Optimierung der IIoT-Datenverarbeitung

Modulare Overlay-Netzwerke einfach entwerfen

1. Dezember 2022, 13:23 Uhr | Rolf Horn
Für die Einbindung älterer Maschinen und Anlagen in das IIoT bieten sich Overlay-Netzwerke an. Sie zu erstellen, ist normalerweise alles andere als trivial. Doch es gibt Methoden, die den Aufbau von Overlay-Netzwerken stark vereinfachen
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Für die Einbindung älterer Maschinen und Anlagen in das IIoT bieten sich Overlay-Netzwerke an. Sie zu erstellen, ist normalerweise alles andere als trivial. Doch es gibt Methoden, die den Aufbau von Overlay-Netzwerken stark vereinfachen.

Zustandsüberwachung, vorausschauende Wartung, Analyse und Verfolgung der Gesamtanlageneffektivität (OEE) sowie Diagnose und Fehlerbehebung – nach diesen Methoden lässt sich die Datenverarbeitung in IIoT-Systemen optimieren, um eine schlanke Produktion nach Industrie-4.0-Kriterien zu unterstützen. Das Problem besteht in vielen Fällen darin, dass die alten Geräte entweder nicht für eine Verbindung konzipiert sind oder eine Vielzahl von Kommunikationsprotokollen verwenden, sodass es teuer wäre, sie alle zu ersetzen. Um maximale Effektivität sicherzustellen 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.

Zustandsüberwachung, vorausschauende Wartung, Analyse und Verfolgung der Gesamtanlageneffektivität (OEE) sowie Diagnose und Fehlerbehebung – nach diesen Methoden lässt sich die Datenverarbeitung in IIoT-Systemen optimieren, um eine schlanke Produktion nach Industrie-4.0-Kriterien zu unterstützen. Das Problem besteht in vielen Fällen darin, dass die alten Geräte entweder nicht für eine Verbindung konzipiert sind oder eine Vielzahl von Kommunikationsprotokollen verwenden, sodass es teuer wäre, sie alle zu ersetzen. Um maximale Effektivität sicherzustellen 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 erstens Signale von Sensoren und anderen Geräten empfängt, die eine Vielzahl von Kommunikationsprotokollen verwenden, zweitens die Signale zu einem einheitlichen Strom nutzbarer Daten kombiniert und drittens die Daten an Edge-Computing-Ressourcen oder die Cloud exportiert. Das System benötigt Adapter, die direkt an Sensoren, Anzeigen und andere Geräte angeschlossen werden können, und erfordert Konverter, um zuvor inkompatible Gerätetypen anzuschließen, einschließlich älterer Geräte.

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 Schutzarten IP65, IP67 und IP68 für den Betrieb in der Industrie erfüllen, und die Lösung muss einfach und kostengünstig zu implementieren sein.

Nachfolgend 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 des Herstellers Banner Engineering vorgestellt und erläutert, wie sie die Herausforderungen meistert. Vorgestellt werden Beispiele für Snap-Signal-Geräte, darunter der Controller DXMR90, sowie zugehörige Konverter, Adapter und Filter. Zudem werden mögliche Anwendungen bei der Implementierung von kabelgebundenem und drahtlosem Edge Computing oder der Cloud-Vernetzung erläutert.

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Verbinden von Altgeräten mit dem IIoT

Viele Fabriken sind älter als 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, weil sie aufgrund der Verwendung von proprietären Kommunikationsprotokollen, nicht standardisierten Anschlüssen und Kabeln oder anderen Faktoren unflexibel sind.

Ein Snap-Signal-Overlay-Netzwerk bietet eine modulare Architektur zur Verbindung von Altgeräten und Automatisierungsinseln mit Edge- oder Cloud-Computing-Ressourcen
Bild 1. Ein Snap-Signal-Overlay-Netzwerk bietet eine modulare Architektur zur Verbindung von Altgeräten und Automatisierungsinseln mit Edge- oder Cloud-Computing-Ressourcen.
© Banner Engineering

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 (Bild 1).

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 sowie zur Verringerung der Anforderungen an die Fehlersuche.
➔ Ein programmierbarer Controller zur Konsolidierung von Daten aus verschiedenen Quellen und zur lokalen Datenverarbeitung sowie zur Vernetzung, was die Integration von Altgeräten und Automatisierungsinseln in das IIoT ermöglicht.

Konsolidierte Daten lassen sich über eine kabelgebundene oder drahtlose Verbindung zu Edge-Computing-Ressourcen oder in die Cloud, wie etwa Banner CDS (Screenshot oben), übertragen
Bild 2. Konsolidierte Daten lassen sich über eine kabelgebundene oder drahtlose Verbindung zu Edge-Computing-Ressourcen oder in die Cloud, wie etwa Banner CDS (Screenshot oben), übertragen.
© Banner Engineering

Eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung zur Verteilung der gesammelten Daten an Edge-Computing-Ressourcen und/oder die Cloud, wie etwa den Cloud Data Service (CDS) von Banner Engineering, der Datenvisualisierung und Einblicke in die Maschinenleistung bietet sowie E-Mail- oder Textwarnungen zur Unterstützung von Maschinenbetrieb, Wartung und Reparaturen in Echtzeit sendet (Bild 2).

Controller zur Konsolidierung von Datenströmen

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
Bild 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).
© Banner Engineering

Der programmierbare Controller und die Datenkonverter sind Schlüsselelemente bei der Entwicklung eines Overlay-Netzes. Der industrielle Controller DXMR90 von Banner Engineering 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 (Bild 3).

Der DXMR90 ist ein hochintegrierter Kommunikations-Controller mit folgenden Merkmalen:
 
➔ Die Fähigkeit, mit einer Reihe von Modbus-Geräten zu arbeiten und Modbus RTU in Modbus TCP/IP, EtherNet/IP 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, Automatisierungsprotokollen
➔ Vernetzung mit Internetprotokollen wie RESTful API und MQTT mit Webdiensten von AWS und anderen
➔ Versand direkter E-Mail-Benachrichtigungen
➔ Interne Logik-Controller mit vordefinierten Aktionsregeln, der auch mit MicroPython oder ScriptBasic programmierbar ist
➔ Gehäuse mit Schutzart IP65, IP67 und IP68, was den Einsatz in der Industrie vereinfacht
➔ Schnelle Statusanzeigen mit benutzerprogrammierbaren LEDs
➔ Für die Verbindung zu Datenbanken wie Banner CDS lässt sich ein kabelgebundenes Ethernet-Kabel oder ein mobilfunkfähiger DXM-Controller verwenden.

Konverter verbinden Geräte in IIoT-Netzwerken

 Die Inline-Datenwandler der Serie S15C können verschiedene Signaltypen, etwa diskrete, analoge und andere, in Protokolle wie Modbus, IO-Link, PWM und PFM umwandeln
Bild 4. Die Inline-Datenwandler der Serie S15C können verschiedene Signaltypen, etwa diskrete, analoge und andere, in Protokolle wie Modbus, IO-Link, PWM und PFM umwandeln.
© Banner Engineering

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 Engineering verwenden, um Zustandsüberwachungs- und Prozesssensordaten aus einer Vielzahl von Formaten in digitale IO-Link-Daten zu konvertieren (Bild 4).

Der S15C-MGN-KQ beispielsweise ist 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.

Die S15C-Wandler haben einen Durchmesser von 15 mm, ein umspritztes IP68-Gehäuse und einen M12-Anschluss und werden über das gleiche Netzteil wie das angeschlossene Gerät versorgt. Durch den Einsatz von S15C-Konvertern entfällt die 20-m-Beschränkung der IO-Link-Kommunikation, weil 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 Banners Modbus-Sensoren, einschließlich Ultraschall, messendem Lichtvorhang, Temperatur/Luftfeuchtigkeit, Vibration/Temperatur und GPS. Außerdem gibt es einen generischen Konverter, der sich so konfigurieren lässt, dass die meisten Modbus-Geräte als IO-Link-Geräte eingesetzt werden können.

Zwei analoge Sensormodelle, die Signale 0 bis 10 V (DC) oder 4 bis 20 mA in ihre digitalen Werte umwandeln und als IO-Link-Daten weiterleiten.


  1. Modulare Overlay-Netzwerke einfach entwerfen
  2. Adapter und Filter vervollständigen das Netzwerk

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