 15 millimeter (mm), een gegoten IP68-behuizing en M12-aansluitingen, en gebruiken dezelfde stroomvoorziening als het aangesloten apparaat. Het gebruik van S15C-convertors elimineert de 20-meter (m) IO-Link communicatiebeperking omdat ze aan het einde van een Modbus link kunnen worden geïnstalleerd, in de buurt van de IO-Link master.

De S15C-lijn van convertors omvat acht modellen:

• Zes Modbus-naar-IO-Link-convertors voor gebruik met de reeks Modbus-sensoren van Banner, waaronder ultrasone sensoren, lichtgordijnmetingen, temperatuur/vochtigheid, trillingen/temperatuur en GPS. Bovendien is er een generieke converter die kan worden geconfigureerd om de meeste Modbus-apparaten te kunnen inzetten als IO-Link-apparaten.
• Twee analoge sensormodellen die 0 tot 10 volt gelijkstroom of 4 tot 20 milliampère (mA) signalen omzetten in hun digitale waarden en deze doorsturen als IO-Link-gegevens.

Bedradingsadapters en filters vervolledigen het netwerk

Naast een controller en gegevensomzetters hebben ontwerpers bedradingsadapters en ruisfilters nodig om snel flexibele en kosteneffectieve overlay-netwerken op te zetten. In-line bedradingsadapters, zoals de S15A-F14325-M14325-Q van Banner, worden rechtstreeks op een sensor, indicator of ander apparaat aangesloten om de bedrading om te leiden en de signalen te isoleren zoals nodig is voor specifieke toepassingen (Afbeelding 5). Deze bedradingsadapters zijn verkrijgbaar in standaard en aangepaste configuraties.

Afbeelding 5: S15A-adapters zoals de S15A-F14325-M14325-Q maken gebruik van een M12-aansluiting voor een eenvoudige installatie en kunnen de bedrading indien nodig omleiden om te voldoen aan specifieke toepassingsvereisten. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

S15F in-line filters zoals de S15F-L-4000-Q zijn ook belangrijke elementen in een overlappend netwerk (Afbeelding 6). Zij kunnen gemakkelijk problemen oplossen met elektrische ruis en transiënte spanningen die de netwerkprestaties negatief kunnen beïnvloeden. Net als de S15A-adapters en S15C-convertors hebben deze filters M12-aansluitingen en zijn ze verpakt in een overgevormde configuratie die voldoet aan de IP65-, IP67- en IP68-normen. Installatie van een S15F in-line filter kan resulteren in een verbeterde signaalintegriteit en minder behoefte aan probleemoplossing voor het netwerk.

Afbeelding 6: S15F in-line filters zoals de S15F-L-4000-Q kunnen gemakkelijk worden gebruikt om apparaten te beschermen tegen elektrische ruis en transiënten, en hun M12-aansluiting maakt eenvoudige installatie mogelijk waar dat nodig is in het netwerk. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Ontwerp en invoering van een signaalnetwerk

Het ontwerp en de invoering van een Snap Signal-overlaynetwerk begint met de identificatie van de gegevensbronnen die moeten worden bewaakt. Vervolgens moet worden bepaald of er nieuwe sensoren of indicatoren moeten worden toegevoegd ter aanvulling van de bestaande apparatuur. Stappen in het ontwerp van een Snap Signal-netwerk omvatten:

• Gebruik van Banner's systeemdiagram om de benodigde Snap Signal-componenten voor een specifieke installatie te identificeren en selecteren.
• Plan het optimale bedradingspad, inclusief de plaatsing van T-connectors en filters tussen de te bewaken toestellen en de DXMR90-controller.
• Bepaal of de installatie het gebruik van een bekabelde Ethernet-verbinding voor lokaal gegevensgebruik vereist, dan wel het gebruik van een edge gateway-apparaat voor een draadloze verbinding met een cloudplatform.

Snap Signal is een echt overlaynetwerk en vereist geen vervanging van bestaande hardware. De modulaire plug-and-play Snap Signal-architectuur maakt installatie eenvoudig:

• Installeer nieuwe sensoren of andere apparaten en voeg splitterkabels toe aan elk apparaat dat moet worden bewaakt om de bestaande verbinding met machinebesturingen in stand te houden, terwijl er ook een tweede pad naar het overlappende netwerk is.
• Installeer de juiste in-line signaalconvertors.
• Voeg T-connectors, filters en andere netwerkbedrading toe zoals nodig om het netwerk te vervolledigen en aan te sluiten op de DXMR90-controller.
• Programmeer de DXMR90 om aangepaste detectie- en controlesequenties te creëren met behulp van ScriptBasic- of MicroPython-programmering en/of de ingebouwde actieregels.
• Verbind de DXMR90 met edge computing resources via de Ethernet-verbinding, of voor cloudverbindingen, een DXM-controller met cellulaire ondersteuning.

Conclusie

Overlay IIoT-netwerken kunnen ontwerpers helpen om verouderde apparatuur en eilanden van automatisering aan te sluiten op industriële netwerken, zodat bruikbare gegevens kunnen worden verzameld ter ondersteuning van een hogere productiviteit in bestaande fabrieken. Het ontwerp en de implementatie van een dergelijk overlay-netwerk is complex, maar zoals aangetoond kan het sterk worden vereenvoudigd met behulp van de topologie- en Snap Signal-lijn van Banner Engineering. De lijn omvat de DXMR90 industriële controller, dataconverters, bedradingsadapters, filters en andere elementen die nodig zijn om een IIoT-overlaynetwerk te implementeren en te distribueren naar edge computing resources of naar de cloud. Het programmeerbare, modulaire en flexibele ontwerp van de Snap Signal netwerkarchitectuur ondersteunt de toevoeging van nieuwe apparaten en maakt de installatie toekomstbestendig.

Aanbevolen leesmateriaal

1. IoT-beveiligingsbeginselen - deel 5: veilig verbinding maken met IoT-clouddiensten