如何设计能够实现 IIoT 中工业 4.0 数据处理优化的模块化叠加网络

来源：Digi-Key
作者：Jeff Shepard

为了实现工业 4.0 和工业物联网 (IIoT) 系统中支持精益生产的数据处理优化，可以通过状态监测、预见性维护、整体设备效率 (OEE) 分析和跟踪、诊断和故障排除来完成。常见的问题是，传统设备要么没有采用可以连接的设计，要么可能使用了多种通信协议中的某一种，使得替换所有设备需要高昂的成本。为了确保最高效率并获得可操作的机器数据，在许多情况下，实施可以连接现有自动化岛和传统设备的叠加网络将会更加简单易行、经济实惠。

设计这样的叠加网络极具挑战性。设计时需要这样一种控制器，即能够接收来自传感器的和其他使用各种通信协议的设备的信号，并将这些信号合并成统一的可用数据流，然后将这些数据输出到边缘计算资源或云端。这种系统需要能够直接连接传感器、指示器和其他设备的适配器。需要使用转换器来连接包括传统设备在内的之前不兼容的设备类型。

此外，为了确保运行可靠，需要使用滤波器来保护数据通信免受电噪声和瞬变的影响。所有这些组件都应符合 IP65、IP67 和 IP68 级环境标准，以便在工业环境中运行，而且解决方案需要易于实施、经济实惠。

本文简要讨论了将传统设备连接到 IIoT 时存在的问题。然后，介绍 Banner Engineering 的 Snap Signal 系列硬件和软件工具的架构，以及如何用于解决这些挑战。本文以 Snap Signal 设备为例展开介绍，包括 DXMR90 控制器、相关的转换器、适配器和滤波器，以及实施有线和无线边缘计算或云连接时的应用注意事项。

将传统设备与 IIoT 连接

许多工厂都早于 IIoT 和工业 4.0，通常不可能将所有的设备和机器互连成单一网络，从而导致了自动化岛。即使没有被隔离在“孤岛”上，传统设备也难以互连，因为使用专有通信协议、非标准连接器和电缆以及其他因素会造成灵活性方面的问题。

Snap Signal IIoT 叠加网络可提供一种快速、灵活、经济的方式，通过捕捉各种不兼容的数据通信协议，将其转换为易于分配的标准，并能够发送至边缘或云计算资源处进行分析和操作，从而连接传统设备、自动化岛（图 1）。


图 1：Snap Signal 叠加网络提供了一种模块化架构，可将传统设备、自动化岛与边缘或云计算资源连接。（Banner Engineering 提供图片）

部署灵活可靠的 IIoT 叠加网络需要以下几个关键组件：

· 适配器——用于重新布线并将传感器、指示器和其他设备的各种设备布线方案连接到叠加网络使用的标准格式。
· 数据转换器——用于将诸如传统设备或者自动化岛上的离散、模拟和各种数字格式等不兼容的格式转换成标准诸如 IO-Link 或 Modbus 等标准协议，以实现集中化性能监控。
· 滤波器——用于保护数据，避免在电气噪声的工业环境中受损，从而提高信号完整性和可靠性，减少故障排除要求。
· 可编程控制器——用于整合来自多个数据源的数据并进行本地数据处理，以及提供将传统设备和自动化岛整合到 IIoT 中的连接。
· 有线或无线连接——用于将收集到的数据分发到边缘计算资源和/或云端，如 Banner 的云数据服务 (CDS) 等，该服务提供数据可视化、判断机器性能并发送电子邮件或文字警报，以支持机器的实时操作、维护和修理（图 2）。


图 2：可以通过有线或无线连接把整合后的数据发送至边缘计算资源或云端，如 Banner 的 CDS（以上截图）。（Banner Engineering 提供图片）

用于整合多个数据流的控制器

可编程控制器和数据转换器是设计叠加网络的关键设备。Banner 的 DXMR90 工业控制器用作通信中枢，将来自多个 Modbus 端口的信号组合成使用工业以太网协议进行转发的统一数据流。例如，DXMR90-X1 型器件包括四个 Modbus 主机，可支持与多达四个串行网络进行并行通信（图 3）。


图 3：DXMR90 器件上方的端口包括一个可配置 Modbus 端口 0（左侧）、Modbus 主端口（1 至 4，位于下方），用于 RS-485 和输入电源的可配置Modbus 端口 0/PW（右上方），以及一个 D 编码型以太网端口（右下方）。（Banner Engineering 提供图片）

DXMR90 是一款高度集成的通信控制器，其特点如下：

· 能够与一系列 Modbus 设备一起工作，将 Modbus RTU 转换为 Modbus TCP/IP、以太网 I/P 或 Profinet。
· 四个独立的 Modbus 主端口，可以连接从设备，无需手动向设备分配地址。
· 本地控制以及与以下各项的连接功能：
        Modbus/TCP、Modbus RTU、以太网/IP 和 Profinet、自动化协议
        互联网协议，包括 RESTful API 和 MQTT，以及来自 AWS 的网络服务等
        电子邮件直接通知
· 具有预定义操作规则的内部逻辑控制器，也可使用 MicroPython 或 ScriptBasic 对其进行编程。
· IP65、IP67 和 IP68 级外壳简化了工业环境中的部署。
· 通过用户可编程 LED 灯实现了快速状态指示。
· 有线以太网电缆或支持手机的 DXM 控制器可用于连接数据库，如 Banner 的 CDS。

用转换器连接 IIoT 网络中的设备

需要高效率数据转换能力，将传统设备和自动化岛融合到叠加网络中。为实现这一功能，设计人员可以使用 Banner 的 小型插入式 S15C 系列直插转换器，将各种格式的状态监测和过程传感器数据转换成数字 IO-Link 数据（图 4）。例如，S15C-MGN-KQ 是一款 Modbus 主机到 IO-Link 设备的转换器，用户可将其配置为最多读取 60 个寄存器，最多写入 15 个寄存器，且预定义 Modbus 寄存器自动通过 IO-Link 发送。


图 4：S15C 系列直插式数据转换器可以将包括离散、模拟和其他信号在内的各类型信号转换为工业协议，如 Modbus、IO-Link、PWM 和 PFM 等。（Banner Engineering 提供图片）

S15C 转换器的直径为 15 mm，具有 IP68 级包塑外壳和 M12 连接，采用与所连接设备相同的电源。使用 S15C 转换器可消除 IO-Link 的 20 m 通信限制，因为这类转换器可安装在 Modbus 链路末端，靠近 IO-Link 主机。

S15C 系列转换器包括以下八个型号：

· 六个 Modbus 到 IO-Link 转换器，与 Banner 的 Modbus 传感器系列一起使用，包括超声波、测量光幕、温度/湿度、振动/温度和 GPS。此外，还有一个通用转换器，可以通过配置使大多数 Modbus 设备被部署为 IO-Link 设备。
· 两个模拟传感器型号，用于将 0 - 10 VDC 或 4 - 20 mA 信号转换为相应的数字值，并作为 IO-Link 数据转发。

连接适配器和滤波器，完成网络连接

除了控制器和数据转换器外，设计人员还需要连接适配器、噪声滤波器，以便快速部署灵活、经济的叠加网络。如 Banner 的 S15A-F14325-M14325-Q 等直插式接线适配器可以直接连接传感器、指示器或其他设备，并根据需要改变接线和隔离信号，以满足特定的应用需求（图 5）。这些接线适配器分为标准和定制配置版本。


图 5：S15A-F14325-M14325-Q 等 S15A 适配器使用 M12 连接，便于安装，并可根据需要重新布线，以符合特定的应用要求。（Banner Engineering 提供图片）

如 S15F-L-4000-Q 之类的 S15F 直插式滤波器也是叠加网络中的重要器件（图 6）。这种滤波器可以轻松消除可能对网络性能产生不利影响的电气噪声和瞬态电压问题。与 S15A 适配器和 S15C 转换器一样，这种过滤器采用 M12 连接和符合 IP65、IP67 和 IP68 标准的包塑配置封装。安装 S15F 直插式滤波器可以改善信号完整性，减少对网络故障排除的需求。


图 6：如 S15F-L-4000-Q 之类的 S15F 直插式滤波器可立即用于保护设备免受电噪声和瞬态干扰的影响，其 M12 连接方式使其可方便地安装在网络中任何需要的位置。（Banner Engineering 提供图片）

Snap Signal 网络的设计和部署

Snap Signal 叠加网络的设计和部署从识别需要监测的数据源开始。然后，需要确定是否添加新传感器或指示器，以补充现有设备。Snap Signal 网络的设计步骤包括：

· 使用 Banner 系统图方法来识别、选择特定装置所需的 Snap Signal 元器件。
· 规划最佳的布线路径，包括在待监测设备和 DXMR90 控制器之间放置 T 型连接器和滤波器。
· 确定该装置是否需要使用有线以太网连接用于本地数据消耗，或使用边缘网关设备以无线方式连接云平台。

Snap Signal 是一种真正的叠加网络，不需要替换任何现有硬件。模块化的即插即用 Snap Signal 架构让安装变得简单易行：

· 安装新的传感器或其他设备，并在每个需要监测的设备上增加分路电缆，以保持与机器控制机构之间的现有连接，同时也为叠加网络提供第二条路径。
· 安装相应的的直插式信号转换器。
· 根据需要添加 T 型连接器、滤波器和其他网络接线，以完成网络和 DXMR90 控制器连接。
· 使用 ScriptBasic 或 MicroPython 编程和/或嵌入式动作规则，对 DXMR90 进行编程，以创建自定义检测和控制序列。
· 使用以太网连接将 DXMR90 与边缘计算资源连接，或者连接支持蜂窝网络的 DXM 控制器，以实现云连接。

结语

叠加 IIoT 网络能够满足设计人员将传统设备和自动化岛连接到工业网络的需求，从而收集可操作数据，以支持现有工厂提高生产力。此类叠加网络的设计和实施过程复杂，但如图所示，使用 Banner Engineering 的拓扑结构和 Snap Signal 线路可以大大简化这个过程。该线路包括 DXMR90 工业控制器、数据转换器、布线适配器、滤波器和其他实现 IIoT 叠加网络并将其分配到边缘计算资源或云端所需的元器件。Snap Signal 网络架构的模块化、可编程且灵活的设计支持增加新设备，并能保障未来安装。