Como projetar uma rede modular de sobreposição para a otimização do processamento de dados da indústria 4.0 no IIoT

A otimização do processamento de dados na indústria 4.0 e nos sistemas industriais de internet das coisas (IIoT) para dar suporte a manufatura enxuta pode ser realizada através do monitoramento das condições, manutenção preditiva, análise da eficácia geral do equipamento (OEE), rastreamento, diagnósticos e solução de problemas. O problema em muitos casos é que o equipamento antigo ou não foi projetado para ser conectado ou pode usar qualquer um dos vários protocolos de comunicação, o que encarece a substituição de todos eles. Para garantir a máxima eficácia e obter dados de máquinas acionáveis, é mais simples e mais econômico, em muitos casos, implementar uma rede de sobreposição que possa conectar as ilhas de automação existentes e os equipamentos antigos.

Projetar tal rede de sobreposição é um empreendimento desafiador. Requer um controlador que possa receber sinais de sensores e outros dispositivos que utilizam uma variedade de protocolos de comunicação, combinar esses sinais em um fluxo unificado de dados utilizáveis e exportar esses dados para os recursos de computação de borda ou para a nuvem. O sistema precisa de adaptadores que possam se conectar diretamente aos sensores, indicadores e outros dispositivos. Os conversores são necessários para conectar tipos de dispositivos anteriormente incompatíveis, incluindo equipamentos antigos.

Além disso, para garantir uma operação confiável, são necessários filtros para proteger as comunicações de dados contra ruídos elétricos e transitórios. Todos esses componentes devem atender aos padrões ambientais IP65, IP67 e IP68 para operação em ambientes industriais, e a solução precisa ser fácil e econômica para ser implementada.

Este artigo discute brevemente os problemas de conexão de equipamentos antigos com o IIoT. Em seguida, apresenta a arquitetura da família Snap Signal de ferramentas de hardware e software da Banner Engineering e como ela lida com esses desafios. Ele apresenta exemplos de dispositivos Snap Signal incluindo o controlador DXMR90, conversores, adaptadores e filtros associados, bem como considerações de aplicação ao implementar computação de borda com e sem fio ou conectividade em nuvem.

Conectando equipamentos antigos com o IIoT

Muitas fábricas são anteriores ao surgimento da IIoT e da Indústria 4.0, e muitas vezes não é possível interligar todos os equipamentos e máquinas em uma única rede, o que resulta em ilhas de automação. Mesmo que não isolados em uma "ilha", os equipamentos antigos podem ser difíceis de interconectar como resultado da inflexibilidade decorrente do uso de protocolos de comunicação proprietários, conectores e cabos não-padrões e outros fatores.

Uma rede de sobreposição Snap Signal IIoT pode fornecer uma maneira rápida, flexível e econômica de conectar equipamentos antigos e ilhas de automação, capturando e convertendo vários protocolos de comunicação de dados não compatíveis em um padrão fácil de distribuir, capaz de ser entregue a recursos de computação de borda ou nuvem para análise e ação (Figura 1).

Figura 1: Uma rede de sobreposição Snap Signal fornece uma arquitetura modular para conectar equipamentos antigos e ilhas de automação com recursos de computação de borda ou em nuvem. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Há vários componentes importantes necessários para implantar redes de sobreposição IIoT, flexíveis e confiáveis:

• Adaptadores para redirecionar a fiação e ligar vários esquemas de fiação de equipamentos desde sensores, indicadores e outros dispositivos a um formato padrão utilizado na rede de sobreposição.
• Conversores de dados para traduzir formatos incompatíveis como discretos, analógicos e vários formatos digitais encontrados em equipamentos antigos ou ilhas de automação em protocolos padrões como IO-Link ou Modbus para permitir o monitoramento centralizado do desempenho.
• Filtros para evitar dados corrompidos em ambientes industriais eletricamente ruidosos, melhorando a integridade e confiabilidade do sinal e reduzindo os requisitos de solução de problemas.
• Um controlador programável para consolidar dados de várias fontes e fornecer processamento de dados locais, bem como conectividade que permita integrar equipamentos antigos e ilhas de automação ao IIoT.
• Uma conexão com ou sem fio para distribuir os dados coletados aos recursos de computação de borda e/ou à nuvem, como o Cloud Data Service (CDS) da Banner, que fornece visualização de dados e percepções sobre o desempenho da máquina e para enviar e-mails ou alertas de texto para dar suporte a operação, manutenção e reparos da máquina em tempo real (Figura 2).

Figura 2: Os dados consolidados podem ser transmitidos com uma conexão com ou sem fio aos recursos de computação de borda ou à nuvem, como o CDS da Banner (captura de tela acima). (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Controlador para consolidar vários fluxos de dados

O controlador programável e os conversores de dados são elementos importantes no projeto de uma rede de sobreposição. O controlador industrial DXMR90 da Banner serve como o hub central de comunicações que combina sinais de várias portas Modbus em um fluxo de dados unificado que é encaminhado usando protocolos industriais Ethernet. Por exemplo, o modelo DXMR90-X1 inclui quatro mestres Modbus e suporta a comunicação simultânea com até quatro redes seriais (Figura 3).

Figura 3: As portas no DXMR90 incluem uma porta 0 Modbus configurável (no lado esquerdo), portas mestres Modbus (1 a 4 na parte inferior), porta 0/PW Modbus configurável para RS-485 e energia de entrada (parte superior direita), e uma porta Ethernet com código D (parte inferior direita). (Fonte da imagem: Banner Engineering)

O DXMR90 é um controlador de comunicações altamente integrado que apresenta:

• A capacidade de trabalhar com uma gama de dispositivos Modbus, convertendo Modbus RTU para Modbus TCP/IP, Ethernet I/P ou Profinet.
• Quatro portas mestres Modbus independentes que podem conectar dispositivos escravos sem atribuir manualmente um endereço aos dispositivos.
• Controle local e conectividade com:
  • Modbus/TCP, Modbus RTU, Ethernet/IP e Profinet, protocolos de automação
  • Protocolos de internet incluindo RESTful API e MQTT com serviços web da AWS e outros
  • Alertas diretos por e-mail
• Controlador lógico interno com regras de ação pré-definidas, que também é programável usando MicroPython ou ScriptBasic.
• As carcaças com classificação IP65, IP67 e IP68 simplificam a implantação em ambientes industriais.
• Indicações rápidas de status com LEDs programáveis pelo usuário.
• O cabo Ethernet ou um controlador DXM habilitado para celular pode ser usado para conexão a bancos de dados como o CDS da Banner.

Conversores conectam dispositivos em redes IIoT

A conversão eficiente de dados é necessária para misturar equipamentos antigos e ilhas de automação em uma rede de sobreposição. Para esta função, os projetistas podem usar os pequenos conversores em linha de plugar da série S15C da Banner para converter dados do monitoramento de condições e dos sensores de processo a partir de uma variedade de formatos em dados digitais IO-Link (Figura 4). Por exemplo, o S15C-MGN-KQ é um conversor de dispositivos Modbus mestre para IO-Link que é configurável pelo usuário para ler até 60 registradores e escrever até 15, com registradores Modbus pré-definidos automaticamente enviados por IO-Link.

Figura 4: Os conversores de dados em linha da série S15C podem converter vários tipos de sinais incluindo discretos, analógicos e outros em protocolos industriais como Modbus, IO-Link, PWM e PFM. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Os conversores S15C medem 15 milímetros (mm) de diâmetro com uma carcaça IP68 sobremoldada e conectividade M12, e utilizam a mesma fonte de alimentação que o dispositivo conectado. O uso de conversores S15C elimina a limitação de comunicação IO-Link de 20 metros (m), já que podem ser instalados no final de um link Modbus, próximo ao IO-Link mestre.

A linha S15C de conversores inclui oito modelos:

• Seis conversores Modbus para IO-Link para uso com a linha de sensores Modbus da Banner, incluindo ultrassom, cortina de luz de medição, temperatura/umidade, vibração/temperatura e GPS. Além disso, há um conversor genérico que pode ser configurado para permitir que a maioria dos dispositivos Modbus sejam implantados como dispositivos IO-Link.
• Dois modelos de sensores analógicos que convertem sinais de 0 a 10 volts CC ou 4 a 20 miliampères (mA) para seus valores digitais e os encaminham como dados IO-Link.

Adaptadores de fiação e filtros completam a rede

Além de um controlador e conversores de dados, os projetistas precisam de adaptadores de fiação e filtros de ruído para implantar rapidamente redes de sobreposição, flexíveis e econômicas. Adaptadores de fiação em linha, tais como o S15A-F14325-M14325-Q da Banner, conectam-se diretamente a um sensor, indicador ou outro dispositivo para redirecionar a fiação e isolar os sinais conforme necessário para atender às necessidades específicas da aplicação (Figura 5). Estes adaptadores de fiação estão disponíveis em configurações padrões e personalizadas.

Figura 5: Os adaptadores S15A como o S15A-F14325-M14325-Q utilizam uma conexão M12 para facilitar a instalação e podem redirecionar a fiação conforme necessário para atender às exigências específicas da aplicação. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Os filtros em linha S15F como o S15F-L-4000-Q também são elementos importantes em uma rede de sobreposição (Figura 6). Eles podem resolver facilmente os desafios com ruído elétrico e tensões transitórias que podem afetar negativamente o desempenho da rede. Como os adaptadores S15A e conversores S15C, estes filtros têm conexões M12 e são acondicionados em uma configuração sobremoldada que atende aos padrões IP65, IP67 e IP68. A instalação de um filtro S15F em linha pode resultar em uma melhor integridade do sinal e menos necessidade de solução de problemas na rede.

Figura 6: Os filtros em linha S15F como o S15F-L-4000-Q podem ser facilmente utilizados para proteger os dispositivos contra ruído elétrico e transientes, e sua conexão M12 facilita a instalação onde quer que seja necessário na rede. (Fonte da imagem: Banner Engineering)

Projeto e implantação da rede Snap Signal

O projeto e implantação de uma rede de sobreposição Snap Signal começa com a identificação das fontes de dados a serem monitoradas. Em seguida, é necessário determinar se devem ser adicionados novos sensores ou indicadores para complementar os dispositivos existentes. As etapas do projeto de uma rede Snap Signal incluem:

• Usar a abordagem de diagrama de sistema da Banner para identificar e selecionar os componentes do Snap Signal necessários para uma instalação específica.
• Planejar o caminho de fiação ideal, incluindo a colocação de conectores T e filtros entre os dispositivos a serem monitorados e o controlador DXMR90.
• Determinar se a instalação exigirá o uso de uma conexão Ethernet com fio para consumo de dados locais ou o uso de um dispositivo gateway de borda para conexão sem fio a uma plataforma de nuvem.

O Snap Signal é uma verdadeira rede de sobreposição e não requer a substituição de nenhum hardware existente. A arquitetura modular do Snap Signal, plug-and-play, torna a instalação fácil:

• Instale quaisquer novos sensores ou outros dispositivos e adicione cabos divisores a cada dispositivo a ser monitorado para manter a conexão existente com os controles da máquina, enquanto também fornece um segundo caminho para a rede de sobreposição.
• Instale os conversores de sinais apropriados.
• Adicione conectores T, filtros e outros cabos de rede conforme necessário para completar a rede e conectar ao controlador DXMR90.
• Programe o DXMR90 para criar sequências personalizadas de detecção e controle usando programação ScriptBasic ou MicroPython e/ou as regras de ação embutidas.
• Conecte o DXMR90 aos recursos de computação de borda usando a conexão Ethernet, ou para conexões em nuvem, um controlador DXM habilitado para celular.

Conclusão

As redes de sobreposição IIoT podem dar suporte as necessidades dos projetistas para conectar equipamentos antigos e ilhas de automação em redes industriais, permitindo a coleta de dados acionáveis para suportar o aumento da produtividade nas fábricas existentes. O projeto e a implementação de uma rede de sobreposição é complexo, mas como mostrado, pode ser muito simplificado usando a topologia da Banner Engineering e a linha Snap Signal. A linha inclui o controlador industrial DXMR90, conversores de dados, adaptadores de fiação, filtros e outros elementos necessários para implementar uma rede de sobreposição IIoT e distribuí-la para recursos de computação de borda ou para a nuvem. O projeto programável, modular e flexível da arquitetura de rede Snap Signal suporta a adição de novos dispositivos e provas futuras da instalação.

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