Machine-naar-machine-netwerken voor geautomatiseerde machinefuncties

Machine-naar-machine-netwerken (M2M) zijn, in hun kern, een permutatie van industriële telematica - combinaties van telecommunicatie en informatica die gegevens gebruiken om geautomatiseerde bewerkingen uit te voeren. M2M-netwerken omvatten sensors, besturingen en machines die communiceren zonder menselijke tussenkomst. Machines in dergelijke netwerken kunnen zich in dezelfde faciliteit bevinden of een halve wereld uit elkaar liggen.

Bedrade en draadloze communicatieschijf M2M-functies. Apparaten verzenden en verzamelen informatie om operationele beoordelingen en real-time aanpassingen mogelijk te maken. Zo kan een afvalwaterzuiveringsinstallatie gebruik maken van sensors op afstand in belangrijke stations om gegevens te verzamelen over vloeistofniveaus, chemische verhoudingen, temperaturen, debieten en andere parameters. Vervolgens gaat die data via een draadloos netwerk naar een platform voor intelligente besturing om te verzamelen. Waar het nuttig is om een menselijke operator toezicht te laten houden en te laten reageren op veranderende parameters, kan een human machine interface (HMI) met applicatiespecifieke software de systeemwaarden op een digitaal dashboard weergeven. In sommige gevallen ontvangen randapparaten signalen van andere machines via controllers op het M2M-netwerk. Dit maakt het mogelijk om dergelijke apparatuur te laten draaien in combinatie met een vooraf ingestelde, op regels gebaseerde programmering.

Figuur 1: De QuickCarrier USB-D cellulaire dongle ondersteunt M2M-installaties die betrouwbare gegevensverbindingen vereisen. Het levert ook een snelle installatie van cellulaire connectiviteit om fysieke dingen digitaal te communiceren. (Bron afbeelding: Multi-Tech Systems Inc.))

Verschil tussen M2M-netwerken en internet of things (IoT) connectiviteit

Het relatief nieuwe vermogen van geautomatiseerde ontwerpen om operaties op een hoger niveau te stimuleren en te reguleren is afhankelijk van zowel M2M- als IoT-technologieën. Lees het DigiKey artikel "Het verschil tussen ivd en M2M Communicatie en ontwerp" voor een diepgaande blik op de verschillen tussen deze systemen.

• M2M-technologieën blinken uit in het monitoren en controleren van individuele (tot op zekere hoogte geïsoleerde) functies. Dat gebeurt in toenemende mate via cellulaire communicatie die wordt gefaciliteerd door ingebedde apparaten. Veel M2M zijn gelokaliseerde installaties die gebruik maken van één of twee informatiebronnen: Zo kan een M2M-installatie op consumentenniveau bijvoorbeeld een thermostaat en een camera bevatten die continu gegevens doorsturen naar een draagbaar apparaat of een smartphone - mogelijk om een menselijke operator aan te zetten tot aanpassing. De enige datapunten zijn van die detectieapparatuur.
• Het IoT impliceert de volledige integratie van volledig gekoppelde installaties (meestal met machinebediening en terugkoppeling) ter ondersteuning van de samenwerking tussen geavanceerde systemen, informatiebronnen of onderdelen van sterk geautomatiseerde machines. Dus, dezelfde consumer-grade setup met thermostaat en camera communicatie naar een smartphone die IoT-functionaliteit integreert, zou gebruik maken van datapunten van die feedback apparaten (net als de M2M setup doet) en aanvullende gegevens van het internet op lokale weersverwachtingen, crowdsourced buurtgegevens, expert analyses, en machine-learning databases om de reactie van de menselijke operator of een of andere aangesloten vorm van automatisering te informeren.

In industriële omgevingen ondersteunt dergelijke IoT-functionaliteit ook voorspellend onderhoud en het gebruik van big data voor enterprise-level (zakelijke) functies. Gewoonlijk verzamelt een gecentraliseerd systeem gedeeltelijk of volledig gedistilleerde machineautomatisering en terugkoppeling van gegevens. Vervolgens genereert de systeemanalyse voorgeschreven parameters voor verdere bewaking, regeling of bijsturing. Een toenemend aantal faciliteiten maakt gebruik van grote gegevens (soms aangevuld met machinaal leren) om zowel normale als problematische operaties te beheren die onderhoud of andere acties vereisen. Moderne gasleidingen sturen bijvoorbeeld gegevens over afgelegen pompstations door naar centrale databanken voor toegang door personeel in een controlecommandocentrum - in sommige gevallen op een heel ander continent.

Types hardware ter ondersteuning van M2M-functies

Sensors, actuators en embedded logic zijn de belangrijkste typen M2M-ondersteunende hardware. Sensors en actuators worden meestal geleverd door de componentenfabrikant met ingebouwde M2M-connectiviteit. Ingebedde M2M-modules worden daarentegen meestal door de OEM in hun eigen apparaten geïntegreerd om specifieke taken en functies uit te voeren - meestal naar impartulaire en andere vormen van connectiviteit met apparaten die in het verleden mogelijk op zichzelf hebben gewerkt. Dergelijke ingebedde M2M-systemen zijn vooral nuttig in de transport- en ruimtevaartindustrie - met name voor GPS-navigatiesystemen, interlocks, en recorders en sensoren op activa zoals schepen, vliegtuigen en lange-afstandsvrachtwagens.

Figuur 2: Ingebedde systemen bevatten IC's voor het verzenden, ontvangen en verwerken van gegevens. Deze XBee Cellulaire LTE Cat 1 ingebedde modem is bedoeld voor OEM's om te integreren in hun gebouwen die cellulaire connectiviteit vereisen. (Bron afbeelding: Digi))

M2M-software: Het softwareplatform dat wordt gebruikt voor een M2M-installatie is afhankelijk van de mobiliteit van de machine, de omgeving en de hoeveelheid en het type gegevens die moeten worden verwerkt. Waar M2M-software gebruik maakt van cloudcomputing, draait het op hardware met communicatie naar een externe server. Deze laatste draait zijn eigen software om informatie te sturen naar beheerders die vervolgens die gegevens verwerken en er naar handelen. In sommige gevallen bevat de software ter ondersteuning van M2M-netwerken die voor een grafische gebruikersinterface (GUI). Dergelijke GUI's geven het menselijk personeel toegang tot gedistilleerde systeemgegevens die gewoonlijk worden gepresenteerd in grafische grafieken en video's in plaats van gecompliceerde en mogelijk verwarrende tekstinterfaces.

Waar M2M-netwerken nuttig zijn

Gerichte toepassingen voor diagnose en onderhoud: M2M-netwerken ondersteunen diagnose en onderhoud, machine-optimalisatie en toepassingsspecifieke besturingen. Omdat M2M-netwerken continu gegevens verzenden en ontvangen, zijn ze geschikt voor het optimaliseren van de geplande onderhoudsschema's van stand-alone apparatuur in productiefaciliteiten - en het signaleren van wanneer ongepland onderhoud nodig kan zijn. Hier kunnen de sensoren van een aangesloten machine gegevens verzenden via een softwarestack in de cloud en die gegevens samenvoegen naar een ander apparaat; en ten slotte informatie verstrekken over de apparatuur of het systeemonderhoud. Ongewone temperaturen kunnen bijvoorbeeld wijzen op de noodzaak om een as opnieuw te smeren of op mechanische slijtage die het vervangen van onderdelen noodzakelijk maakt.

Binnen de openbare en achter de schermen van luchthavens verzamelen M2M-netwerken informatie over de temperatuur, de trillingen en het niveau van de smeermiddelen voor de tandwielkasten van roltrappen, rolpaden en bagageafhandelingssystemen. M2M-netwerken maken ook gebruik van sensoren op drinkwaterkasten in luchthavens om de waterstroom, de temperatuur, de open of gesloten toestand van de kastdeuren en zelfs mogelijke waterlekken te controleren.

Grafische weergave van machinecondities: De eenvoudigste M2M-statusindicators op de machine hebben de vorm van indicatielampjes en digitale uitlezingen. Maar zoals gezegd, ondersteunen meer geavanceerde M2M-systemen GUI's om machinecondities aan mensen te communiceren in formaten die de gegevens gemakkelijk te begrijpen maken. In sommige gevallen bevinden dergelijke presentaties zich ook op de machine of het apparaat - als een klein display of zelfs als een volwaardige HMI. In andere gevallen bevindt het grafische display zich op een externe locatie.

Veranderen van de instellingen op afstand: Systeemfeedbackgegevens die door een M2M-netwerk worden verzameld, informeren vaak op afstand getriggerde workflows en toewijzing van middelen. Heroverweeg ons voorbeeld van een luchthaven: Hier kunnen gegevensanalyses van het M2M-netwerk het management ertoe aanzetten een technicus te sturen om storingen in de apparatuur aan te pakken voordat een schoonmaakploeg of reiziger het probleem opmerkt en rapporteert.

M2M fysieke netwerkverbindingen en -koppelingen

Zoals gezegd verloopt de M2M-communicatie via draadloze en bekabelde verbindingen. Bedrade permutaties voor de eenvoudigste apparaten zijn onder andere powerline communicatie (met gegevens over dezelfde geleiders die elektrische energie leveren) en seriële communicatie (één bit per keer in de industrie-standaard sequenties). Meer geavanceerde M2M-installaties kunnen gebruik maken van lokale netwerken (LAN's) of (voor gedistribueerde en schaalbare M2M-toepassingen) wide area networks (WAN's) om te communiceren en gegevens over grotere afstanden te verzenden. De ingebedde M2M-subcomponenten die eerder zijn uitgelegd, maken verbinding via WAN's en LAN's en kunnen communiceren als intersysteem of intrasysteem-elementen.

De communicatie tussen de systemen verloopt via CAN (Controller Area Network) en SPI (Seriële Perifere Interface) protocollen om te communiceren tussen de apparaten. In tegenstelling hiermee maakt intrasysteemcommunicatie vaak gebruik van een universele seriële bus (USB) of universeel-synchrone/asynchrone ontvanger/zender (USART) microchip voor communicatie via de seriële poort van een computer om datastroom tussen de chips binnen een apparaat mogelijk te maken.

Natuurlijk neemt de communicatie tussen machines en apparaten andere vormen aan. Point-to-point communicatie (in tegenstelling tot omroepcommunicatie) ondersteunt vaak M2M-functies binnen apparatuur. Ook ondersteunende M2M-aansluitingen zijn remote terminal units (RTU's) die gewoonlijk worden verkocht als elektronische microprocessormodules voor het bewaken en controleren van veldapparatuur voor supervisiecontrole en data-acquisitie (SCADA) functionaliteit. Dit zijn go-betweens aan:

• Gegevens in telemetrieformaat (verzameld van veldapparatuur) doorsturen naar een centraal systeem en vervolgens
• Uitvoerreactiecommando's terug naar veldapparaten.

Draadloze M2M-communicatieformaten: M2M-configuraties voor draadloze communicatie zijn er in overvloed - met behulp van Bluetooth-, Wi-Fi- en GSM-technologieën en GSM-, CMDA- en LTE-cellulaire netwerken. Draadloze netwerken zorgen voor compactheid en gemak, en stijgende infrastructuurstandaarden zoals LTE/5G zorgen voor nog meer gebruik van cellulaire communicatie voor M2M-functionaliteit.

Toepassingslaagprotocollen gebruikt voor M2M-functies

M2M-communicatie vindt voornamelijk plaats op de applicatielaag van industriële netwerken - de bovenste laag van het interfacingsysteem en de gebruikers - waardoor communicatie tussen apparaten en besturingen mogelijk is. Applicatieprogramma-interfaces (API's) zijn er in overvloed om de programmering van deze software en webservices te vereenvoudigen.

Figuur 3: Conceptuele modellen van netwerken in overvloed; hier worden verschillende netwerkprotocollen getoond die zijn georganiseerd volgens de taxonomie van het meest bekende model - de Open Systems Interconnection (OSI) standaard die in 1984 is vastgesteld. (Bron afbeelding: Design World))

Een van de protocollen die regelmatig worden gebruikt voor M2M-functies is het hypertekstoverdrachtprotocol op applicatieniveau (HTTP) dat de berichtstructuren tussen webbrowsers en servers definieert. HTTP wordt meestal geassocieerd met de hyperlink en andere structurering die het aan het World Wide Web geeft. De functie in M2M-applicaties is vergelijkbaar, omdat browsers fungeren als clients die informatie opvragen bij servers die de applicatie leveren.

Berichtenwachtrijtransport (MQTT) wordt ook gebruikt voor M2M-connectiviteit; het is een TCP/IP-gebaseerd berichtenprotocol voor lichtgewicht M2M-communicatie. In sommige opstellingen wisselen verschillende clients informatie uit brokered via MQTT. Dergelijke makelaarsfuncties worden uitgevoerd door een ontvanger, een gateway of een server. De makelaar accepteert berichten die klanten aan haar publiceren; in ruil daarvoor kunnen klanten berichten ontvangen waarop ze geabonneerd zijn.

Een ander protocol dat wordt gebruikt voor M2M-functies is het open OPC Unified Architecture (OPC UA) protocol voor industriële automatisering. Nog een andere open-standaard optie is het advanced message queuing protocol (AMQP) voor het doorgeven van berichten tussen applicaties. Het is de standaard die wordt gebruikt voor zakelijke berichtenverkeer in veel bedrijfsapplicaties. MTConnect (gedefinieerd door ANSI/MTC1.4-2018) is daarentegen een productiestandaard die specificeert hoe besturingsgegevens moeten worden uitgewisseld tussen fabrieksapparatuur en -toepassingen. Fabrieksapparatuur kan zowel apparatuur als gereedschap en sensoren zijn. MTConnect standaardiseert gegevens die worden geëxtraheerd op een XML-formaat met gestandaardiseerde componentbeschrijvingen.

Hoewel het buiten het bestek van dit artikel valt en niet netjes in het historische OSI-netwerkmodel is Amazon Web Services (AWS) IoT Core een managed cloud-dienst in opkomst voor M2M- en ivd-toepassingen. Het ondersteunt HTTP en MQTT en biedt een veilige verwerking en routering van triljoenen berichten tussen miljarden veldapparaten en AWS-eindpunten.

De volgende grens voor M2M-communicatie en -controle

M2M-netwerken zullen zich blijven uitbreiden naarmate ondernemingen de voordelen van gegevenstoegang benutten. In feite evolueren M2M-ready hardware, software en netwerkcommunicatie om ongekende mogelijkheden te bieden aan de industriële en andere industrieën. Deze M2M-netwerken zullen dus een krachtig middel blijven om gegevens te verzenden, te ontvangen en te communiceren; in sommige gevallen zullen ze ook de ivd-installaties aanvullen of aansporen.