Come progettare una rete overlay modulare per l'ottimizzazione dell'elaborazione dei dati di Impresa 4.0 nell'IIoT

L'ottimizzazione dell'elaborazione dei dati per i sistemi di Impresa 4.0 e dell'Internet delle cose industriale (IIoT) per supportare la produzione snella può avvenire attraverso il monitoraggio delle condizioni, la manutenzione predittiva, l'analisi e il monitoraggio dell'efficacia complessiva delle apparecchiature (OEE), la diagnostica e la risoluzione dei problemi. In molti casi il problema è che le apparecchiature legacy non sono progettate per essere connesse o possono utilizzare uno qualsiasi dei vari protocolli di comunicazione, rendendone costosa la sostituzione. Per garantire la massima efficacia e ottenere dati fruibili dalle macchine, in molti casi è più semplice e più economico implementare una rete overlay che possa connettere le isole di automazione esistenti e le apparecchiature legacy.

Progettare una rete overlay è impegnativo. Richiede un controller capace di ricevere segnali da sensori e altri dispositivi che usano una varietà di protocolli di comunicazione, combinare questi segnali in un flusso unificato di dati utilizzabili ed esportare i dati alle risorse di edge computing o al cloud. Il sistema ha bisogno di adattatori che possano collegarsi direttamente a sensori, indicatori e altri dispositivi. Sono necessari convertitori per collegare vari dispositivi precedentemente incompatibili, comprese le apparecchiature legacy.

Inoltre, per garantire un funzionamento affidabile, sono necessari filtri per proteggere le comunicazioni di dati dal rumore elettrico e dai transitori. Tutti questi componenti dovrebbero soddisfare gli standard ambientali IP65, IP67 e IP68 per il funzionamento in ambienti industriali e la soluzione deve essere facile ed economica da implementare.

Questo articolo discute brevemente i problemi di connessione delle apparecchiature legacy all'IIoT. Presenta quindi l'architettura della famiglia di strumenti hardware e software Snap Signal di Banner Engineering e come affronta queste sfide. Offre esempi di dispositivi Snap Signal tra cui il controller DXMR90, i convertitori, gli adattatori e i filtri associati, così come le considerazioni applicative quando si implementa una soluzione di edge computing cablata e wireless o di connettività cloud.

Connettere le apparecchiature legacy all'IIoT

Molte fabbriche sono precedenti alla comparsa dell'IIoT e di Impresa 4.0, e spesso non è possibile interconnettere tutte le apparecchiature e le macchine su un'unica rete, ne risultano quindi "isole di automazione". Anche se non del tutto isolate, le apparecchiature legacy possono essere difficili da interconnettere a causa dell'inflessibilità derivante dall'uso di protocolli di comunicazione proprietari, connettori e cablaggi non standard e altri fattori.

Una rete overlay IIoT Snap Signal può essere un modo rapido, flessibile ed economico per connettere le apparecchiature legacy e le isole di automazione, accettando e convertendo vari protocolli di comunicazione dati non compatibili in uno standard facile da distribuire alle risorse di edge computing o al cloud per l'analisi e l'azione (Figura 1).

Figura 1: Una rete overlay Snap Signal fornisce un'architettura modulare per connettere le apparecchiature legacy e le isole di automazione con risorse di edge o cloud computing. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Sono molti i componenti chiave necessari per implementare reti overlay IIoT flessibili e affidabili:

• Adattatori per reinstradare il cablaggio e collegare vari schemi di cablaggio di apparecchiature da sensori, indicatori e altri dispositivi a un formato standard utilizzato nella rete overlay.
• Convertitori di dati tra formati incompatibili come discreti, analogici e vari formati digitali delle apparecchiature legacy o isole di automazione in protocolli standard come IO-Link o Modbus per consentire il monitoraggio centralizzato delle prestazioni.
• Filtri per proteggere i dati dagli ambienti industriali elettricamente rumorosi, migliorando l'integrità e l'affidabilità del segnale e riducendo i requisiti di risoluzione dei problemi.
• Un controller programmabile per consolidare i dati da più fonti e fornire l'elaborazione locale dei dati, così come la connettività che consente alle apparecchiature legacy e alle isole di automazione di essere integrate nell'IIoT.
• Una connessione cablata o wireless per distribuire i dati raccolti alle risorse di edge computing e/o al cloud come Cloud Data Service (CDS) di Banner, che fornisce la visualizzazione dei dati e analisi delle prestazioni delle macchine e per inviare avvisi via e-mail o messaggi di testo per supportare il funzionamento della macchina, la manutenzione e la riparazione in tempo reale (Figura 2).

Figura 2: I dati consolidati possono essere trasmessi con una connessione cablata o wireless alle risorse di edge computing o al cloud come CDS di Banner (schermata sopra). (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Controller per il consolidamento di più flussi di dati

Il controller programmabile e i convertitori di dati sono elementi chiave nella progettazione di una rete overlay. Il controller industriale DXMR90 di Banner funge da hub di comunicazione centrale che combina i segnali da più porte Modbus in un flusso di dati unificato inoltrato utilizzando i protocolli Industrial Ethernet. Ad esempio, il modello DXMR90-X1 include quattro master Modbus e supporta la comunicazione simultanea con un massimo di quattro reti seriali (Figura 3).

Figura 3: Le porte su DXMR90 includono una porta Modbus 0 configurabile (lato sinistro), porte Modbus master (da 1 a 4 in basso), porta Modbus 0/PW configurabile per RS-485 e potenza erogata dalla rete (in alto a destra) e una porta Ethernet con codice D (in basso a destra). (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

DXMR90 è un controller di comunicazione altamente integrato dotato di:

• Capacità di operare con una gamma di dispositivi Modbus, convertendo Modbus RTU in Modbus TCP/IP, Ethernet I/P o Profinet.
• Quattro porte master Modbus indipendenti che possono collegare dispositivi slave senza assegnare manualmente un indirizzo ai dispositivi.
• Controllo locale e connettività con:
  • Modbus/TCP, Modbus RTU, Ethernet/IP e Profinet, protocolli di automazione
  • Protocolli Internet tra cui RESTful API e MQTT con servizi web di AWS e altri
  • Avvisi diretti via e-mail
• Controller logico interno con regole d'azione predefinite, anche programmabile usando MicroPython o ScriptBasic.
• L'alloggiamento con grado di protezione IP65, IP67 e IP68 semplifica la distribuzione in ambienti industriali.
• Indicazioni di stato rapide con LED programmabili dall'utente.
• Un cavo Ethernet cablato o un controller DXM abilitato su cellulare possono essere utilizzati per la connessione a database come CDS di Banner.

I convertitori collegano i dispositivi sulle reti IIoT

La conversione efficiente dei dati è necessaria per unire le apparecchiature legacy e le isole di automazione in una rete overlay. Per questa funzione, i progettisti possono usare i piccoli convertitori in linea serie S15C di Banner per convertire i dati del monitoraggio delle condizioni e dei sensori di processo da una varietà di formati in dati digitali IO-Link (Figura 4). Ad esempio, S15C-MGN-KQ è un convertitore da master Modbus a dispositivo IO-Link configurabile dall'utente capace di leggere fino a 60 registri e scriverne fino a 15, con registri Modbus predefiniti inviati automaticamente su IO-Link.

Figura 4: I convertitori di dati in linea serie S15C possono convertire vari tipi di segnali tra cui discreti, analogici e altri in protocolli industriali come Modbus, IO-Link, PWM e PFM. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

I convertitori S15C misurano 15 mm di diametro con un alloggiamento IP68 sovrastampato e connettività M12 e utilizzano la stessa alimentazione del dispositivo collegato. L'uso dei convertitori S15C elimina la limitazione di comunicazione IO-Link di 20 metri poiché possono essere installati alla fine di un collegamento Modbus, vicino al master IO-Link.

La linea di convertitori S15C comprende otto modelli:

• Sei convertitori da Modbus a IO-Link per l'uso con la linea di sensori Modbus di Banner, tra cui ultrasuoni, misurazione della barriera fotoelettrica, temperatura/umidità, vibrazione/temperatura e GPS. Inoltre, un convertitore generico può essere configurato per consentire alla maggior parte dei dispositivi Modbus di essere distribuiti come dispositivi IO-Link.
• Due modelli di sensori analogici che convertono i segnali da 0 a 10 V c.c. o da 4 a 20 mA nei loro valori digitali e li inoltrano come dati IO-Link.

Adattatori di cablaggio e filtri completano la rete

Oltre a un controller e ai convertitori di dati, i progettisti hanno bisogno di adattatori di cablaggio e filtri di rumore per implementare rapidamente reti overlay flessibili ed economiche. Gli adattatori di cablaggio in linea, come S15A-F14325-M14325-Q di Banner, si collegano direttamente a un sensore, un indicatore o un altro dispositivo per reindirizzare il cablaggio e isolare i segnali come necessario per soddisfare le esigenze di applicazioni specifiche (Figura 5). Questi adattatori di cablaggio sono disponibili in configurazioni standard e personalizzate.

Figura 5: Gli adattatori S15A come S15A-F14325-M14325-Q utilizzano una connessione M12 per una facile installazione e possono reinstradare il cablaggio come necessario per soddisfare le esigenze di applicazioni specifiche. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Anche i filtri in linea S15F come S15F-L-4000-Q sono elementi importanti in una rete overlay (Figura 6). Possono risolvere facilmente il problema del rumore elettrico e delle tensioni transitorie, che possono inficiare le prestazioni della rete. Come gli adattatori S15A e i convertitori S15C, questi filtri hanno connessioni M12 e sono confezionati in una configurazione sovrastampata che soddisfa gli standard IP65, IP67 e IP68. L'installazione di un filtro in linea S15F può risultare in una migliore integrità del segnale e in una minore necessità di risoluzione dei problemi della rete.

Figura 6: I filtri in linea S15F come S15F-L-4000-Q possono essere utilizzati per proteggere i dispositivi dal rumore elettrico e dai transitori e la loro connessione M12 facilita l'installazione ovunque nella rete. (Immagine per gentile concessione di Banner Engineering)

Progettazione e implementazione di una rete Snap Signal

La progettazione e l'implementazione di una rete overlay Snap Signal inizia con l'identificazione delle fonti di dati da monitorare. Poi bisogna determinare se è necessario aggiungere nuovi sensori o indicatori per integrare i dispositivi esistenti. I passi nella progettazione di una rete Snap Signal includono:

• Usare l'approccio dello schema di una rete Banner per identificare e selezionare i componenti Snap Signal necessari per una specifica installazione.
• Pianificare il percorso di cablaggio ottimale, compreso il posizionamento dei connettori a T e dei filtri tra i dispositivi da monitorare e il controller DXMR90.
• Determinare se l'installazione richiederà l'uso di una connessione Ethernet cablata per la fruizione locale di dati o l'uso di un dispositivo gateway per la connessione wireless a una piattaforma cloud.

Snap Signal è una vera rete overlay e non richiede la sostituzione di alcun elemento hardware esistente. L'architettura modulare plug-and-play di Snap Signal semplifica l'installazione:

• Installare tutti i nuovi sensori o altri dispositivi e aggiungere cavi ripartitori a ogni dispositivo da monitorare per mantenere la connessione esistente con i controlli della macchina, fornendo anche un secondo percorso sulla rete overlay.
• Installare i convertitori di segnale in linea appropriati.
• Aggiungere connettori a T, filtri e altro cablaggio di rete come necessario per completare la rete e collegarsi al controller DXMR90.
• Programmare DXMR90 per creare sequenze di rilevamento e controllo personalizzate utilizzando la programmazione ScriptBasic o MicroPython e/o le regole d'azione incorporate.
• Collegare DXMR90 alle risorse di edge computing utilizzando la connessione Ethernet o, per le connessioni cloud, un controller DXM abilitato su cellulare.

Conclusione

Le reti overlay IIoT possono supportare le esigenze dei progettisti di collegare le apparecchiature legacy e le isole di automazione nelle reti industriali, consentendo la raccolta di dati fruibili per sostenere una maggiore produttività nelle fabbriche esistenti. La progettazione e l'implementazione di una tale rete overlay è complessa, ma come mostrato, può essere notevolmente semplificata con la topologia e la linea Snap Signal di Banner Engineering. La linea comprende il controller industriale DXMR90, convertitori di dati, adattatori di cablaggio, filtri e altri elementi necessari per implementare una rete overlay IIoT e distribuirla alle risorse di edge computing o al cloud. Il design programmabile, modulare e flessibile dell'architettura di rete Snap Signal supporta l'aggiunta di nuovi dispositivi e rende l'installazione a prova di futuro.

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