如何為 IIoT 中的工業 4.0 資料處理最佳化設計模組化覆蓋網路

工業 4.0 和工業物聯網 (IIoT) 系統可以透過狀態監測、預測性維護、整體設備效率 (OEE) 分析和追蹤、診斷和故障排除來達成資料處理最佳化，用以支援精益製造。在許多情況下，問題出在傳統設備的設計不適用連接，或可能使用多種通訊協定中的任何一種，因此更換的成本很高。為了確保最高效率並取得可用的機器資料，在許多情況下，實作覆蓋網路連接現有自動化孤島和舊設備會更加簡單且更具成本效益。

設計這樣一個覆蓋網路具有挑戰性。該網路需要一個控制器，以便接收來自感測器和其他使用各種通訊協定的裝置的訊號，並將這些訊號組合成統一的可用資料流，匯出到邊緣運算資源或雲端。此系統需要能夠直接連接到感測器、指示器和其他裝置的配接器。還需要轉換器來連接原先不相容的裝置類型，包括舊型設備。

此外，為了確保可靠運作，需要使用濾波器來保護資料通訊免受電氣雜訊和暫態的影響。所有這些元件都應滿足在工業環境作業的 IP65、IP67、IP68 環境標準，且解決方案需要容易實作及具有成本效益。

本文簡要討論將傳統設備連接到 IIoT 的問題。接著介紹 Banner Engineering 的 Snap Signal 系列硬體和軟體工具的架構，以及如何因應這些挑戰。提供 Snap Signal 裝置的範例，包括 DXMR90 控制器、相關轉換器、配接器和濾波器，以及應用在實作有線和無線邊緣運算或雲端連接時的注意事項。

將傳統設備連接到 IIoT

許多工廠於 IIoT 和工業 4.0 出現前成立，通常不可能將所有設備和機器互連到單一網路中，從而導致自動化孤島。即使不是孤立在「孤島」上，由於使用專有通訊協定、非標準連接器和纜線以及其他因素導致的不靈活，舊款設備也可能難以互連。

Snap Signal IIoT 覆蓋網路可以透過擷取各種不相容的資料通訊協定，將其轉換為易於發布的標準，以快速、靈活且符合成本效益的方式連接傳統設備和自動化孤島，進而交付到邊緣或雲端運算資源，進行分析和行動 (圖 1)。

圖 1：Snap Signal 覆蓋網路提供一種模組化架構，可將舊款設備和自動化孤島與邊緣或雲端運算資源連接。(圖片來源：Banner Engineering)

部署靈活可靠的 IIoT 覆蓋網路需要幾個關鍵元件：

• 標準格式配接器：用於重新路由佈線並將感測器、指示器和其他元件的各種設備佈線方案連接到覆蓋網路。
• 資料轉換器：將舊款設備或自動化孤島上的離散、類比和各種數位格式等不相容格式轉換為 IO-Link 或 Modbus 等標準協定，達到集中效能監控。
• 濾波器：保護資料在電氣雜訊工業環境中免受損壞，提高訊號完整性和可靠性，並降低故障排除要求。
• 可編程控制器：整合多重來源資料並提供本機資料處理，以及提供舊型設備和自動化孤島整合到 IIoT 的連接性。
• 有線或無線連接：將蒐集的資料分發到邊緣運算資源和／或雲端，例如 Banner 的雲端資料服務 (CDS)，提供資料視覺化和對機器效能的洞悉，並發送電子郵件或文本警報支援機器作業，以及即時維護和維修 (圖 2)。

圖 2：合併的資料可以透過有線或無線連接傳輸到邊緣運算資源或雲端，例如 Banner 的 CDS (如上螢幕截圖)。(圖片來源：Banner Engineering)

用於合併多重資料流的控制器

可編程控制器和資料轉換器是設計覆蓋網路的關鍵要素。Banner 的 DXMR90 工業控制器用作中央通訊中樞，將來自多個 Modbus 埠口的訊號組合成統一的資料流，並使用工業乙太網路協定進行轉發。例如，DXMR90-X1 型號包括四個 Modbus 主埠口，並支援與多達四個序列網路的同時通訊 (圖 3)。

圖 3：DXMR90 上的埠口包括可配置的 Modbus 埠口 0 (左側)、Modbus 主埠口 (底端 1 至 4)、可配置的 Modbus 埠口 0/PW，用於 RS- 485 和輸入電源 (右上)，以及一個 D 編碼乙太網路埠口 (右下)。(圖片來源：Banner Engineering)

DXMR90 是一款高度整合的通訊控制器，具有以下特點：

• 可搭配一系列 Modbus 裝置，將 Modbus RTU 轉換為 Modbus TCP/IP、乙太網路 I/P 或 Profinet。
• 四個獨立的 Modbus 主埠口，無需手動為裝置分配位址，即可連接從屬裝置。
• 本機控制和連接：
  • Modbus/TCP、Modbus RTU、Ethernet/IP 和 Profinet、自動化協定
  • Internet 協定，包括 RESTful API 和 MQTT，以及 AWS 的 Web 服務等
  • 直接電子郵件警報
• 具有預定義動作規則的內部邏輯控制器，也可以使用 MicroPython 或 ScriptBasic 進行編程。
• IP65、IP67、IP68 防護等級的外殼，簡化工業環境中的部署。
• 含使用者可編程 LED 的快速狀態指示。
• 有線乙太網路纜線或支援蜂巢式的 DXM 控制器，可連接到 Banner 的 CDS 等資料庫。

轉換器連接 IIoT 網路中的裝置

需要有效的資料轉換才能將舊款設備和自動化孤島融合到覆蓋網路中。針對此功能，設計人員可以使用 Banner 的小型附加元件 S15C 系列線上轉換器，將各種格式的狀態監測和流程感測器資料轉換為數位 IO-Link 資料(圖 4)。例如，S15C-MGN-KQ 是 Modbus 主埠口對 IO-Link 裝置轉換器，使用者可配置為讀取多達 60 個暫存器，及寫入多達 15 個暫存器，預定義的 Modbus 暫存器會透過 IO-Link 自動發送。

圖 4：S15C 系列線上資料轉換器可以將各種類型的訊號 (包括離散、數位等) 轉換為 Modbus、IO-Link、PWM 和 PFM 等工業協定。(圖片來源：Banner Engineering)

S15C 轉換器的直徑為 15 mm，採用包覆成型 IP68 外罩和 M12 連接，使用與連接裝置相同的電源。S15C 轉換器可消除 IO-Link 通訊的 20 m 限制，因為可以安裝在 Modbus 鏈路的末端，靠近 IO-Link 主埠口。

S15C 系列轉換器包括八款型號：

• 六款 Modbus 對 IO-Link 轉換器，搭配 Banner 的 Modbus 感測器系列，包括超音波、測量光幕、溫度／濕度、振動／溫度和 GPS。此外，還有一個通用轉換器可以經過配置，讓大多數 Modbus 裝置能夠部署為 IO-Link 裝置。
• 兩款類比感測器型號，可將 0 至 10 VDC 或 4 至 20 mA 訊號轉換為其數位值，並將其作為 IO-Link 資料轉發。

接線配接器和濾波器讓網路更完整

除了控制器和資料轉換器之外，設計人員還需要接線配接器和雜訊濾波器來快速部署靈活且具有成本效益的覆蓋網路。線上接線配接器，例如 Banner 的 S15A-F14325-M14325-Q，可直接連接到感測器、指示器或其他裝置，根據需要重定向接線和隔離訊號，滿足特定應用需求 (圖 5)。這些接線配接器提供標準配置和客製化配置。

圖 5：S15A 配接器 (如 S15A-F14325-M14325-Q) 使用 M12 連接以方便安裝，並可根據需求重新佈線以滿足特定應用要求。(圖片來源：Banner Engineering)

S15F-L-4000-Q 等 S15F 系列線上濾波器也是覆蓋網路中的重要元素 (圖 6)。此類濾波器可輕鬆解決可能對網路效能造成負面影響的電氣雜訊和暫態電壓挑戰。與 S15A 配接器和 S15C 轉換器一樣，這些濾波器具有 M12 連接，並採用符合 IP65、IP67、IP68 標準的包覆成型配置。安裝 S15F 線上濾波器可以提高訊號完整性，並減少網路故障排除的需求。

圖 6：S15F 線上濾波器 (如 S15F-L-4000-Q) 可輕鬆保護裝置免受電氣雜訊和暫態影響，其 M12 連接便於安裝在網路任何需要的位置。(圖片來源：Banner Engineering)

Snap 訊號網路設計與部署

Snap Signal 覆蓋網路的設計和部署從識別要監控的資料源開始。然後需要確定是否應添加任何新的感測器或指示器來補充現有裝置。Snap Signal 網路的設計步驟包括：

• 使用 Banner 的系統圖方法來識別和選擇特定安裝所需的 Snap Signal 組件。
• 規劃最佳佈線路徑，包括在要監控的裝置和 DXMR90 控制器之間放置 T 型連接器和濾波器。
• 確定安裝是否需要使用有線乙太網路連接來取得本機資料，或使用邊緣閘道裝置以無線方式連接到雲端平台。

Snap Signal 是一個真正的覆蓋網路，不需要更換任何現有硬體。模組化隨插即用 Snap Signal 架構使安裝變得簡單：

• 安裝任何新的感測器或其他裝置，並在每個要監控的裝置上添加分離器纜線，以保持與機器控制的現有連接，同時還提供到覆蓋網路的第二條路徑。
• 安裝適當的線上訊號轉換器。
• 根據需要添加 T 型連接器、濾波器和其他網路佈線，以完成網路並連接到 DXMR90 控制器。
• 使用 ScriptBasic 或 MicroPython 編程和／或嵌入式動作規則對 DXMR90 進行編程以建立自定義感測和控制序列。
• 使用乙太網路連接將 DXMR90 連接到邊緣運算資源，或者對於雲端連接，使用支援蜂巢式的 DXM 控制器。

結論

覆蓋 IIoT 網路可以支援設計人員將舊款設備和自動化孤島連接到工業網路，進而蒐集可用資料，提供支援，提高現有工廠的生產力。這種覆蓋網路的設計和實作很複雜，但如上所述，使用 Banner Engineering 的拓撲結構和 Snap Signal line 可以大幅簡化。該產品線包括 DXMR90 工業控制器、資料轉換器、接線配接器、濾波器和實作 IIoT 覆蓋網路並將其分配到邊緣運算資源或雲端所需的其他元件。Snap Signal 網路架構的可編程、模組化和靈活設計支援添加新裝置和因應未來發展的安裝。

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