כיצד לתכנן רשת שכבת-על (Overlay‏) מודולרית עבור אופטימיזציה של עיבוד נתונים Industry 4.0‏ ב-IIoT

אופטימיזציה של עיבוד נתונים ב-Industry 4.0 ובמערכות אינטרנט של דברים תעשייתי (IIoT) לתמיכה בייצור רזה ניתן לבצע באמצעות ניטור מצב, תחזוקה מנבאת, ניתוח ומעקב של יעילות ציוד כוללנית (OEE‏), דיאגנוסטיקה ואיתור תקלות. הבעיה במקרים רבים היא שציוד מדורות קודמים לא תוכנן לחיבור או לשימוש עם כל אחד מפרוטוקולי התקשורת, מה שהופך את ההחלפה של כולם ליקרה. כדי להבטיח יעילות מרבית ולהשיג נתוני מכונה מניעי-פעולה, קל וחסכוני יותר במקרים רבים לממש רשת שכבת-על שיכולה לחבר בין איי אוטומציה קיימים וציוד מדורות קודמים.

תכנון רשת שכבת-על כזו הוא משימה מאתגרת. זה דורש בקר שיכול לקבל אותות מחיישנים והתקנים אחרים המשתמשים במגוון פרוטוקולי תקשורת, לשלב את האותות הללו לזרם מאוחד של נתונים שימושיים ולייצא את הנתונים האלה למשאבי מחשוב קצה או לענן. המערכת זקוקה למתאמים שיכולים להתחבר ישירות לחיישנים, מחוונים והתקנים אחרים. יש צורך בממירים כדי לחבר סוגי התקנים שלא היו תואמים בעבר, כולל ציוד מדורות קודמים.

בנוסף, כדי להבטיח פעולה אמינה, נדרשים מסננים להגנה על תקשורת נתונים מפני רעשים חשמליים וטרנזיינטים. כל הרכיבים האלו צריכים לעמוד בתקני איכות הסביבה IP65, IP67 ו-IP68 עבור פעולה בסביבות תעשייתיות, והפתרון צריך להיות קל, יעיל וחסכוני למימוש.

מאמר זה דן בקצרה בבעיות של חיבור ציוד מדורות קודמים ל-IIoT. לאחר מכן הוא מציג את הארכיטקטורה של משפחת כלי החומרה והתוכנה Snap Signal מבית Banner Engineering וכיצד היא מתמודדת עם האתגרים הללו. הוא מציג דוגמאות של התקני Snap Signal כולל בקר DXMR90, ממירים, מתאמים ומסננים קשורים, כמו גם שיקולי יישום בעת מימוש מחשוב קצה חוטי ואלחוטי או חיבוריות ענן.

חיבור ציוד מדורות קודמים ל-IIoT

מפעלים רבים קדמו להופעת ה-IIoT ו-Industry 4.0, ולעתים קרובות לא ניתן לחבר את כל הציוד והמכונות לתוך רשת אחת, וכתוצאה מכך נוצרים איים של אוטומציה. גם אם אינו מבודד על 'אי', ציוד מדורות קודמים עלול להיות קשה לחיבור עקב אי-גמישות הנובעת מהשימוש בפרוטוקולי תקשורת קנייניים, מחברים וכבלים לא סטנדרטיים וגורמים אחרים.

רשת שכבת-על Snap Signal IIoT יכולה לספק דרך מהירה, גמישה, יעילה וחסכונית לחיבור ציוד מדורות קודמים ואיי אוטומציה על ידי קליטה והמרה של פרוטוקולי תקשורת נתונים לא-תואמים שונים לתוך פרוטוקול נוח להפצה, המסוגל להעביר עד לקצה או למשאבי מחשוב ענן עבור ניתוח ופעולה (איור 1).

איור 1: רשת שכבת-על Snap Signal מספקת ארכיטקטורה מודולרית לחיבור ציוד מדורות קודמים ואיי אוטומציה עם משאבי מחשוב קצה או ענן. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

ישנם מספר רכיבי מפתח הדרושים לפרישת רשתות שכבת-על IIoT גמישות ואמינות:

• מתאמים לניתוב-מחדש של חיווט וקישור של סכמות חיווט ציוד שונות מחיישנים, מחוונים והתקנים אחרים לפורמט סטנדרטי המשמש ברשת שכבת-העל.
• ממירי נתונים לתרגום פורמטים לא-תואמים כגון פורמטים בדידים, אנלוגיים ודיגיטליים שונים המצויים בציוד מדורות קודמים או באיי אוטומציה לתוך פרוטוקולים סטנדרטיים כגון IO-Link או Modbus כדי לאפשר ניטור ביצועים מרכזי.
• מסננים להגנה על הנתונים מפני השחתה בסביבות תעשייתיות רועשות חשמלית, תוך שיפור תקינות האותות והאמינות והפחתת דרישות איתור תקלות.
• בקר ניתן-לתכנות לאיחוד נתונים ממספר מקורות ולספק עיבוד נתונים מקומי, כמו גם חיבוריות המאפשרת לשלב ציוד מדורות קודמים ואיי אוטומציה ב-IIoT.
• חיבור חוטי או אלחוטי להפצת הנתונים שנאספו למשאבי מחשוב קצה ו/או לענן כגון (Cloud Data Service (CDS של Banner, המספק הדמיית נתונים ותובנות לגבי ביצועי המכונה ושליחת התרעות אימייל או טקסט כדי לתמוך בפעולת המכונה, תחזוקה ותיקונים בזמן-אמת (איור 2).

איור 2: נתונים מאוחדים באמצעות חיבור חוטי או אלחוטי ניתן להעביר למשאבי מחשוב קצה או לענן כגון CDS של Banner (צילום מסך למעלה). (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

בקר עבור איחוד מספר זרמי נתונים

הבקר הניתן-לתכנות וממירי הנתונים הם מרכיבי מפתח בתכנון רשת שכבת-על. הבקר התעשייתי DXMR90 של Banner משמש כרכזת התקשורת המרכזית ומשלב אותות ממספר יציאות Modbus לזרם נתונים מאוחד המועבר באמצעות פרוטוקולי Ethernet תעשייתי. לדוגמה, דגם DXMR90-X1 כולל ארבעה מאסטרים של Modbus ותומך בתקשורת בו-זמנית עם עד ארבע רשתות טוריות (איור 3).

איור 3: נקודות-החיבור ב-DXMR90 כוללות נקודת-חיבור Modbus 0 הניתנת להגדרה (בצד שמאל), נקודות-חיבור Modbus Master‏ (1 עד 4 בתחתית), נקודת-חיבור Modbus 0/PW ניתנת-להגדרה עבור RS-485 והספק נכנס (מימין למעלה), וכן נקודת-חיבור Ethernet עם קוד-D (מימין למטה). (מקור תמונה: Banner Engineering‏)

ה-DXMR90 הוא בקר תקשורת משולב ביותר הכולל:

• היכולת לעבוד עם מגוון התקני Modbus ולהמיר Modbus RTU ל-Modbus TCP/IP‏, Ethernet I/P או Profinet.
• ארבע נקודות-חיבור מאסטר Modbus עצמאיות היכולות לחבר התקני Slave מבלי להקצות ידנית כתובת להתקנים.
• שליטה מקומית וחיבוריות עם:
  • Modbus/TCP‏, Modbus RTU‏, EtherNet/IP‏ ו-Profinet‏, פרוטוקולי אוטומציה
  • פרוטוקולי אינטרנט כולל RESTful API ו-MQTT עם שירותי אינטרנט של AWS ואחרים
  • התרעות אימייל ישירות
• בקר לוגיקה פנימי עם כללי פעולה מוגדרים-מראש, הניתן לתכנות גם באמצעות MicroPython או ScriptBasic‏.
• בתים בדירוג IP65, IP67 ו-IP68 מפשטים את הפרישה בסביבות תעשייתיות.
• חיווי סטטוס מהירים עם נורות LED הניתנות לתכנות על ידי המשתמש.
• כבל Ethernet חוטי או בקר DXM‏ מאופשר-סלולר המשמש עבור חיבור לבסיסי נתונים כגון CDS של Banner.

ממירים מחברים התקנים ברשתות IIoT

המרת נתונים יעילה דרושה כדי לשלב ציוד מדורות קודמים ואיי אוטומציה לתוך רשת שכבת-על. עבור פונקציה זו המתכננים יכולים להשתמש בממירים על-הקו סדרת S15C‏ תקיעים של Banner כדי להמיר נתוני ניטור מצב ונתוני חיישני תהליך ממגוון של פורמטים לנתוני IO-Link דיגיטליים (איור 4). לדוגמה, ה-S15C-MGN-KQ הוא ממיר התקני Modbus מאסטר ל-IO-Link הניתן להגדרה על ידי המשתמש לקריאה של עד 60 רגיסטרים ולכתיבה של עד 15, כאשר רגיסטרי Modbus מוגדרים-מראש נשלחים אוטומטית דרך IO-Link.

איור 4: ממירי הנתונים על-הקו סדרת S15C יכולים להמיר סוגים שונים של אותות, כולל בדידים, אנלוגיים ואחרים לפרוטוקולים תעשייתיים כמו Modbus‏, IO-Link‏, PWM‏ ו-PFM‏. (מקור תמונה: Banner Engineering‏)

ממירי S15C הם בקוטר של 15 מילימטרים (מ"מ) עם בית IP68 יצוק-מעל וחיבוריות M12 והם משתמשים באותו ספק-כוח כמו ההתקן המחובר. השימוש בממירי S15C מבטל את מגבלת התקשורת של 20 מטר של תקשורת IO-Link‏ מכיוון שניתן להתקין אותם בקצה קישור Modbus, בסמוך למאסטר IO-Link.

קו הממירים S15C כולל שמונה דגמים:

• שישה ממירי Modbus ל-IO-Link עבור שימוש עם קו חיישני Modbus של Banner, כולל אולטרסוני, המודד וילון אור, טמפרטורה/לחות, רעידות/טמפרטורה ו-GPS. בנוסף, ישנו ממיר גנרי הניתן להגדרה כך שיאפשר את פרישת מרבית התקני Modbus כהתקני IO-Link.
• שני דגמי חיישנים אנלוגיים הממירים אותות של 0 עד 10 וולט DC או 4 עד 20 מיליאמפר (mA) לערכים הדיגיטליים שלהם ומעבירים אותם כנתוני IO-Link.

מתאמי חיווט ומסננים משלימים את הרשת

בנוסף לבקר וממירי נתונים, המתכננים צריכים מתאמי חיווט ומסנני רעש כדי לפרוש במהירות רשתות שכבת-על גמישות, יעילות וחסכוניות. מתאמי חיווט על-הקו, כגון S15A-F14325-M14325-Q של Banner, מתחברים ישירות לחיישן, מחוון או התקן אחר כדי לנתב-מחדש חיווט ולבודד אותות לפי הצורך כדי להתאים לצורכי יישום ספציפיים (איור 5). מתאמי חיווט אלו זמינים בתצורות סטנדרטיות ומותאמות-במיוחד.

איור 5: מתאמי S15A כגון S15A-F14325-M14325-Q משתמשים בחיבור M12 עבור התקנה קלה ויכולים לנתב-מחדש את החיווט לפי הצורך כדי להתאים לדרישות היישום הספציפיות. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

מסננים על-הקו S15F כמו S15F-L-4000-Q הם גם מרכיבים חשובים ברשת שכבת-על (איור 6). הם יכולים לפתור בקלות אתגרים עם רעש חשמלי ומתחים טרנזיינטיים העלולים להשפיע לרעה על ביצועי הרשת. כמו מתאמי S15A וממירי S15C, מסננים אלו כוללים חיבורי M12 והם ארוזים בתצורת יציקה-מעל (Over-Molded) העומדת בתקני IP65, IP67 ו-IP68. ההתקנה של מסנן על-הקו S15F יכולה לגרום לשיפור תקינות האותות ולצורך מופחת באיתור תקלות רשת.

איור 6: במסננים על-הקו S15F כמו ה-S15F-L-4000-Q ניתן להשתמש מיידית כדי להגן על התקנים מפני רעשים חשמליים וטרנזיינטים, וחיבור ה-M12 שלהם מאפשר התקנה קלה בכל מקום בו יש צורך ברשת. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

תכנון ופרישה של רשת Snap Signal‏

התכנון והפרישה של רשת שכבת-על Snap Signal‏ מתחילים בזיהוי מקורות הנתונים שיש לנטר. לאחר מכן יש לקבוע אם יש להוסיף חיישנים או מחוונים חדשים כדי להשלים את ההתקנים הקיימים. השלבים בתכנון של רשת Snap Signal כוללים:

• שימוש בגישת דיאגרמת המערכת של Banner כדי לזהות ולבחור את רכיבי Snap Signal‏ הדרושים עבור התקנה ספציפית.
• תכנון נתיב החיווט האופטימלי, כולל מיקום מחברי T ומסננים בין ההתקנים שיש לנטר לבין בקר DXMR90.
• קביעה אם ההתקנה תדרוש שימוש בחיבור Ethernet חוטי עבור צריכת נתונים מקומית או שימוש בהתקן שער קצה לחיבור אלחוטי לפלטפורמת ענן.

Snap Signal היא רשת שכבת-על אמיתית ואינה דורשת החלפה של חומרה קיימת. ארכיטקטורת Snap Signal‏ המודולרית של הכנס-והפעל הופכת את ההתקנה לקלה:

• התקנת חיישנים חדשים או התקנים אחרים והוספת כבלי מפצל לכל התקן מנוטר כדי לשמור על החיבור הקיים עם פקדי המכונה לצד נתיב שני של רשת-העל.
• התקנת ממירי האותות על-הקו המתאימים.
• הוספת מחברי T, מסננים וחיווטי רשת אחרים לפי הצורך כדי להשלים את הרשת ולהתחבר לבקר DXMR90.
• תכנות ה-DXMR90 ליצירת סדרות חישה ובקרה מותאמות-במיוחד באמצעות תכנות ScriptBasic או MicroPython ו/או כללי פעולה משובצים.
• חיבור ה-DXMR90 למשאבי מחשוב קצה באמצעות חיבור Ethernet, או עבור חיבורי ענן, בקר DXM מאופשר-סלולר.

סיכום

רשתות IIoT שכבת-על (Overlay‏) יכולות לתמוך בצרכים של המתכננים לחיבור ציוד מדורות קודמים ואיי אוטומציה לרשתות תעשייתיות המאפשרות איסוף נתונים מניעי-פעולה כדי לתמוך בפרודוקטיביות מוגדלת במפעלים קיימים. התכנון והמימוש של רשת שכבת-על כזו הם מורכבים, אך כפי שהוצג, ניתן לפשט אותו במידה ניכרת באמצעות הטופולוגיה וקו Snap Signal של Banner Engineering. הקו כולל את הבקר התעשייתי DXMR90, ממירי נתונים, מתאמי חיווט, מסננים ואלמנטים נוספים הדרושים עבור מימוש רשת שכבת-על IIoT וחיבורה למשאבי מחשוב קצה או לענן. התכן הניתן-לתכנות, מודולרי וגמיש של ארכיטקטורת רשת Snap Signal תומך בהוספת התקנים חדשים ומבטיח את ההתקנה לעתיד.

קריאה מומלצת

1. יסודות אבטחת IoT - פרק 5: חיבור מאובטח לשירותי ענן IoT