วิธีการออกแบบเครือข่ายทับซ้อนแบบโมดูลาร์สำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพการประมวลผลข้อมูลอุตสาหกรรม 4.0 ใน IIoT

การเพิ่มประสิทธิภาพการประมวลผลข้อมูลในอุตสาหกรรม 4.0 และ Industrial Internet of Things (IIoT) เพื่อรองรับการผลิตแบบลีนสามารถดำเนินการผ่านการตรวจสอบสภาพ การบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ การวิเคราะห์และติดตามประสิทธิภาพอุปกรณ์โดยรวม (OEE) การวินิจฉัย และการแก้ไขปัญหา ในหลายกรณีปัญหามักจะเกิดจากการที่อุปกรณ์รุ่นเก่าไม่ได้ออกแบบมาให้เชื่อมต่อหรืออาจใช้โปรโตคอลการสื่อสารที่หลากหลาย ซึ่งการเปลี่ยนอุปกรณ์ใหม่ทั้งหมดมีค่าใช้จ่ายสูง เพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงสุดและได้ข้อมูลเครื่องจักรที่นำมาดำเนินการได้ ในหลาย ๆ กรณีการติดตั้งเครือข่ายทับซ้อนที่สามารถเชื่อมต่อส่วนต่าง ๆ ของระบบอัตโนมัติที่มีอยู่และอุปกรณ์รุ่นเก่าได้นั้นง่ายและคุ้มค่ากว่า

การออกแบบเครือข่ายทับซ้อนดังกล่าวจึงถือเป็นงานที่ท้าทาย ซึ่งจะต้องใช้ตัวควบคุมที่สามารถรับสัญญาณจากเซ็นเซอร์และอุปกรณ์อื่น ๆ ที่ใช้โปรโตคอลการสื่อสารที่แตกต่างกัน โดยรวมสัญญาณเหล่านั้นลงในกระแสข้อมูลที่ใช้งานได้ และส่งออกข้อมูลนั้นไปยังส่วนประมวลผลที่ใกล้กับแหล่งข้อมูล (Edge computing) หรือระบบคลาวด์ ระบบต้องการอะแดปเตอร์ที่สามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับเซ็นเซอร์ อุปกรณ์แสดงสถานะ และอุปกรณ์อื่นๆ ซึ่งจำเป็นต้องใช้ตัวแปลงเพื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์ที่เข้ากันไม่ได้ก่อนหน้านี้ ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์รุ่นเก่า

นอกจากนี้เพื่อการทำงานที่น่าเชื่อถือ ระบบจะต้องมีตัวกรองเพื่อปกป้องการสื่อสารข้อมูลจากสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าและสัญญาณรบกวนชั่วคราว อุปกรณ์ในระบบทั้งหมดควรเป็นไปตามมาตรฐาน IP65, IP67 และ IP68 สำหรับการทำงานในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม และโซลูชันต้องใช้งานง่ายและคุ้มค่าต่อการดำเนินการ

บทความนี้กล่าวถึงปัญหาในการเชื่อมต่ออุปกรณ์รุ่นเก่ากับ IIoT โดยสังเขป จากนั้นจะแนะนำสถาปัตยกรรมของฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ตระกูล Snap Signal จาก Banner Engineering และวิธีจัดการกับความท้าทายเหล่านั้น โดยนำเสนอตัวอย่างอุปกรณ์ Snap Signal รวมถึงคอนโทรลเลอร์รุ่น DXMR90 คอนเวอร์เตอร์ที่เกี่ยวข้อง อะแด็ปเตอร์และฟิลเตอร์ ตลอดจนข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับการใช้งานที่มีการใช้ Edge Computing แบบมีสายและไร้สาย หรือการเชื่อมต่อกับระบบคลาวด์

การเชื่อมต่ออุปกรณ์รุ่นเก่าเข้ากับ IIoT

โรงงานหลายแห่งเกิดขึ้นก่อนยุค IIoT และ Industry 4.0 และมักจะไม่ได้เชื่อมต่ออุปกรณ์และเครื่องจักรทั้งหมดในเครือข่ายเดียว ซึ่งส่งผลให้มีระบบอัตโนมัติหลายระบบ แม้ว่าจะไม่ได้แยกขาดจากกันอย่างสิ้นเชิง แต่อุปกรณ์รุ่นเก่าอาจเชื่อมต่อถึงกันได้ยาก อันเป็นผลมาจากความไม่ยืดหยุ่นที่เกิดจากการใช้โปรโตคอลการสื่อสารที่เป็นเอกสิทธิ์เฉพาะ ตัวเชื่อมต่อและสายเคเบิลที่ไม่ได้มาตรฐาน และปัจจัยอื่นๆ

เครือข่ายซ้อนทับ Snap Signal IIoT สามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์รุ่นเก่าและส่วนต่างๆ ของระบบอัตโนมัติได้อย่างรวดเร็ว ยืดหยุ่น และคุ้มค่า โดยการรวบรวมและแปลงโปรโตคอลการสื่อสารข้อมูลที่แตกต่างกันให้เป็นมาตรฐานที่กระจายข้อมูลได้ง่ายและสามารถส่งไปยังส่วนประมวลผลบน Edge หรือคลาวด์สำหรับการวิเคราะห์และการดำเนินการ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: เครือข่ายซ้อนทับของ Snap Signal มีสถาปัตยกรรมแบบโมดูลาร์ เพื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์รุ่นเก่าและส่วนต่างๆ ของระบบอัตโนมัติด้วยส่วนประมวลผลแบบ Edge หรือ Cloud Computing (แหล่งที่มารูปภาพ: Banner Engineering)

มีส่วนประกอบหลักมากมายที่จำเป็นต่อการปรับใช้เครือข่ายทับซ้อน IIoT ที่ยืดหยุ่นและเชื่อถือได้:

• อะแดปเตอร์สำหรับเปลี่ยนเส้นทางการเดินสายไฟและเชื่อมโยงรูปแบบการเดินสายอุปกรณ์แบบต่างๆ จากเซ็นเซอร์ อุปกรณ์แสดงสถานะ และอุปกรณ์อื่นๆ ให้เป็นรูปแบบมาตรฐานที่ใช้ในเครือข่ายทับซ้อน
• ตัวแปลงข้อมูลสำหรับการแปลข้อมูลรูปแบบต่าง ๆ ที่เข้ากันไม่ได้ เช่น ข้อมูลที่ไม่ต่อเนื่อง ข้อมูลอนาล็อก และข้อมูลดิจิทัลแบบต่าง ๆ ที่พบในอุปกรณ์รุ่นเก่าหรือระบบอัตโนมัติให้เป็นโปรโตคอลมาตรฐาน เช่น IO-Link หรือ Modbus เพื่อให้สามารถนำไปใช้ในการตรวจสอบประสิทธิภาพแบบรวมศูนย์
• ตัวกรองสำหรับการปกป้องข้อมูลจากความเสียหายในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่มีสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า ปรับปรุงความสมบูรณ์และความน่าเชื่อถือของสัญญาณ และลดข้อกำหนดในการแก้ไขปัญหา
• ตัวควบคุมแบบโปรแกรมได้สำหรับการรวบรวมข้อมูลจากหลายแหล่งและให้การประมวลผลข้อมูลในตัว ตลอดจนการเชื่อมต่อที่ช่วยให้อุปกรณ์รุ่นเก่าและส่วนต่างๆ ของระบบอัตโนมัติสามารถรวมเข้ากับ IIoT ได้
• การเชื่อมต่อแบบมีสายหรือไร้สายเพื่อกระจายข้อมูลที่เก็บรวบรวมไว้ไปยังส่วนประมวลผลแบบ Edge และ/หรือ Cloud Computing เช่น บริการข้อมูลคลาวด์ (CDS) ของ Banner ซึ่งให้การแสดงภาพข้อมูลและข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับประสิทธิภาพของเครื่อง และส่งอีเมลหรือข้อความแจ้งเตือนเพื่อสนับสนุนการควบคุมเครื่องจักร การบำรุงรักษา และการซ่อมแซมตามเวลาจริง (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: สามารถส่งข้อมูลข้อมูลที่รวบรวมไว้ผ่านการเชื่อมต่อแบบมีสายหรือไร้สายไปยังส่วนการประมวลผลแบบ Edge Computing หรือส่งไปยังคลาวด์ เช่น CDS ของ Banner (ภาพหน้าจอด้านบน) (แหล่งที่มารูปภาพ: Banner Engineering)

ตัวควบคุมสำหรับการรวมกระแสข้อมูลหลายแหล่ง

ตัวควบคุมแบบโปรแกรมได้และตัวแปลงข้อมูลเป็นองค์ประกอบสำคัญในการออกแบบเครือข่ายทับซ้อน ตัวควบคุมระดับอุตสาหกรรม DXMR90 จาก Banner ทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางการสื่อสารส่วนกลางที่รวมสัญญาณจากพอร์ต Modbus หลายพอร์ตเข้าเป็นกระแสข้อมูลเดียวที่ส่งต่อออกไปโดยใช้โปรโตคอลอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรม ตัวอย่างเช่น รุ่นDXMR90-X1 ประกอบด้วย Modbus Master สี่ตัวและรองรับการสื่อสารกับเครือข่ายซีเรียลสูงสุดสี่เครือข่ายพร้อมกัน (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: พอร์ตบน DXMR90 ประกอบด้วยพอร์ต Modbus ที่กำหนดค่าได้ (พอร์ต 0 ทางด้านซ้าย) พอร์ต Modbus master (1 ถึง 4 ที่ด้านล่าง) พอร์ต Modbus ที่กำหนดค่าได้สำหรับ RS-485 และไฟฟ้าขาเข้า (พอร์ต 0/PW ด้านบนขวา) และพอร์ตอีเทอร์เน็ตแบบ D (ล่างขวา) (แหล่งที่มารูปภาพ: Banner Engineering)

DXMR90 เป็นตัวควบคุมการสื่อสารแบบบูรณาการขั้นสูงมี:

• ความสามารถในการทำงานกับอุปกรณ์ Modbus ที่หลากหลาย แปลง Modbus RTU เป็น Modbus TCP/IP, Ethernet I/P หรือ Profinet
• พอร์ตมาสเตอร์ Modbus อิสระสี่พอร์ตที่สามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์สเลฟโดยที่ผู้ใช้ไม่ต้องกำหนด Address ให้กับอุปกรณ์
• การควบคุมในตัวและการเชื่อมต่อกับ:
  • โปรโตคอลระบบอัตโนมัติ Modbus/TCP, Modbus RTU, Ethernet/IP และ Profinet
  • โปรโตคอลอินเทอร์เน็ตรวมถึง RESTful API และ MQTT พร้อมบริการเว็บจาก AWS และอื่นๆ
  • อีเมลแจ้งเตือนโดยตรง
• ตัวควบคุมลอจิกภายในที่มีกฎการดำเนินการที่กำหนดไว้ล่วงหน้าที่สามารถตั้งโปรแกรมได้โดยใช้ MicroPython หรือ ScriptBasic
• การป้องกันระดับ IP65, IP67 และ IP68 ช่วยลดความยุ่งยากในการปรับใช้ในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม
• การแสดงสถานะด่วนด้วยไฟ LED ที่ผู้ใช้สามารถตั้งโปรแกรมได้
• สามารถใช้สายอีเทอร์เน็ตหรือคอนโทรลเลอร์ DXM ที่ใช้งานเซลลูลาร์ เพื่อเชื่อมต่อกับฐานข้อมูล เช่น CDS ของ Banner

ตัวแปลงเชื่อมต่ออุปกรณ์ในเครือข่าย IIoT

การแปลงข้อมูลอย่างมีประสิทธิภาพเป็นสิ่งจำเป็นในการวมอุปกรณ์รุ่นเก่าและระบบอัตโนมัติในเครือข่ายทับซ้อน สำหรับฟังก์ชันนี้ นักออกแบบสามารถใช้ตัวแปลงอินไลน์ขนาดเล็กซีรีส์ S15C ของ Banner เพื่อแปลงข้อมูลการตรวจสอบสภาพและข้อมูลจากเซ็นเซอร์ในกระบวนการจากรูปแบบต่าง ๆ ไปเป็นข้อมูลดิจิตอล IO-Link (ภาพที่ 4) ตัวอย่างเช่น S15C-MGN-KQ เป็นตัวแปลงอุปกรณ์ Modbus Master เป็น IO-Link ที่ผู้ใช้กำหนดค่าได้ให้อ่านค่าสูงสุดถึง 60 รีจิสเตอร์และเขียนได้สูงสุด 15 รีจิสเตอร์ โดยมีรีจิสเตอร์ Modbus ที่กำหนดไว้ล่วงหน้าที่ส่งผ่าน IO-Link โดยอัตโนมัติ

รูปที่ 4: ตัวแปลงข้อมูลอินไลน์ซีรีส์ S15C สามารถแปลงสัญญาณประเภทต่าง ๆ ทั้งแบบที่ไม่ต่อเนื่อง อนาล็อก และอื่นๆ ให้เป็นโปรโตคอลทางอุตสาหกรรม เช่น Modbus, IO-Link, PWM และ PFM (แหล่งที่มารูปภาพ: Banner Engineering)

ตัวแปลงข้อมูล S15C มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 15 มิลลิเมตร (มม.) พร้อมแพ็คเกจ IP68 แบบโอเวอร์โมล และการเชื่อมต่อแบบ M12 และยังใช้แหล่งจ่ายไฟเดียวกันกับอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ การใช้ตัวแปลงข้อมูล S15C ช่วยขจัดข้อจำกัดในการสื่อสาร IO-Link 20 เมตร (ม.) เนื่องจากสามารถติดตั้งได้ที่ส่วนท้ายของจุดเชื่อมต่อ Modbus ใกล้กับ IO-Link Master

กลุ่มผลิตภัณฑ์ตัวแปลงข้อมูล S15C มีทั้งหมดแปดรุ่น:

• ตัวแปลง Modbus เป็น IO-Link จำนวนหกรุ่นสำหรับใช้กับกลุ่มผลิตภัณฑ์เซนเซอร์ Modbus ของ Banner รวมถึงอัลตราโซนิก การวัดม่านแสง อุณหภูมิ/ความชื้น การสั่น/อุณหภูมิ และ GPS นอกจากนี้ยังมีตัวแปลงทั่วไปที่สามารถกำหนดค่าให้ใช้งานอุปกรณ์ Modbus ส่วนใหญ่เพื่อปรับใช้เป็นอุปกรณ์ IO-Link
• เซนเซอร์อนาล็อกสองรุ่นที่สามารถแปลงสัญญาณไฟฟ้ากระแสตรง 0 ถึง 10 โวลต์หรือ 4 ถึง 20 มิลลิแอมแปร์ (mA) เป็นค่าดิจิตอลและส่งต่อเป็นข้อมูล IO-Link

อะแดปเตอร์สายไฟและตัวกรองทำให้เครือข่ายสมบูรณ์

นอกจากตัวควบคุมและตัวแปลงข้อมูลแล้ว นักออกแบบยังต้องการอะแดปเตอร์สายไฟและตัวกรองสัญญาณรบกวนเพื่อให้นำเครือข่ายทับซ้อนที่ยืดหยุ่นและคุ้มค่าไปใช้งานได้อย่างรวดเร็ว อะแดปเตอร์สายไฟแบบอินไลน์ เช่น S15A-F14325-M14325-Q ของ Banner เชื่อมต่อโดยตรงกับเซ็นเซอร์ ตัวแสดงสถานะ หรืออุปกรณ์อื่นๆ เพื่อเปลี่ยนเส้นทางการเดินสายไฟและแยกสัญญาณตามความจำเป็นเพื่อให้ตรงกับความต้องการใช้งานเฉพาะ (ภาพที่ 5) อะแดปเตอร์สายไฟเหล่านี้มีให้เลือกทั้งแบบมาตรฐานและแบบกำหนดเอง

รูปที่ 5: อะแดปเตอร์ S15A เช่น S15A-F14325-M14325-Q ใช้การเชื่อมต่อ M12 เพื่อให้ติดตั้งง่าย และสามารถเปลี่ยนเส้นทางเดินสายได้ตามต้องการเพื่อให้ตรงกับข้อกำหนดการใช้งานเฉพาะ (แหล่งที่มารูปภาพ: Banner Engineering)

ตัวกรองอินไลน์ S15F เช่น S15F-L-4000-Q ยังเป็นองค์ประกอบที่สำคัญในเครือข่ายทับซ้อน (รูปที่ 6) ซึ่งสามารถแก้ปัญหาสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวที่อาจส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพของเครือข่าย เช่นเดียวกับอะแดปเตอร์ S15A และตัวแปลง S15C ตัวกรองเหล่านี้มีการเชื่อมต่อ M12 และอยู่แพ็คเกจแบบโอเวอร์โมลที่ตรงตามมาตรฐาน IP65, IP67 และ IP68 การติดตั้งตัวกรองอินไลน์ S15F อาจทำให้ความสมบูรณ์ของสัญญาณดีขึ้นและความจำเป็นในการแก้ไขปัญหาของเครือข่ายลดลง

รูปที่ 6: สามารถใช้ตัวกรองอินไลน์ S15F เช่น S15F-L-4000-Q ได้ทันทีเพื่อปกป้องอุปกรณ์จากสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าและสัญญาณรบกวนชั่วคราว และการเชื่อมต่อ M12 ทำให้ติดตั้งง่ายทุกที่ที่ต้องการในเครือข่าย (แหล่งที่มารูปภาพ: Banner Engineering)

การออกแบบและปรับใช้เครือข่าย Snap Signal

การออกแบบและปรับใช้เครือข่ายทับซ้อน Snap Signal เริ่มต้นด้วยการระบุแหล่งข้อมูลที่จะตรวจสอบ จากนั้นจะต้องต้องพิจารณาว่าควรเพิ่มเซ็นเซอร์หรืออุปกรณ์แสดงสถานะใหม่เพิ่มเติมจากอุปกรณ์ที่มีอยู่หรือไม่ ขั้นตอนในการออกแบบเครือข่าย Snap Signal ประกอบด้วย:

• ใช้แผนผังระบบของ Banner เพื่อระบุและเลือกส่วนประกอบ Snap Signal ที่จำเป็นสำหรับการติดตั้งเฉพาะ
• วางแผนเส้นทางการเดินสายที่เหมาะสมที่สุด รวมถึงการวางขั้วต่อ T และตัวกรองระหว่างอุปกรณ์ที่จะตรวจสอบและตัวควบคุม DXMR90
• ตรวจสอบว่าการติดตั้งต้องใช้การเชื่อมต่ออีเทอร์เน็ตแบบมีสายสำหรับการใช้ข้อมูลภายในหรือการใช้อุปกรณ์ Edge Gateway เพื่อเชื่อมต่อแบบไร้สายกับแพลตฟอร์มคลาวด์

Snap Signal เป็นเครือข่ายทับซ้อนที่แท้จริงและไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนฮาร์ดแวร์ที่ใช้งานอยู่ ซึ่งสถาปัตยกรรม Snap Signal แบบ Plug and play แบบโมดูลาร์ทำให้ติดตั้งได้อย่างง่ายดาย:

• ติดตั้งเซ็นเซอร์ใหม่หรืออุปกรณ์อื่น ๆ และเพิ่มสายแยกไปยังทุกอุปกรณ์ที่จะตรวจสอบ เพื่อให้มีการเชื่อมต่ออยู่กับการควบคุมเครื่องจักร ในขณะเดียวกันก็มีการเชื่อมต่อไปยังเครือข่ายทับซ้อน
• ติดตั้งตัวแปลงสัญญาณอินไลน์ที่เหมาะสม
• เพิ่มตัวเชื่อมต่อ T, ตัวกรอง และการเดินสายเครือข่ายอื่นๆ ตามต้องการ เพื่อให้เครือข่ายสมบูรณ์และเชื่อมต่อกับตัวควบคุม DXMR90
• เขียนโปรแกรมใน DXMR90 เพื่อสร้างการตรวจจับและการควบคุมแบบกำหนดเอง โดยใช้โปรแกรม ScriptBasic หรือ MicroPython และ/หรือกฎการดำเนินการที่ฝังไว้
• เชื่อมต่อ DXMR90 กับส่วนประมวลผล Edge computing โดยใช้การเชื่อมต่ออีเทอร์เน็ต หรือตัวควบคุม DXM ที่ใช้งานเซลลูลาร์สำหรับการเชื่อมต่อกับคลาวด์

สรุป

เครือข่าย IIoT แบบทับซ้อนสามารถรองรับความต้องการของนักออกแบบในการเชื่อมต่ออุปกรณ์รุ่นเก่าและส่วนต่างๆ ของระบบอัตโนมัติเข้ากับเครือข่ายอุตสาหกรรม และรวบรวมข้อมูลที่นำไปดำเนินการได้ เพื่อรองรับประสิทธิภาพการทำงานที่เพิ่มขึ้นทั่วทั้งโรงงานที่มีอยู่ การออกแบบและการนำเครือข่ายทับซ้อนไปใช้นั้นมีความซับซ้อน แต่สามารถทำให้ง่ายขึ้นโดยใช้โทโพโลยีของ Banner Engineering และ Snap Signal ซึ่งกลุ่มผลิตภัณฑ์ประกอบด้วยตัวควบคุมอุตสาหกรรม DXMR90 ตัวแปลงข้อมูล อะแดปเตอร์สายไฟ ตัวกรอง และองค์ประกอบอื่นๆ ที่จำเป็นในการนำเครือข่ายทับซ้อน IIoT ไปใช้งานและกระจายข้อมูลไปยังส่วนประมวลผล Edge computing หรือคลาวด์ โดยการออกแบบสถาปัตยกรรมเครือข่าย Snap Signal แบบโมดูลาร์ที่สามารถตั้งโปรแกรมได้และยืดหยุ่นนั้นรองรับการเพิ่มอุปกรณ์ใหม่และการติดตั้งเพิ่มเติมในอนาคต

บทความแนะนำ

1. ความรู้พื้นฐานด้านความปลอดภัย IoT—ส่วนที่ 5: การเชื่อมต่อกับ IoT Cloud Services อย่างปลอดภัย