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Maschine zu Maschine Netzwerke für automatisierte Maschinenfunktionen

Von Lisa Eitel

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Machine-to-Machine (M2M)-Netzwerke sind in ihrem Kern eine Permutation von industrieller Telematik - Kombinationen aus Telekommunikation und Informatik, die Daten zur Ausführung automatisierter Operationen verwenden. M2M-Netzwerke umfassen Sensoren, Steuerungen und Maschinen, die ohne menschliche Beteiligung kommunizieren. Maschinen in solchen Netzwerken können sich in der gleichen Einrichtung befinden oder eine halbe Welt voneinander entfernt sein.

Drahtgebundene und drahtlose Kommunikation steuern M2M-Funktionen. Die Geräte übertragen und sammeln Informationen, um betriebliche Beurteilungen und Echtzeitanpassungen zu ermöglichen. Beispielsweise kann eine Kläranlage an wichtigen Stationen Fernsensoren einsetzen, um Daten zu Flüssigkeitsständen, chemischen Verhältnissen, Temperaturen, Durchflussraten und anderen Parametern zu sammeln. Dann werden diese Daten über ein drahtloses Netzwerk an eine Plattform übertragen, die intelligente Steuerungen sammeln können. Wo es hilfreich ist, dass ein menschlicher Bediener die sich ändernden Parameter überwacht und auf sie reagiert, könnte eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) mit anwendungsspezifischer Software die Systemwerte auf einem digitalen Armaturenbrett anzeigen. In einigen Fällen empfangen Peripheriegeräte Signale von anderen Geräten über Controller im M2M-Netzwerk. Dadurch können solche Geräte zusammen mit jeder vorgegebenen regelbasierten Programmierung betrieben werden.

Abbildung des Multi-Tech QuickCarrier USB-D-Zellular-DongleAbbildung 1: Der QuickCarrier USB-D-Zellular-Dongle unterstützt M2M-Installationen, die eine zuverlässige Datenverbindung erfordern. Es ermöglicht auch die schnelle Einrichtung einer zellularen Konnektivität, um physische Dinge digital zu kommunizieren. (Bildquelle: Multi-Tech Systems Inc.)

Unterschied zwischen M2M-Netzwerken und Internet of Things (IoT)-Konnektivität

Die relativ neue Fähigkeit automatisierter Designs, Operationen auf höherer Ebene zu veranlassen und zu regulieren, hängt sowohl von M2M- als auch von IoT-Technologien ab. Lesen Sie den Digi-Key-Artikel "Der Unterschied zwischen IoT- und M2M-Kommunikation und -Design", um einen eingehenden Blick auf die Unterschiede zwischen diesen Systemen zu werfen.

  • M2M-Technologien zeichnen sich durch die Überwachung und Steuerung einzelner (zum Teil isolierter) Funktionen aus. Dies geschieht zunehmend über zellulare Kommunikation, die durch eingebettete Geräte erleichtert wird. Viele M2M sind lokalisierte Installationen mit einer oder zwei Informationsquellen: Beispielsweise kann eine M2M-Installation in Verbraucherqualität einen Thermostat und eine Kamera umfassen, die kontinuierlich Daten an ein tragbares Gerät oder ein Smartphone übertragen - möglicherweise, um eine Einstellung durch einen menschlichen Bediener zu veranlassen. Die einzigen Datenpunkte stammen von diesen Messgeräten.
  • IoT impliziert die vollständige Integration vollständig verbundener Anlagen (in der Regel mit Maschinenbetätigung und Rückmeldung), um die Zusammenarbeit zwischen hochentwickelten Systemen, Informationsquellen oder hochautomatisierten Maschinen zu unterstützen. Also würde die gleiche Einrichtung für den Endverbraucher mit Thermostat- und Kamerakommunikation zu einem Smartphone mit IoT-Funktionalität Datenpunkte von diesen Rückmeldungsgeräten (genau wie die M2M-Einrichtung) sowie zusätzliche Daten aus dem Internet über lokale Wettervorhersagen, Daten aus der Nachbarschaft, Expertenanalysen und maschinelle Lerndatenbanken verwenden, um die Reaktion des menschlichen Bedieners oder eine damit verbundene Form der Automatisierung zu informieren.

In industriellen Umgebungen unterstützt eine solche IoT-Funktionalität auch die vorausschauende Wartung und die Verwendung großer Datenmengen für Funktionen auf Unternehmensebene (Business). Gewöhnlich sammelt ein zentralisiertes System teilweise oder vollständig destillierte Maschinenautomatisierungs- und Rückmeldedaten. Dann erzeugt die Systemanalyse vorgeschriebene Parameter für die weitere Überwachung, Regulierung oder Anpassung. Eine zunehmende Zahl von Einrichtungen verwendet große Datenmengen (manchmal ergänzt durch maschinelles Lernen), um sowohl normale als auch problematische Vorgänge zu verwalten, die eine Wartung oder andere Maßnahmen erfordern. Beispielsweise übertragen moderne Gaspipelines Daten über entfernte Pumpstationen an zentrale Datenbanken, auf die das Personal in einer Leitzentrale zugreifen kann - in einigen Fällen auf einem ganz anderen Kontinent.

Arten von Hardware zur Unterstützung von M2M-Funktionen

Sensoren, Aktoren und eingebettete Logik sind die wichtigsten Arten von M2M-unterstützender Hardware. Sensoren und Aktoren werden in der Regel vom Komponentenhersteller mit eingebauter M2M-Konnektivität geliefert. Im Gegensatz dazu werden eingebettete M2M-Module in der Regel vom OEM in seine eigenen Geräte integriert, um bestimmte Aufgaben und Funktionen zu erfüllen - in der Regel, um Zellulare und andere Formen der Konnektivität an Geräte zu übertragen, die in der Vergangenheit möglicherweise isoliert gearbeitet haben. Solche eingebetteten M2M-Systeme sind vor allem in der Transport- und Raumfahrtindustrie nützlich - insbesondere für GPS-Navigationssysteme, Verriegelungen sowie Aufzeichnungsgeräte und Sensoren an Objekten wie Schiffen, Flugzeugen und Langstrecken-Lkw.

Bild des eingebetteten Digi XBee Cellular LTE Cat 1-ModemsAbbildung 2: Eingebettete Systeme umfassen ICs zum Senden, Empfangen und Verarbeiten von Daten. Dieses eingebettete XBee Zellulares LTE Cat 1 Modem ist für OEMs gedacht, die es in ihre Produkte integrieren möchten, die eine zellulare Verbindung benötigen. (Bildquelle: Digi)

M2M-Software: Die für eine M2M-Installation verwendete Software-Plattform hängt von der Mobilität des Rechners, seiner Umgebung und der Menge und Art der zu verarbeitenden Daten ab. Wo M2M-Software Cloud Computing nutzt, läuft sie auf Hardware mit Kommunikation zu einem entfernten Server. Letztere führt ihre eigene Software aus, um Informationen an Administratoren zu senden, die diese Daten anschließend verarbeiten und entsprechend handeln. In einigen Fällen enthält die Software zur Unterstützung von M2M-Netzwerken die Software für eine grafische Benutzeroberfläche (GUI). Solche GUIs ermöglichen es dem Personal, auf destillierte Systemdaten zuzugreifen, die normalerweise in grafischen Diagrammen und Videos statt in komplizierten und potenziell verwirrenden Textoberflächen dargestellt werden.

Wo M2M-Netzwerke nützlich sind

Fokussierte Anwendungen für Diagnose und Wartung: M2M-Netzwerke unterstützen Diagnose und Wartung, Maschinenoptimierung und anwendungsspezifische Steuerungen. Da M2M-Netzwerke kontinuierlich Daten senden und empfangen, eignen sie sich zur Optimierung der geplanten Wartungspläne von Einzelgeräten in Produktionsstätten - und zur Signalisierung, wenn eine außerplanmäßige Wartung erforderlich sein könnte. Hier können die Sensoren einer angeschlossenen Maschine Daten über einen Softwarestack in der Cloud senden und diese Daten an ein anderes Gerät aggregieren; und schließlich Informationen über die Wartung der Ausrüstung oder des Systems liefern. Beispielsweise können ungewöhnliche Temperaturen auf die Notwendigkeit hinweisen, eine Achse neu zu schmieren, oder mechanischer Verschleiß, der den Austausch von Teilen erforderlich macht.

In der Öffentlichkeit und hinter den Kulissen von Flughäfen sammeln M2M-Netzwerke Informationen über Temperatur, Vibrationen und Schmierstoffpegel von Rolltreppen, Fahrsteigen und Gepäckfördersystemen. M2M-Netzwerke verwenden auch Sensoren an Trinkwasserschränken in Flughäfen, um den Wasserfluss, die Temperatur, den offenen oder geschlossenen Zustand der Schranktüren und sogar potenzielle Wasserlecks zu überwachen.

Grafische Anzeige von Maschinenzuständen: Die einfachsten On-Machine-M2M-Statusanzeigen bestehen aus Anzeigeleuchten und Digitalanzeigen. Aber wie bereits erwähnt, unterstützen anspruchsvollere M2M-Systeme GUIs, um Maschinenzustände dem Menschen in Formaten mitzuteilen, die die Daten leicht verständlich machen. In einigen Fällen befinden sich solche Präsentationen auch auf der Maschine oder dem Gerät - als kleines Display oder sogar als HMI in voller Größe. In anderen Fällen befindet sich die grafische Anzeige an einem entfernten Standort.

Einstellungsänderungen per Fernzugriff: Von einem M2M-Netzwerk gesammelte System-Feedback-Daten informieren oft über ferngesteuerte Arbeitsabläufe und Ressourcenzuweisungen. Überdenken Sie unser Beispiel Flughafen: Hier kann die Datenanalyse aus dem M2M-Netzwerk das Management veranlassen, einen Techniker zur Behebung von Gerätefehlern zu schicken, bevor eine Reinigungscrew oder ein Reisender das Problem bemerkt und meldet.

Physische M2M-Netzwerkverbindungen und Links

Wie bereits erwähnt, erfolgt die M2M-Kommunikation über drahtlose und drahtgebundene Einrichtungen. Zu den verdrahteten Permutationen für die einfachsten Geräte gehören Powerline-Kommunikation (Übertragung von Daten auf den gleichen Leitern, die Wechselstrom liefern) und serielle Kommunikation (ein Bit nach dem anderen in Industriestandard-Sequenzen). Fortgeschrittenere M2M-Installationen können lokale Netzwerke (LANs) oder (für verteilte und skalierbare M2M-Anwendungen) Weitverkehrsnetzwerke (WANs) verwenden, um über größere Entfernungen zu kommunizieren und Daten zu senden. Die zuvor erläuterten eingebetteten M2M-Unterkomponenten verbinden sich über WANs und LANs und können als intersystem oder intrasystem Elemente kommunizieren.

Die Kommunikation zwischen den Systemen erfolgt über Controller Area Network (CAN) und Serial Peripheral Interface (SPI) Protokolle zur Kommunikation zwischen den Geräten. Im Gegensatz dazu wird bei der systeminternen Kommunikation häufig ein Universal Serial Bus (USB) oder ein Universal-Synchron/Asynchron-Empfänger/Sender (USART)-Mikrochip für die Kommunikation über den seriellen Anschluss eines Computers verwendet, um den Datenfluss zwischen den Chips innerhalb eines Geräts zu ermöglichen.

Natürlich nimmt die Kommunikation zwischen Maschinen und Geräten andere Formen an. Punkt-zu-Punkt-Kommunikation (im Gegensatz zur Rundfunkkommunikation) unterstützt in der Regel M2M-Funktionen innerhalb von Geräten. Ebenfalls unterstützende M2M-Verbindungen sind Remote Terminal Units (RTUs), die typischerweise als elektronische Mikroprozessormodule zur Überwachung und Steuerung von Feldgeräten für die Überwachungssteuerung und Datenerfassung (SCADA) verkauft werden. Diese sind Vermittler zu:

  • Daten im Telemetrieformat (von Feldgeräten gesammelt) an ein zentrales System übertragen und dann
  • Ausgabe von Antwortbefehlen zurück an Feldgeräte.

Wireless M2M-Kommunikationsformate: M2M-Konfigurationen für die drahtlose Kommunikation gibt es in Hülle und Fülle - unter Verwendung von Bluetooth-, Wi-Fi- und GSM-Technologien sowie von GSM-, CMDA- und LTE-Zellularnetzen. Drahtlose Netzwerke vermitteln Kompaktheit und Bequemlichkeit, und steigende Infrastrukturstandards wie LTE/5G führen zu einer noch stärkeren Nutzung der zellularen Kommunikation für M2M-Funktionalität.

Für M2M-Funktionen verwendete Protokolle der Anwendungsschicht

M2M-Kommunikation findet in erster Linie auf der Anwendungsschicht von Industrienetzwerken statt - der obersten Schicht, die als Schnittstelle zwischen System und Anwendern dient und die Kommunikation zwischen Geräten und Steuerungen ermöglicht. Es gibt zahlreiche Anwendungsprogramm-Schnittstellen (APIs), die die Programmierung dieser Software und Webdienste vereinfachen.

Abbildung verschiedener Netzwerkprotokolle, die nach der Taxonomie des OSI-Standards organisiert sindAbbildung 3: Konzeptionelle Modelle von Netzwerken gibt es in Hülle und Fülle; hier werden verschiedene Netzwerkprotokolle gezeigt, die nach der Taxonomie des bekanntesten Modells organisiert sind - dem 1984 eingeführten Open Systems Interconnection (OSI)-Standard. (Bildquelle: Design World)

Zu den regelmäßig für M2M-Funktionen verwendeten Protokollen gehört das Hypertext Transfer Protocol (HTTP) auf Anwendungsebene, das Nachrichtenstrukturen zwischen Web-Browsern und Servern definiert. HTTP wird gewöhnlich mit der Hyperlinking und anderen Strukturierungen, die es dem World Wide Web vermittelt, in Verbindung gebracht. Seine Funktion in M2M-Anwendungen ist ähnlich, da Browser als Clients fungieren, die Informationen von Servern anfordern, die die Anwendung bereitstellen.

Message Queue Telemetry Transport (MQTT) wird auch für M2M-Konnektivität eingesetzt; es handelt sich dabei um ein TCP/IP-basiertes Nachrichtenprotokoll für leichte M2M-Kommunikation. In einigen Einrichtungen tauschen mehrere Kunden Informationen vermittelt über MQTT aus. Solche Broker-Funktionen werden von einem Empfänger, einem Gateway oder einem Server ausgeführt. Der Broker akzeptiert Nachrichten, die Kunden bei ihm veröffentlichen; im Gegenzug können Kunden dann Nachrichten erhalten, die sie abonniert haben.

Ein weiteres Protokoll, das für M2M-Funktionen verwendet wird, ist das offene OPC Unified Architecture (OPC UA)-Protokoll für die industrielle Automatisierung. Eine weitere Option des offenen Standards ist das Advanced Message Queuing Protocol (AMQP) für die Übermittlung von Nachrichten zwischen Anwendungen. Es ist der Standard, der für Business Messaging in vielen Unternehmensanwendungen verwendet wird. Im Gegensatz dazu ist MTConnect (definiert durch ANSI/MTC1.4-2018) ein Fertigungsstandard, der festlegt, wie Steuerdaten zwischen Fabrikgeräten und Anwendungen ausgetauscht werden sollen. Fabrikanlagen können sowohl Geräte als auch Werkzeuge und Sensoren sein. MTConnect standardisiert Daten, die in einem XML-Format mit standardisierten Komponentenbeschreibungen extrahiert werden.

Obwohl es den Rahmen dieses Artikels sprengt und sich nicht sauber auf das historische OSI-Netzwerkmodell abbilden lässt, ist Amazon Web Services (AWS) IoT Core ein verwalteter Cloud-Service, der für M2M- und IoT-Anwendungen auf dem Vormarsch ist. Sie unterstützt HTTP und MQTT und ermöglicht die sichere Verarbeitung und Weiterleitung von Billionen von Nachrichten zwischen Milliarden von Feldgeräten und AWS-Endpunkten.

Die nächste Grenze für M2M-Kommunikation und -Kontrolle

M2M-Netzwerke werden sich weiter ausbreiten, wenn Unternehmen die Vorteile des Datenzugriffs nutzen. Tatsächlich entwickeln sich M2M-fähige Hardware, Software und Netzwerkkommunikation weiter, um der Industrie und anderen Branchen beispiellose Fähigkeiten zu vermitteln. Diese M2M-Netzwerke werden also auch weiterhin ein leistungsfähiges Mittel zum Senden, Empfangen und Kommunizieren von Daten sein; in einigen Fällen werden sie auch IoT-Installationen ergänzen oder anspornen.

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Über den Autor

Lisa Eitel

Lisa Eitel ist seit 2001 in der Branche für Motor- und Bewegungssteuerung tätig. Zu ihren Schwerpunkten gehören Motoren, Antriebe, Bewegungssteuerung, Kraftübertragung, lineare Bewegung sowie Sensor- und Rückkopplungstechnologien. Sie hat einen B.S. in Maschinenbau und ist Mitglied der „Tau Beta Pi Engineering Honor Society“, Mitglied der „Society of Women Engineers“ und Jurymitglied für die „FIRST Robotics Buckeye Regionals“. Neben ihren Beiträgen auf motioncontroltips.com leitet Lisa auch die Produktion der vierteljährlichen Motion-Ausgaben von Design World.

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