如何設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn) IIoT 中工業(yè) 4.0 數(shù)據(jù)處理優(yōu)化的模塊化疊加網(wǎng)絡(luò)

為了實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 系統(tǒng)中支持精益生產(chǎn)的數(shù)據(jù)處理優(yōu)化，可以通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、預(yù)見(jiàn)性維護(hù)、整體設(shè)備效率 (OEE) 分析和跟蹤、診斷和故障排除來(lái)完成。常見(jiàn)的問(wèn)題是，傳統(tǒng)設(shè)備要么沒(méi)有采用可以連接的設(shè)計(jì)，要么可能使用了多種通信協(xié)議中的某一種，使得替換所有設(shè)備需要高昂的成本。為了確保最高效率并獲得可操作的機(jī)器數(shù)據(jù)，在許多情況下，實(shí)施可以連接現(xiàn)有自動(dòng)化島和傳統(tǒng)設(shè)備的疊加網(wǎng)絡(luò)將會(huì)更加簡(jiǎn)單易行、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

設(shè)計(jì)這樣的疊加網(wǎng)絡(luò)極具挑戰(zhàn)性。設(shè)計(jì)時(shí)需要這樣一種控制器，即能夠接收來(lái)自傳感器的和其他使用各種通信協(xié)議的設(shè)備的信號(hào)，并將這些信號(hào)合并成統(tǒng)一的可用數(shù)據(jù)流，然后將這些數(shù)據(jù)輸出到邊緣計(jì)算資源或云端。這種系統(tǒng)需要能夠直接連接傳感器、指示器和其他設(shè)備的適配器。需要使用轉(zhuǎn)換器來(lái)連接包括傳統(tǒng)設(shè)備在內(nèi)的之前不兼容的設(shè)備類(lèi)型。

此外，為了確保運(yùn)行可靠，需要使用濾波器來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)通信免受電噪聲和瞬變的影響。所有這些組件都應(yīng)符合 IP65、IP67 和 IP68 級(jí)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，以便在工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行，而且解決方案需要易于實(shí)施、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

本文簡(jiǎn)要討論了將傳統(tǒng)設(shè)備連接到 IIoT 時(shí)存在的問(wèn)題。然后，介紹 Banner Engineering 的 Snap Signal 系列硬件和軟件工具的架構(gòu)，以及如何用于解決這些挑戰(zhàn)。本文以 Snap Signal 設(shè)備為例展開(kāi)介紹，包括 DXMR90 控制器、相關(guān)的轉(zhuǎn)換器、適配器和濾波器，以及實(shí)施有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)邊緣計(jì)算或云連接時(shí)的應(yīng)用注意事項(xiàng)。

將傳統(tǒng)設(shè)備與 IIoT 連接

許多工廠(chǎng)都早于 IIoT 和工業(yè) 4.0，通常不可能將所有的設(shè)備和機(jī)器互連成單一網(wǎng)絡(luò)，從而導(dǎo)致了自動(dòng)化島。即使沒(méi)有被隔離在“孤島”上，傳統(tǒng)設(shè)備也難以互連，因?yàn)槭褂脤?zhuān)有通信協(xié)議、非標(biāo)準(zhǔn)連接器和電纜以及其他因素會(huì)造成靈活性方面的問(wèn)題。

Snap Signal IIoT 疊加網(wǎng)絡(luò)可提供一種快速、靈活、經(jīng)濟(jì)的方式，通過(guò)捕捉各種不兼容的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，將其轉(zhuǎn)換為易于分配的標(biāo)準(zhǔn)，并能夠發(fā)送至邊緣或云計(jì)算資源處進(jìn)行分析和操作，從而連接傳統(tǒng)設(shè)備、自動(dòng)化島（圖 1）。

圖 1：Snap Signal 疊加網(wǎng)絡(luò)提供了一種模塊化架構(gòu)，可將傳統(tǒng)設(shè)備、自動(dòng)化島與邊緣或云計(jì)算資源連接。（Banner Engineering 提供圖片）

部署靈活可靠的 IIoT 疊加網(wǎng)絡(luò)需要以下幾個(gè)關(guān)鍵組件：

適配器——用于重新布線(xiàn)并將傳感器、指示器和其他設(shè)備的各種設(shè)備布線(xiàn)方案連接到疊加網(wǎng)絡(luò)使用的標(biāo)準(zhǔn)格式。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器——用于將諸如傳統(tǒng)設(shè)備或者自動(dòng)化島上的離散、模擬和各種數(shù)字格式等不兼容的格式轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)諸如 IO-Link 或 Modbus 等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)集中化性能監(jiān)控。

濾波器——用于保護(hù)數(shù)據(jù)，避免在電氣噪聲的工業(yè)環(huán)境中受損，從而提高信號(hào)完整性和可靠性，減少故障排除要求。

可編程控制器——用于整合來(lái)自多個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)并進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)處理，以及提供將傳統(tǒng)設(shè)備和自動(dòng)化島整合到 IIoT 中的連接。

有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)連接——用于將收集到的數(shù)據(jù)分發(fā)到邊緣計(jì)算資源和/或云端，如 Banner 的云數(shù)據(jù)服務(wù) (CDS) 等，該服務(wù)提供數(shù)據(jù)可視化、判斷機(jī)器性能并發(fā)送電子郵件或文字警報(bào)，以支持機(jī)器的實(shí)時(shí)操作、維護(hù)和修理（圖 2）。

圖 2：可以通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)連接把整合后的數(shù)據(jù)發(fā)送至邊緣計(jì)算資源或云端，如 Banner 的 CDS（以上截圖）。（Banner Engineering 提供圖片）

用于整合多個(gè)數(shù)據(jù)流的控制器

可編程控制器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是設(shè)計(jì)疊加網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備。Banner 的 DXMR90 工業(yè)控制器用作通信中樞，將來(lái)自多個(gè) Modbus 端口的信號(hào)組合成使用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)流。例如，DXMR90-X1 型器件包括四個(gè) Modbus 主機(jī)，可支持與多達(dá)四個(gè)串行網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行并行通信（圖 3）。

圖 3：DXMR90 器件上方的端口包括一個(gè)可配置 Modbus 端口 0（左側(cè)）、Modbus 主端口（1 至 4，位于下方），用于 RS-485 和輸入電源的可配置Modbus 端口 0/PW（右上方），以及一個(gè) D 編碼型以太網(wǎng)端口（右下方）。（Banner Engineering 提供圖片）

DXMR90 是一款高度集成的通信控制器，其特點(diǎn)如下：

能夠與一系列 Modbus 設(shè)備一起工作，將 Modbus RTU 轉(zhuǎn)換為 Modbus TCP/IP、以太網(wǎng) I/P 或 Profinet。

四個(gè)獨(dú)立的 Modbus 主端口，可以連接從設(shè)備，無(wú)需手動(dòng)向設(shè)備分配地址。

本地控制以及與以下各項(xiàng)的連接功能：

Modbus/TCP、Modbus RTU、以太網(wǎng)/IP 和 Profinet、自動(dòng)化協(xié)議

互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，包括 RESTful API 和 MQTT，以及來(lái)自 AWS 的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等

電子郵件直接通知

具有預(yù)定義操作規(guī)則的內(nèi)部邏輯控制器，也可使用 MicroPython 或 ScriptBasic 對(duì)其進(jìn)行編程。

IP65、IP67 和 IP68 級(jí)外殼簡(jiǎn)化了工業(yè)環(huán)境中的部署。

通過(guò)用戶(hù)可編程 LED 燈實(shí)現(xiàn)了快速狀態(tài)指示。

有線(xiàn)以太網(wǎng)電纜或支持手機(jī)的 DXM 控制器可用于連接數(shù)據(jù)庫(kù)，如 Banner 的 CDS。

用轉(zhuǎn)換器連接 IIoT 網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備

需要高效率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能力，將傳統(tǒng)設(shè)備和自動(dòng)化島融合到疊加網(wǎng)絡(luò)中。為實(shí)現(xiàn)這一功能，設(shè)計(jì)人員可以使用 Banner 的 小型插入式 S15C 系列直插轉(zhuǎn)換器，將各種格式的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和過(guò)程傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字 IO-Link 數(shù)據(jù)（圖 4）。例如，S15C-MGN-KQ 是一款 Modbus 主機(jī)到 IO-Link 設(shè)備的轉(zhuǎn)換器，用戶(hù)可將其配置為最多讀取 60 個(gè)寄存器，最多寫(xiě)入 15 個(gè)寄存器，且預(yù)定義 Modbus 寄存器自動(dòng)通過(guò) IO-Link 發(fā)送。

圖 4：S15C 系列直插式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可以將包括離散、模擬和其他信號(hào)在內(nèi)的各類(lèi)型信號(hào)轉(zhuǎn)換為工業(yè)協(xié)議，如 Modbus、IO-Link、PWM 和 PFM 等。（Banner Engineering 提供圖片）

S15C 轉(zhuǎn)換器的直徑為 15 mm，具有 IP68 級(jí)包塑外殼和 M12 連接，采用與所連接設(shè)備相同的電源。使用 S15C 轉(zhuǎn)換器可消除 IO-Link 的 20 m 通信限制，因?yàn)檫@類(lèi)轉(zhuǎn)換器可安裝在 Modbus 鏈路末端，靠近 IO-Link 主機(jī)。

S15C 系列轉(zhuǎn)換器包括以下八個(gè)型號(hào)：

六個(gè) Modbus 到 IO-Link 轉(zhuǎn)換器，與 Banner 的 Modbus 傳感器系列一起使用，包括超聲波、測(cè)量光幕、溫度/濕度、振動(dòng)/溫度和 GPS。此外，還有一個(gè)通用轉(zhuǎn)換器，可以通過(guò)配置使大多數(shù) Modbus 設(shè)備被部署為 IO-Link 設(shè)備。

兩個(gè)模擬傳感器型號(hào)，用于將 0 - 10 VDC 或 4 - 20 mA 信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字值，并作為 IO-Link 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

連接適配器和濾波器，完成網(wǎng)絡(luò)連接

除了控制器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器外，設(shè)計(jì)人員還需要連接適配器、噪聲濾波器，以便快速部署靈活、經(jīng)濟(jì)的疊加網(wǎng)絡(luò)。如 Banner 的 S15A-F14325-M14325-Q 等直插式接線(xiàn)適配器可以直接連接傳感器、指示器或其他設(shè)備，并根據(jù)需要改變接線(xiàn)和隔離信號(hào)，以滿(mǎn)足特定的應(yīng)用需求（圖 5）。這些接線(xiàn)適配器分為標(biāo)準(zhǔn)和定制配置版本。

圖 5：S15A-F14325-M14325-Q 等 S15A 適配器使用 M12 連接，便于安裝，并可根據(jù)需要重新布線(xiàn)，以符合特定的應(yīng)用要求。（Banner Engineering 提供圖片）

如 S15F-L-4000-Q 之類(lèi)的 S15F 直插式濾波器也是疊加網(wǎng)絡(luò)中的重要器件（圖 6）。這種濾波器可以輕松消除可能對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生不利影響的電氣噪聲和瞬態(tài)電壓?jiǎn)栴}。與 S15A 適配器和 S15C 轉(zhuǎn)換器一樣，這種過(guò)濾器采用 M12 連接和符合 IP65、IP67 和 IP68 標(biāo)準(zhǔn)的包塑配置封裝。安裝 S15F 直插式濾波器可以改善信號(hào)完整性，減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障排除的需求。

圖 6：如 S15F-L-4000-Q 之類(lèi)的 S15F 直插式濾波器可立即用于保護(hù)設(shè)備免受電噪聲和瞬態(tài)干擾的影響，其 M12 連接方式使其可方便地安裝在網(wǎng)絡(luò)中任何需要的位置。（Banner Engineering 提供圖片）

Snap Signal 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和部署

Snap Signal 疊加網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和部署從識(shí)別需要監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)源開(kāi)始。然后，需要確定是否添加新傳感器或指示器，以補(bǔ)充現(xiàn)有設(shè)備。Snap Signal 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)步驟包括：

使用 Banner 系統(tǒng)圖方法來(lái)識(shí)別、選擇特定裝置所需的 Snap Signal 元器件。

規(guī)劃最佳的布線(xiàn)路徑，包括在待監(jiān)測(cè)設(shè)備和 DXMR90 控制器之間放置 T 型連接器和濾波器。

確定該裝置是否需要使用有線(xiàn)以太網(wǎng)連接用于本地?cái)?shù)據(jù)消耗，或使用邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)備以無(wú)線(xiàn)方式連接云平臺(tái)。

Snap Signal 是一種真正的疊加網(wǎng)絡(luò)，不需要替換任何現(xiàn)有硬件。模塊化的即插即用 Snap Signal 架構(gòu)讓安裝變得簡(jiǎn)單易行：

安裝新的傳感器或其他設(shè)備，并在每個(gè)需要監(jiān)測(cè)的設(shè)備上增加分路電纜，以保持與機(jī)器控制機(jī)構(gòu)之間的現(xiàn)有連接，同時(shí)也為疊加網(wǎng)絡(luò)提供第二條路徑。

安裝相應(yīng)的的直插式信號(hào)轉(zhuǎn)換器。

根據(jù)需要添加 T 型連接器、濾波器和其他網(wǎng)絡(luò)接線(xiàn)，以完成網(wǎng)絡(luò)和 DXMR90 控制器連接。

使用 ScriptBasic 或 MicroPython 編程和/或嵌入式動(dòng)作規(guī)則，對(duì) DXMR90 進(jìn)行編程，以創(chuàng)建自定義檢測(cè)和控制序列。

使用以太網(wǎng)連接將 DXMR90 與邊緣計(jì)算資源連接，或者連接支持蜂窩網(wǎng)絡(luò)的 DXM 控制器，以實(shí)現(xiàn)云連接。

結(jié)語(yǔ)

疊加 IIoT 網(wǎng)絡(luò)能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)人員將傳統(tǒng)設(shè)備和自動(dòng)化島連接到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的需求，從而收集可操作數(shù)據(jù)，以支持現(xiàn)有工廠(chǎng)提高生產(chǎn)力。此類(lèi)疊加網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程復(fù)雜，但如圖所示，使用 Banner Engineering 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和 Snap Signal 線(xiàn)路可以大大簡(jiǎn)化這個(gè)過(guò)程。該線(xiàn)路包括 DXMR90 工業(yè)控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、布線(xiàn)適配器、濾波器和其他實(shí)現(xiàn) IIoT 疊加網(wǎng)絡(luò)并將其分配到邊緣計(jì)算資源或云端所需的元器件。Snap Signal 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的模塊化、可編程且靈活的設(shè)計(jì)支持增加新設(shè)備，并能保障未來(lái)安裝。

審核編輯 黃宇