Entwurf modularer Overlay-Netzwerke für die Optimierung der Industrie-4.0-Datenverarbeitung im IIoT

Die Optimierung der Datenverarbeitung in Industrie-4.0-Systemen des industriellen Internet der Dinge (IIoT) zur Unterstützung einer schlanken Produktion kann durch Zustandsüberwachung, vorausschauende Wartung, Analyse und Verfolgung der Gesamtanlageneffektivität (OEE), Diagnose und Fehlerbehebung erreicht werden. Das Problem besteht in vielen Fällen darin, dass die alten Geräte entweder nicht für eine Verbindung konzipiert wurden oder eine Vielzahl von Kommunikationsprotokollen verwenden, so dass es teuer wäre, sie alle zu ersetzen. Um maximale Effektivität zu gewährleisten und verwertbare Maschinendaten zu erhalten, ist es in vielen Fällen einfacher und kostengünstiger, ein Overlay-Netzwerk zu implementieren, das bestehende Automatisierungsinseln und Altgeräte miteinander verbinden kann.

Der Aufbau eines solchen Overlay-Netzes ist ein anspruchsvolles Unterfangen. Es erfordert einen Controller, der Signale von Sensoren und anderen Geräten, die eine Vielzahl von Kommunikationsprotokollen verwenden, empfangen, diese Signale zu einem einheitlichen Strom nutzbarer Daten kombinieren und diese Daten an Edge-Computing-Ressourcen oder die Cloud exportieren kann. Das System benötigt Adapter, die direkt an Sensoren, Anzeigen und andere Geräte angeschlossen werden können. Konverter werden benötigt, um zuvor inkompatible Gerätetypen, einschließlich älterer Geräte, anzuschließen.

Um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, sind darüber hinaus Filter erforderlich, die die Datenkommunikation vor elektrischem Rauschen und Transienten schützen. Alle diese Komponenten sollten die Umweltstandards IP65, IP67 und IP68 für den Betrieb in industriellen Umgebungen erfüllen, und die Lösung muss einfach und kostengünstig zu implementieren sein.

In diesem Artikel wird kurz auf die Probleme bei der Anbindung von Altgeräten an das IIoT eingegangen. Anschließend wird die Architektur der Snap-Signal-Familie von Hardware- und Software-Tools von Banner Engineering vorgestellt und erläutert, wie sie diese Herausforderungen meistert. Es werden Beispiele für Snap-Signal-Geräte vorgestellt, darunter der Controller DXMR90, zugehörige Konverter, Adapter und Filter, sowie Anwendungsüberlegungen bei der Implementierung von kabelgebundenem und drahtlosem Edge Computing oder Cloud-Vernetzung.

Verbinden von Altgeräten mit dem IIoT

Viele Fabriken sind älter als das IIoT und Industrie 4.0, und es ist oft nicht möglich, alle Geräte und Maschinen in einem einzigen Netzwerk zu verbinden, was zu Automatisierungsinseln führt. Selbst wenn sie nicht auf einer „Insel“ isoliert sind, kann es schwierig sein, ältere Geräte miteinander zu verbinden, da sie aufgrund der Verwendung von proprietären Kommunikationsprotokollen, nicht standardisierten Anschlüssen und Kabeln und anderen Faktoren unflexibel sind.

Ein Snap-Signal-IIoT-Overlay-Netzwerk kann eine schnelle, flexible und kosteneffiziente Möglichkeit zur Verbindung von Altgeräten und Automatisierungsinseln bieten, indem es verschiedene, nicht kompatible Datenkommunikationsprotokolle erfasst und in einen einfach zu verteilenden Standard konvertiert, der an Edge- oder Cloud-Computing-Ressourcen für Analysen und Aktionen bereitgestellt werden kann (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein Snap-Signal-Overlay-Netzwerk bietet eine modulare Architektur zur Verbindung von Altgeräten und Automatisierungsinseln mit Edge- oder Cloud-Computing-Ressourcen. (Bildquelle: Banner Engineering)

Für die Bereitstellung flexibler und zuverlässiger IIoT-Overlay-Netzwerke sind mehrere Schlüsselkomponenten erforderlich:

• Adapter für die Umleitung der Verdrahtung und die Verknüpfung verschiedener Verdrahtungsschemata von Sensoren, Indikatoren und anderen Geräten mit einem im Overlay-Netz verwendeten Standardformat.
• Datenkonverter zur Übersetzung inkompatibler Formate wie diskreter, analoger und verschiedener digitaler Formate, die in älteren Geräten oder Automatisierungsinseln zu finden sind, in Standardprotokolle wie IO-Link oder Modbus, um eine zentrale Leistungsüberwachung zu ermöglichen.
• Filter zum Schutz der Daten vor Verfälschungen in elektrisch verrauschten Industrieumgebungen, zur Verbesserung der Signalintegrität und -zuverlässigkeit und zur Verringerung der Anforderungen an die Fehlersuche.
• Ein programmierbarer Controller zur Konsolidierung von Daten aus verschiedenen Quellen und zur lokalen Datenverarbeitung sowie zur Vernetzung, die die Integration von Altgeräten und Automatisierungsinseln in das IIoT ermöglicht.
• Eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung zur Verteilung der gesammelten Daten an Edge-Computing-Ressourcen und/oder die Cloud, wie z. B. den Cloud Data Service (CDS) von Banner, der Datenvisualisierung und Einblicke in die Maschinenleistung bietet und E-Mail- oder Text-Warnungen zur Unterstützung von Maschinenbetrieb, Wartung und Reparaturen in Echtzeit sendet (Abbildung 2).

Abbildung 2: Konsolidierte Daten können über eine kabelgebundene oder drahtlose Verbindung zu Edge-Computing-Ressourcen oder in die Cloud, wie z. B. Banner CDS (Screenshot oben), übertragen werden. (Bildquelle: Banner Engineering)

Controller zur Konsolidierung mehrerer Datenströme

Der programmierbare Controller und die Datenkonverter sind Schlüsselelemente bei der Entwicklung eines Overlay-Netzes. Der industrielle Controller DXMR90 von Banner dient als zentraler Kommunikationsknotenpunkt, der Signale von mehreren Modbus-Ports zu einem einheitlichen Datenstrom kombiniert, der über industrielle Ethernet-Protokolle weitergeleitet wird. Das Modell DXMR90-X1 umfasst beispielsweise vier Modbus-Master und unterstützt die gleichzeitige Kommunikation mit bis zu vier seriellen Netzwerken (Abbildung 3).

Abbildung 3: Zu den Anschlüssen des DXMR90 gehören ein konfigurierbarer Modbus-Port 0 (auf der linken Seite), Modbus-Master-Ports (1 bis 4 auf der unteren Seite), ein konfigurierbarer Modbus-Port 0/PW für RS-485 und eingehende Stromversorgung (oben rechts) sowie ein D-codierter Ethernet-Anschluss (unten rechts). (Bildquelle: Banner Engineering)

Der DXMR90 ist ein hochintegrierter Kommunikationscontroller mit folgenden Merkmalen:

• Die Fähigkeit, mit einer Reihe von Modbus-Geräten zu arbeiten und Modbus RTU in Modbus TCP/IP, Ethernet I/P oder Profinet zu konvertieren.
• Vier unabhängige Modbus-Master-Ports, an die Slave-Geräte angeschlossen werden können, ohne den Geräten manuell eine Adresse zuweisen zu müssen.
• Lokale Kontrolle und Vernetzung mit:
  • Modbus/TCP, Modbus RTU, Ethernet/IP und Profinet, Automatisierungsprotokolle
  • Internetprotokolle wie RESTful API und MQTT mit Webdiensten von AWS und anderen
  • Direkte E-Mail-Benachrichtigungen
• Interner Logik-Controller mit vordefinierten Aktionsregeln, der auch mit MicroPython oder ScriptBasic programmierbar ist.
• Gehäuse mit Schutzart IP65, IP67 und IP68 vereinfacht den Einsatz in industriellen Umgebungen.
• Schnelle Statusanzeigen mit benutzerprogrammierbaren LEDs.
• Für die Verbindung zu Datenbanken wie Banner CDS kann ein kabelgebundenes Ethernet-Kabel oder ein mobilfunkfähiger DXM-Controller verwendet werden.

Konverter verbinden Geräte in IIoT-Netzwerken

Um Altgeräte und Automatisierungsinseln in ein Overlay-Netz einzubinden, ist eine effiziente Datenkonvertierung erforderlich. Für diese Funktion können Entwickler die kleinen aufsteckbaren Inline-Konverter der Serie S15C von Banner verwenden, um Zustandsüberwachungs- und Prozesssensordaten aus einer Vielzahl von Formaten in digitale IO-Link-Daten zu konvertieren (Abbildung 4). Der S15C-MGN-KQ ist beispielsweise ein Gerätekonverter für Modbus-Master zu IO-Link, der vom Benutzer so konfiguriert werden kann, dass er bis zu 60 Register lesen und bis zu 15 schreiben kann, wobei vordefinierte Modbus-Register automatisch über IO-Link gesendet werden.

Abbildung 4: Die Inline-Datenwandler der Serie S15C können verschiedene Signaltypen, darunter diskrete, analoge und andere, in industrielle Protokolle wie Modbus, IO-Link, PWM und PFM umwandeln. (Bildquelle: Banner Engineering)

Die S15C-Wandler haben einen Durchmesser von 15 Millimetern (mm), ein umspritztes IP68-Gehäuse, einen M12-Anschluss und werden über das gleiche Netzteil wie das angeschlossene Gerät versorgt. Durch den Einsatz von S15C-Konvertern entfällt die 20-Meter-Beschränkung der IO-Link-Kommunikation, da sie am Ende einer Modbus-Verbindung in der Nähe des IO-Link-Masters installiert werden können.

Die S15C-Wandlerreihe umfasst acht Modelle:

• Sechs Modbus-zu-IO-Link-Konverter für die Verwendung mit Banner's Modbus-Sensoren, einschließlich Ultraschall, messendem Lichtvorhang, Temperatur/Luftfeuchtigkeit, Vibration/Temperatur und GPS. Außerdem gibt es einen generischen Konverter, der so konfiguriert werden kann, dass die meisten Modbus-Geräte als IO-Link-Geräte eingesetzt werden können.
• Zwei analoge Sensormodelle, die 0 bis 10 Volt DC oder 4 bis 20 Milliampere (mA) Signale in ihre digitalen Werte umwandeln und als IO-Link-Daten weiterleiten.

Verkabelungsadapter und Filter vervollständigen das Netzwerk

Neben einem Controller und Datenkonvertern benötigen Entwickler Verdrahtungsadapter und Rauschfilter, um flexible und kostengünstige Overlay-Netzwerke schnell einrichten zu können. Inline-Verdrahtungsadapter, wie z. B. der S15A-F14325-M14325-Q von Banner, werden direkt an einen Sensor, eine Anzeige oder ein anderes Gerät angeschlossen, um die Verdrahtung umzuleiten und Signale nach Bedarf zu isolieren, damit sie den spezifischen Anwendungsanforderungen entsprechen (Abbildung 5). Diese Verdrahtungsadapter sind in Standard- und kundenspezifischen Konfigurationen erhältlich.

Abbildung 5: S15A-Adapter wie der S15A-F14325-M14325-Q verwenden einen M12-Anschluss für eine einfache Installation und können die Verdrahtung nach Bedarf umverlegen, um den spezifischen Anwendungsanforderungen zu entsprechen. (Bildquelle: Banner Engineering)

S15F-Leitungsfilter wie der S15F-L-4000-Q sind ebenfalls wichtige Elemente in einem Overlay-Netzwerk (Abbildung 6). Sie können Probleme mit elektrischem Rauschen und transienten Spannungen, die sich negativ auf die Netzwerkleistung auswirken können, problemlos lösen. Wie die S15A-Adapter und S15C-Konverter haben diese Filter M12-Anschlüsse und sind in einer umspritzten Konfiguration verpackt, die die Normen IP65, IP67 und IP68 erfüllt. Die Installation eines S15F-Inline-Filters kann zu einer verbesserten Signalintegrität und einem geringeren Bedarf an Fehlersuche im Netzwerk führen.

Abbildung 6: S15F-Inline-Filter wie der S15F-L-4000-Q können problemlos eingesetzt werden, um Geräte vor elektrischem Rauschen und Transienten zu schützen, und ihr M12-Anschluss ermöglicht eine einfache Installation überall im Netzwerk. (Bildquelle: Banner Engineering)

Entwurf und Einrichtung eines Snap-Signalnetzes

Der Entwurf und die Einrichtung eines Snap-Signal-Overlay-Netzwerks beginnt mit der Identifizierung der zu überwachenden Datenquellen. Dann muss entschieden werden, ob neue Sensoren oder Indikatoren zu den bestehenden Geräten hinzugefügt werden sollen. Der Aufbau eines Snap-Signal-Netzes umfasst mehrere Schritte:

• Verwendung des Systemdiagramm-Ansatzes von Banner zur Identifizierung und Auswahl der Snap-Signal-Komponenten, die für eine bestimmte Installation benötigt werden.
• Planen Sie den optimalen Verdrahtungsweg, einschließlich der Platzierung von T-Verbindern und Filtern zwischen den zu überwachenden Geräten und dem Controller DXMR90.
• Bestimmen Sie, ob für die Installation eine kabelgebundene Ethernet-Verbindung für den lokalen Datenverbrauch oder ein Edge-Gateway-Gerät für die drahtlose Verbindung zu einer Cloud-Plattform erforderlich ist.

Snap Signal ist ein echtes Overlay-Netzwerk und erfordert keinen Austausch der vorhandenen Hardware. Die modulare Plug&Play-Architektur von Snap Signal macht die Installation einfach:

• Installieren Sie neue Sensoren oder andere Geräte und fügen Sie Splitterkabel zu jedem zu überwachenden Gerät hinzu, um die bestehende Verbindung mit der Maschinensteuerung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig einen zweiten Pfad zum Overlay-Netzwerk zu schaffen.
• Installieren Sie die entsprechenden Inline-Signalwandler.
• Fügen Sie nach Bedarf T-Verbinder, Filter und andere Netzwerkkabel hinzu, um das Netzwerk zu vervollständigen und mit dem DXMR90-Controller zu verbinden.
• Programmieren Sie den DXMR90, um benutzerdefinierte Abtast- und Steuersequenzen zu erstellen, indem Sie ScriptBasic oder MicroPython verwenden und/oder die eingebetteten Aktionsregeln verwenden.
• Verbinden Sie den DXMR90 über den Ethernet-Anschluss mit Edge-Computing-Ressourcen oder für Cloud-Verbindungen mit einem mobilfunkfähigen DXM-Controller.

Fazit

Overlay-IIoT-Netzwerke können Entwickler dabei unterstützen, ältere Geräte und Automatisierungsinseln in industrielle Netzwerke einzubinden, um die Erfassung verwertbarer Daten zur Steigerung der Produktivität in bestehenden Fabriken zu ermöglichen. Das Design und die Implementierung eines solchen Overlay-Netzwerks ist komplex, kann aber, wie gezeigt, mit der Topologie- und Snap-Signal-Linie von Banner Engineering stark vereinfacht werden. Die Produktlinie umfasst den DXMR90-Industriecontroller, Datenkonverter, Verdrahtungsadapter, Filter und andere Elemente, die für die Implementierung eines IIoT-Overlay-Netzwerks und die Verteilung an Edge-Computing-Ressourcen oder an die Cloud erforderlich sind. Das programmierbare, modulare und flexible Design der Snap-Signal-Netzwerkarchitektur unterstützt das Hinzufügen neuer Geräte und macht die Installation zukunftssicher.

Empfohlene Literatur

1. Grundlagen der IoT-Sicherheit - Teil 5: Sichere Verbindung zu IoT-Cloud-Diensten