רשתות מכונה-למכונה (M2M) עבור פונקציות מכונה אוטומטיות

רשתות מכונה למכונה (M2M) הן בבסיסן פרמוטציה של טלמטיקה תעשייתית - שילוב של טלקומוניקציה ואינפורמטיקה המשתמשים בנתונים להרצת פעולות אוטומטיות. רשתות M2M כוללות חיישנים, פקדים ומכונות המתקשרים ללא מעורבות אדם. המכונות ברשתות כאלו יכולות להיות באותו המקום או במרחק של חצי עולם זו מזו.

תקשורות קווית ואלחוטית דוחפות פונקציות M2M. ההתקנים משדרים ואוספים מידע כדי לאפשר הערכות תפעוליות והתאמות בזמן-אמת. לדוגמה, מתקן לטיהור שפכים עשוי להשתמש בחיישנים מרוחקים בתחנות מפתח לאיסוף נתונים הקשורים לרמות הנוזלים, היחסים הכימיים, הטמפרטורות, קצבי הזרימה ופרמטרים אחרים. ואז הנתונים האלה מועברים דרך רשת אלחוטית לפלטפורמה לפקדים חכמים עבור איסוף. היכן שזה מועיל למפעיל אנושי לפקח ולהגיב לפרמטרים המשתנים, ממשק אדם מכונה (HMI) המריץ תוכנה ספציפית-ליישום עשוי להציג את ערכי המערכת על לוח המחוונים הדיגיטלי. במקרים מסוימים, מכונות היקפיות מקבלות אותות ממכונות אחרות באמצעות בקרים ברשת M2M. זה מאפשר לציוד כזה לפעול בטנדם עם כל תכנות מבוסס-כללים מוגדר-מראש.

איור 1: דונגל סלולרי Quick-Carrier USB-D תומך בהתקנות M2M הדורשות חיבוריות נתונים אמינה. הוא מספק גם התקנה מהירה של חיבוריות סלולרית כדי לתקשר דברים פיזיים באופן דיגיטלי. (מקור התמונה: Multi-Tech Systems, Inc.‎)

ההבדל בין רשתות M2M לבין חיבוריות אינטרנט-של-דברים (IoT)

היכולת החדשה יחסית של תכנים אוטומטיים להתניע ולווסת פעולות ברמה גבוהה יותר תלויה הן בטכנולוגיות M2M והן בטכנולוגיות IoT. קראו את מאמר DigiKey "ההבדל בין תקשורת ותכני IoT ו- M2M" כדי לקבל מבט מעמיק על האופן בו מערכות אלו נבדלות.

• טכנולוגיות M2M מצטיינות בניטור ובקרה של פונקציות פרטניות (במידה מסוימת מבודדות). זה נעשה יותר ויותר באמצעות תקשורת סלולרית המתאפשרת על ידי התקנים משובצים. התקנות M2M רבות הן מקומיות ומשתמשות באחד או שני מקורות מידע: לדוגמה, מערך M2M בדירוג-צרכנים עשוי לכלול תרמוסטט ומצלמה המעבירים נתונים ברציפות להתקן לביש או לסמארטפון - יתכן כדי להתניע כוונון על ידי מפעיל אנושי. נקודות הנתונים היחידות הן מאותם התקני חישה.
• משמעות ה- IoT היא שילוב מלא של התקנות מחוברות במלואן (בדרך כלל כאלו הכוללות הפעלת מכונה ומשוב) לתמיכה בפעולות שיתופיות בין מערכות מתוחכמות, מקורות מידע או חלקים של מכונות אוטומטיות ביותר. כך, אותו מערך בדירוג-צרכנים עם תרמוסטט ומצלמה וכן תקשורת לסמארטפון המשלב פונקציונליות IoT ישתמש בנקודות נתונים מאותם התקני משוב (בדיוק כמו שקורה במערך M2M) כמו גם בנתונים נוספים מהאינטרנט על תחזיות מזג האוויר המקומיות, נתונים שכונתיים הנאספים מהציבור (Crowd Sourcing), ניתוחי מומחים ומסדי-נתונים של למידת-מכונה כדי ליידע את תגובת המפעיל האנושי או צורה אוטומטית מחוברת כלשהי.

במערכים תעשייתיים, פונקציונליות IoT כזו תומכת גם בתחזוקה פרדיקטיבית ובשימוש בביג דאטה עבור פונקציות (עסקיות) ברמת-הארגון. בדרך כלל מערכת מרכזית כלשהי אוספת נתוני משוב ואוטומציית מכונות המזוקקים באופן חלקי או מלא. ואז ניתוח המערכות מייצר פרמטרים שהוגדרו מראש עבור ניטור, ויסות או כוונון נוספים. מספר הולך וגדל של מפעלים משתמשים בביג דאטה (עם למידת מכונה משלימה) לניהול פעולות הן רגילות והן בעייתיות הדורשות תחזוקה או פעולה אחרת. לדוגמה, צינורות גז מודרניים מעבירים נתונים על תחנות שאיבה מרוחקות למאגרי נתונים מרכזיים כדי להנגישם לצוות מרכז הבקרה והשליטה - במקרים מסוימים, ביבשת אחרת לגמרי.

סוגי החומרה לתמיכה בפונקציות M2M

חיישנים, מפעילים (Actuators) ולוגיקה משובצת הם הסוגים העיקריים של חומרה תומכת-M2M. החיישנים והמפעילים מסופקים בדרך כלל על ידי יצרן הרכיבים ביחד עם חיבוריות M2M מובנית. לעומת זאת, מודולי M2M משובצים משולבים בדרך כלל על ידי יצרני OEM בהתקנים שלהם כדי לבצע משימות ופונקציות מסוימות - בדרך כלל כדי להקנות צורות חיבוריות סלולריות ואחרות להתקנים שייתכן ובעבר פעלו במנותק. מערכות M2M משובצות כאלו הן שימושיות במיוחד בתעשיות תחבורה ותעופה-וחלל - במיוחד עבור מערכות ניווט GPS, אינטרלוקים, ורשמים וחיישנים על נכסים כמו אוניות, מטוסים ומשאיות למרחקים גדולים.

איור 2: מערכות משובצות הכוללות מעגלים-משולבים (IC) לשידור, קליטה ועיבוד נתונים. מודם משובץ XBee סלולרי LTE Cat 1 זה מיועדעבור יצרני OEM לשילוב בתכנים שלהם הדורשים חיבוריות סלולרית. (מקור התמונה: Digi)

תוכנת M2M: פלטפורמת התוכנה המשמשת להתקנת M2M תלויה בניידות המכונה, בסביבתה ובכמות וסוג הנתונים שיש לעבדם. כאשר תוכנת M2M ממנפת את מחשוב הענן, היא פועלת על חומרה עם תקשורת לשרת מרוחק. זה האחרון מפעיל תוכנה משלו כדי לשלוח מידע למנהלי המערכת שבהמשך מעבדים את הנתונים הללו ופועלים על פיהם. במקרים מסוימים התוכנה התומכת ברשתות M2M כוללת זאת עבור ממשק משתמש גרפי (GUI). ממשקי GUI כאלו מאפשרים לאנשי הצוות גישה לנתוני מערכת מזוקקים המוצגים בדרך כלל בתרשימים וסרטונים גרפיים במקום באמצעות ממשקי טקסט מורכבים ולעיתים מבלבלים.

היכן רשתות M2M הן שימושיות

יישומים ממוקדים עבור דיאגנוסטיקה ותחזוקה: רשתות M2M תומכות בדיאגנוסטיקה ותחזוקה, באופטימיזציה של מכונות ובפקדים ספציפיים-ליישום. מכיוון שרשתות M2M שולחות ומקבלות נתונים באופן רצוף, הן מתאימות עבור מיטוב לוחות הזמנים לתחזוקה המתוכננת של ציוד עצמאי במתקני ייצור - ולאותת מתי יתכן ויהיה צורך בתחזוקה לא-מתוכננת. כאן, חיישני מכונה מחוברת יכולים לשלוח נתונים דרך חבילת תוכנה בענן ולאגור נתונים אלו עבור התקן אחר; ולבסוף לספק מידע על הציוד או על תחזוקת המערכת. לדוגמה, טמפרטורות חריגות עשויות להצביע על הצורך לשמן-מחדש ציר או על שחיקה מכנית המחייבת החלפת חלקים.

מאחוריבתוך אזורי שדות תעופה, הן הציבוריים והן מאחורי הקלעים, רשתות M2M אוספות מידע על טמפרטורה, רעידות ורמות חומרי הסיכה של מנועי גלגלי שיניים של מדרגות נעות, מסועים ומערכות טיפול במזוודות. רשתות M2M משתמשות גם בחיישנים במתקני מי שתייה בשדות תעופה כדי לנטר את זרימת המים, הטמפרטורה, מצבם הפתוח או הסגור של דלתות המתקן ואפילו דליפות מים אפשריות.

תצוגה גרפית של מצב המכונה: מחווני הסטטוס M2M הפשוטים ביותר שבמכונה הם בצורת נורות חיווי וקריאות דיגיטליות. אך כפי שנאמר, מערכות M2M מתוחכמות יותר תומכות ב- GUI לתקשורת מצב המכונה לבני אדם בפורמטים המקלים על הבנת הנתונים. במקרים מסוימים, תצוגות כאלו מופיעות גם במכונה או בהתקן - כתצוגה קטנה או אפילו כממשק HMI בגודל מלא. במקרים אחרים התצוגה הגרפית נמצאת במקום מרוחק.

שינויים מרחוק להגדרות: נתוני משוב המערכת שנאספו על ידי רשת M2M מודיעים לעיתים קרובות על תזרימי פעולה והקצאת משאבים המופעלים מרחוק. בחנו שוב את דוגמת שדה התעופה שלנו: כאן, ניתוח נתונים מרשת M2M עשוי להתריע להנהלה לשלוח טכנאי לטיפול בתקלות בציוד עוד לפני שצוות הניקיון או נוסע יבחין וידווח על הבעיה.

חיבורי וקישורי הרשת הפיזית M2M

כאמור, תקשורת M2M נעשית דרך מערכים אלחוטיים וחוטים. פרמוטציות חוטיות עבור ההתקנים הפשוטים ביותר כוללים תקשורת על קווי הספקת-כוח (נשיאת נתונים על אותם מוליכים המספקים חשמל AC) ותקשורת טורית (ביט אחד בכל פעם ברצפים סטנדרטיים-בתעשייה). התקנות M2M מתקדמות יותר עשויות להשתמש ברשתות אזוריות מקומיות (LAN) או (עבור יישומי M2M מבוזרים ומדרגיים) רשתות אזוריות רחבות (WAN) כדי לתקשר ולשלוח נתונים על פני מרחקים גדולים יותר. תת-הרכיבים המשובצים ב- M2M שמשו להתחברות המוקדמת דרך רשתות LAN ו- WAN, והם יכולים לתקשר כאלמנטים בין-מערכות או בתוך-מערכת.

תקשורת בין-מערכות היא באמצעות פרוטוקולי רשת אזור בקרים (CAN) ופרוטוקולי ממשק היקפי טורי (SPI) לתקשורת בין ההתקנים. לעומת זאת, בתקשורת בתוך-מערכת משתמשים לעתים קרובות באפיק טורי אוניברסלי (USB) או בשבב מקלט/משדר סינכרוני/אסינכרוני אוניברסלי (USART) עבור תקשורת דרך נקודת-החיבור הטורית של מחשב כדי לאפשר זרימת נתונים בין שבבים בתוך ההתקן.

כמובן שתקשורת בין מכונות להתקנים לובשת צורות שונות. תקשורת מנקודה-לנקודה (בניגוד לתקשורת בכיסוי-רחב) תומכת בדרך כלל בפונקציות M2M בתוך חלקי ציוד. בנוסף תומכות בחיבורי M2M גם יחידות מסוף מרוחקות (RTU) הנמכרות בדרך כלל כמודולי מיקרו-מעבדים אלקטרוניים לניטור ובקרה של התקני שטח עבור פונקציונליות בקרת פיקוח וקליטת נתונים (SCADA). הם יוצרים תקשורת עבור:

• העברת נתונים (שנאספו ממכשירי השטח) בפורמט טלמטריה למערכת מרכזית ואז
• פקודות תגובת היציאה חזרה להתקני השטח.

פורמטים לתקשורת M2M אלחוטית: קיים שפע של תצורות M2M עבור תקשורת אלחוטית - באמצעות טכנולוגיות Bluetooth‏, Wi-Fi ו- GSM כמו גם רשתות סלולריות GSM‏, CDMA ו- LTE. רשתות אלחוטיות מקנות קומפקטיות ונוחות, ותקני התשתית המתפתחים כמו LTE/5G מעודדים שימוש רב עוד יותר בתקשורת סלולרית עבור פונקציונליות M2M.

פרוטוקולי שכבת האפליקציה משמשים עבור פונקציות M2M

תקשורת M2M מתרחשת בעיקר בשכבת האפליקציה של רשתות תעשייתיות - מערכת הממשק עם המשתמשים בשכבה העליונה ביותר - ומאפשרת תקשורת בין התקנים ופקדים. קיים שפע של ממשקי תכנות יישומים (API) כדי לפשט את התכנות של שירותי האינטרנט ותוכנות אלו.

איור 3: קיים שפע של מודלים עקרוניים של רשתות; מוצגים כאן פרוטוקולי רשת שונים המאורגנים על פי הטקסונומיה של המודל המוכר ביותר - תקן חיברור מערכות פתוחות (OSI), שפורסם בשנת 1984. (מקור התמונה: Design World)

אחד הפרוטוקולים בהם משתמשים באופן קבוע עבור פונקציות M2M ברמת היישום הוא פרוטוקול העברה היפר-טקסט (HTTP) המגדיר מבני הודעות בין דפדפני האינטרנט לבין השרתים. ה- HTTP קשור בדרך כלל להיפר-קישוריות ולמבנים אחרים ברשת האינטרנט העולמית, ה- WWW. תפקידו ביישומי M2M הוא דומה, שכן דפדפנים פועלים כלקוחות המבקשים מידע משרתים המספקים את היישומים.

פרוטוקול העברת טלמטריה במחסנית הודעות (MQTT) משמש גם הוא עבור חיבוריות M2M; זהו פרוטוקול הודעות מבוסס TCP/IP עבור תקשורת M2M קלת משקל. במערכים מסוימים, מספר לקוחות מחליפים מידע העובר תיווך דרך MQTT. פונקציות מתווך כאלו מבוצעות על ידי מקלט, שער או שרת. המתווך מקבל הודעות שהלקוחות מפרסמים אליו; ואז בתגובה הלקוחות יכולים לקבל את ההודעות שעבורן הם נרשמו.

פרוטוקול נוסף המשמש עבור פונקציות M2M הוא פרוטוקול ארכיטקטורה מאוחדת OPC‏ (OPC UA) עבור אוטומציה תעשייתית. אפשרות נוספת בסטנדרט-פתוח היא פרוטוקול מחסנית הודעות מתקדמת (AMQP) עבור העברת הודעות בין יישומים. זהו הסטנדרט המשמש להעברת הודעות עסקיות ביישומים רבים ברמת-הארגון. לעומת זאת, MTConnect (המוגדר על ידי ANSI/MTC1.4-2018) הוא סטנדרט ייצור המגדיר כיצד יש להחליף נתוני בקרה בין התקני המפעל לבין יישומים. התקני המפעל יכולים להיות ציוד כמו גם כלים וחיישנים. ה- MTConnect יוצר סטנדרטיזציה של נתונים שחולצו בפורמט XML עם תיאורי רכיבים סטנדרטיים.

למרות שזה מעבר לנושא של מאמר זה והוא אינו ניתן למיפוי בצורה מדויקת למודל ההיסטורי של רשת OSI, ה- Amazon Web Services (AWS) IoT Core הוא שירות ענן מנוהל שהשימוש בו עבור יישומי M2M ו- IoT נמצא בעלייה. הוא תומך ב- HTTP וב- MQTT ומספק עיבוד וניתוב מאובטחים של טריליוני הודעות בין מיליארדי התקני שטח ונקודות-קצה של AWS.

החזית הבאה עבור תקשורת ובקרת M2M

רשתות M2M תמשכנה להתרבות ככל שהמפעלים ימנפו את היתרונות של גישה לנתונים. למעשה, חומרה, תוכנה ורשתות תקשורת מוכני-M2M מתפתחים כדי להקנות יכולות חסרות-תקדים לתעשיות שונות. כך, רשתות M2M אלו תמשכנה להיות אמצעי רב-עוצמה לשידור, קליטה ותקשורת של נתונים; במקרים מסוימים, גם כמשלימים או מדרבנים להתקנות IoT.