Cómo diseñar una red modular superpuesta para la optimización del procesamiento de datos de la Industria 4.0 en la IIoT

El problema, en muchos casos, es que los equipos heredados no fueron diseñados para conectarse o pueden utilizar cualquiera de los diversos protocolos de comunicación, lo que hace que sea costoso sustituirlos todos. Para garantizar la máxima eficacia y obtener datos procesables de las máquinas, en muchos casos es más sencillo y rentable implantar una red superpuesta que pueda conectar las islas de automatización existentes y los equipos heredados.

Diseñar una red superpuesta de este tipo es un reto. Requiere un controlador que pueda recibir señales de sensores y otros dispositivos que utilicen diversos protocolos de comunicación, combinar esas señales en un flujo unificado de datos utilizables y exportar esos datos a los recursos informáticos de borde o a la nube. El sistema necesita adaptadores que puedan conectarse directamente a sensores, indicadores y otros dispositivos. Los convertidores son necesarios para conectar tipos de dispositivos anteriormente incompatibles, incluidos los equipos heredados.

Además, para garantizar un funcionamiento fiable, se necesitan filtros que protejan las comunicaciones de datos del ruido eléctrico y los transitorios. Todos estos componentes deben cumplir las normas ambientales IP65, IP67 e IP68 para funcionar en entornos industriales, y la solución debe ser fácil y rentable de implementar.

En este artículo se analizan brevemente los problemas de conexión de los equipos heredados a la IIoT. A continuación, presenta la arquitectura de la familia de herramientas de hardware y software Snap Signal de Banner Engineering y cómo aborda estos retos. Presenta ejemplos de dispositivos Snap Signal, incluido el controlador DXMR90, los convertidores, adaptadores y filtros asociados, así como consideraciones de aplicación cuando se implementa la computación de borde alámbrica e inalámbrica o la conectividad en la nube.

Muchas fábricas son anteriores a la aparición de la IIoT y la Industria 4.0, y a menudo no es posible interconectar todos los equipos y máquinas en una sola red, lo que da lugar a islas de automatización. Incluso si no están aislados en una “isla”, los equipos heredados pueden ser difíciles de interconectar como resultado de la inflexibilidad derivada del uso de protocolos de comunicación propietarios, conectores y cableado no estándar y otros factores.

Una red de superposición de Snap Signal IIoT puede proporcionar una forma rápida, flexible y rentable de conectar los equipos heredados y las islas de automatización mediante la captura y la conversión de varios protocolos de comunicación de datos no compatibles en un estándar fácil de distribuir, capaz de ser entregado a los recursos de computación de borde o de la nube para el análisis y la acción (Figura 1).

Figura 1: Una red superpuesta de Snap Signal proporciona una arquitectura modular para conectar equipos heredados e islas de automatización con recursos de computación de borde o en la nube. (Fuente de la imagen: Banner Engineering).

Hay varios componentes clave necesarios para desplegar redes superpuestas de IIoT flexibles y fiables:

• Adaptadores para redirigir el cableado y enlazar varios esquemas de cableado de equipos de sensores, indicadores y otros dispositivos a un formato estándar utilizado en la red superpuesta.
• Convertidores de datos para traducir formatos incompatibles, como los discretos, analógicos y diversos formatos digitales que se encuentran en los equipos heredados o en las islas de automatización, a protocolos estándar como IO-Link o Modbus para permitir la supervisión centralizada del rendimiento.
• Filtros para proteger los datos de la corrupción en entornos industriales eléctricamente ruidosos, mejorando la integridad y la fiabilidad de la señal y reduciendo los requisitos de resolución de problemas.
• Un controlador programable para consolidar los datos de múltiples fuentes y proporcionar un procesamiento de datos local, así como una conectividad que permita integrar los equipos heredados y las islas de automatización en la IIoT.
• Una conexión alámbrica o inalámbrica para distribuir los datos recogidos a los recursos informáticos de borde y/o a la nube, como el Servicio de Datos en la Nube (CDS) de Banner, que proporciona visualización de datos y conocimientos sobre el rendimiento de la máquina y para enviar alertas por correo electrónico o texto para apoyar el funcionamiento, el mantenimiento y las reparaciones de la máquina en tiempo real (Figura 2).

Figura 2: Los datos consolidados pueden transmitirse con una conexión alámbrica o inalámbrica a los recursos informáticos de borde o a la nube, como el CDS de Banner (captura de pantalla anterior). (Fuente de la imagen: Banner Engineering).

El controlador programable y los convertidores de datos son elementos clave en el diseño de una red superpuesta. El controlador industrial DXMR90 de Banner sirve como concentrador central de comunicaciones que combina las señales de varios puertos Modbus en un flujo de datos unificado que se reenvía mediante protocolos de Ethernet industrial. Por ejemplo, el modelo DXMR90-X1 incluye cuatro maestros Modbus y admite la comunicación simultánea con hasta cuatro redes serie (Figura 3).

Figura 3: Los puertos del DXMR90 incluyen un puerto Modbus 0 configurable (en el lado izquierdo), puertos Modbus master (1 a 4 en la parte inferior), puerto Modbus 0/PW configurable para RS-485 y alimentación entrante (arriba a la derecha), y un puerto Ethernet con código D (abajo a la derecha). (Fuente de la imagen: Banner Engineering).

El DXMR90 es un controlador de comunicaciones altamente integrado que cuenta con:

• La capacidad de trabajar con una gama de dispositivos Modbus, convirtiendo Modbus RTU a Modbus TCP/IP, Ethernet I/P o Profinet.
• Cuatro puertos maestros Modbus independientes que pueden conectar dispositivos esclavos sin necesidad de asignar manualmente una dirección a los dispositivos.
• Control local y conectividad con:
  • Modbus/TCP, Modbus RTU, Ethernet/IP y Profinet, protocolos de automatización
  • Protocolos de Internet, incluyendo API RESTful y MQTT con servicios web de AWS, y otros
  • Alertas directas por correo electrónico
• Controlador lógico interno con reglas de acción predefinidas, que también es programable mediante MicroPython o ScriptBasic.
• Las carcasas con clasificación IP65, IP67 e IP68 simplifican el despliegue en entornos industriales.
• Indicaciones rápidas de estado con LED programables por el usuario.
• Para la conexión a bases de datos como el CDS de Banner, se puede utilizar un cable Ethernet o un controlador DXM habilitado para móviles.

Se necesita una conversión de datos eficiente para integrar los equipos heredados y las islas de automatización en una red superpuesta. Para esta función, los diseñadores pueden utilizar los pequeños convertidores en línea enchufables de la serie S15C de Banner para convertir los datos de monitorización de condiciones y de los sensores de proceso de una variedad de formatos en datos digitales IO-Link (Figura 4). Por ejemplo, el S15C-MGN-KQ es un convertidor de maestro Modbus a dispositivo IO-Link que puede ser configurado por el usuario para leer hasta 60 registros y escribir hasta 15, con registros Modbus predefinidos enviados automáticamente a través de IO-Link.

Figura 4: Los convertidores de datos en línea de la serie S15C pueden convertir varios tipos de señales, como las discretas, las analógicas y otras, a protocolos industriales como Modbus, IO-Link, PWM y PFM. (Fuente de la imagen: Banner Engineering).

Los convertidores S15C miden 15 milímetros (mm) de diámetro con una carcasa sobremoldeada IP68 y conectividad M12, y utilizan la misma fuente de alimentación que el dispositivo conectado. El uso de los convertidores S15C elimina la limitación de comunicación IO-Link de 20 metros (m), ya que pueden instalarse en el extremo de un enlace Modbus, cerca del maestro IO-Link.

La línea de convertidores S15C incluye ocho modelos:

• Seis convertidores de Modbus a IO-Link para su uso con la línea de sensores Modbus de Banner, incluyendo ultrasónicos, cortina de luz de medición, temperatura/humedad, vibración/temperatura y GPS. Además, hay un convertidor genérico que puede configurarse para permitir que la mayoría de los dispositivos Modbus se desplieguen como dispositivos IO-Link.
• Dos modelos de sensores analógicos que convierten las señales de 0 a 10 voltios CC o de 4 a 20 miliamperios (mA) en sus valores digitales y los transmiten como datos IO-Link.

Además de un controlador y convertidores de datos, los diseñadores necesitan adaptadores de cableado y filtros de ruido para desplegar rápidamente redes superpuestas flexibles y rentables. Los adaptadores de cableado en línea, como el S15A-F14325-M14325-Q de Banner, se conectan directamente a un sensor, indicador u otro dispositivo para redirigir el cableado y aislar las señales según sea necesario para satisfacer las necesidades específicas de la aplicación (Figura 5). Estos adaptadores de cableado están disponibles en configuraciones estándar y personalizadas.

Figura 5: Los adaptadores S15A, como el S15A-F14325-M14325-Q, utilizan una conexión M12 para facilitar la instalación y pueden redirigir el cableado según sea necesario para adaptarse a los requisitos específicos de la aplicación. (Fuente de la imagen: Banner Engineering).

Los filtros en línea S15F, como el S15F-L-4000-Q, también son elementos importantes en una red superpuesta (Figura 6). Pueden resolver fácilmente los problemas de ruido eléctrico y tensiones transitorias que pueden afectar negativamente al rendimiento de la red. Al igual que los adaptadores S15A y los convertidores S15C, estos filtros tienen conexiones M12 y están empaquetados en una configuración sobremoldeada que cumple con las normas IP65, IP67 e IP68. La instalación de un filtro en línea S15F puede mejorar la integridad de la señal y reducir la necesidad de solucionar problemas en la red.

Figura 6: Los filtros en línea S15F, como el S15F-L-4000-Q, pueden utilizarse fácilmente para proteger los dispositivos del ruido eléctrico y los transitorios, y su conexión M12 facilita la instalación en cualquier lugar de la red que se necesite. (Fuente de la imagen: Banner Engineering).

El diseño y el despliegue de una red de superposición de Snap Signal comienza con la identificación de las fuentes de datos que se van a supervisar. A continuación, hay que determinar si hay que añadir nuevos sensores o indicadores para complementar los dispositivos existentes. Los pasos en el diseño de una red Snap Signal incluyen:

• Utilizar el enfoque de diagrama de sistema de Banner para identificar y seleccionar los componentes de Snap Signal necesarios para una instalación específica.
• Planifique la ruta de cableado óptima, incluida la colocación de los conectores en T y los filtros entre los dispositivos que se van a supervisar y el controlador DXMR90.
• Determine si la instalación requerirá el uso de una conexión Ethernet por cable para el consumo local de datos o el uso de un dispositivo de puerta de enlace de borde para conectarse de forma inalámbrica a una plataforma en la nube.

Snap Signal es una verdadera red superpuesta y no requiere la sustitución de ningún hardware existente. La arquitectura modular conectar y usar Snap Signal facilita la instalación:

• Instale los nuevos sensores u otros dispositivos y añada cables divisores a cada dispositivo que se vaya a supervisar para mantener la conexión existente con los controles de la máquina, proporcionando al mismo tiempo una segunda vía hacia la red de superposición.
• Instale los convertidores de señal en línea adecuados.
• Añada conectores en T, filtros y otros cables de red según sea necesario para completar la red y conectarla al controlador DXMR90.
• Programe el DXMR90 para crear secuencias de detección y control personalizadas utilizando la programación ScriptBasic o MicroPython y/o las reglas de acción incorporadas.
• Conecte el DXMR90 a los recursos de computación de borde utilizando la conexión Ethernet, o para las conexiones en la nube, un controlador DXM con capacidad celular.

Las redes IIoT superpuestas pueden satisfacer las necesidades de los diseñadores de conectar los equipos heredados y las islas de automatización a las redes industriales, lo que permite la recopilación de datos procesables para apoyar el aumento de la productividad en las fábricas existentes. El diseño y la implementación de una red superpuesta de este tipo son complejos, pero, como se ha demostrado, pueden simplificarse en gran medida utilizando la línea de topología y Snap Signal de Banner Engineering. La línea incluye el controlador industrial DXMR90, convertidores de datos, adaptadores de cableado, filtros y otros elementos necesarios para implementar una red superpuesta IIoT y distribuirla a los recursos informáticos de borde o a la nube. El diseño programable, modular y flexible de la arquitectura de red de Snap Signal admite la adición de nuevos dispositivos y prepara la instalación para el futuro.