Systemy bezprzewodowe

Nowe narzędzia i strategie zmieniają sposób monitoringu zakładów

Clinton Utilities Board (amerykański lokalny dostawca energii) musiał nadzorować pracę urządzeń w dwóch podstacjach narażonych na przerwy w dostawach prądu w górach Cumberland na wschodzie stanu Tennessee. Główną przeszkodę przy opracowywaniu rozwiązania stanowiło ukształtowanie terenu oraz duże odległości, jakie trzeba pokonać, aby dotrzeć do obiektów. Na szczęście dzięki zastosowaniu technologii bezprzewodowej, monitoringiem można było objąć także odległe podstacje. Dostęp do danych drogą bezprzewodową ułatwił pracę organizacji, na czym skorzystało 29 000 odbiorców energii. Firma zyskała bardziej elastyczną metodę monitorowania podstacji oraz pewność, że dane transferowane są w sposób bezpieczny. Zdalne monitorowanie i nadzorowanie urządzeń znacznie zaoszczędziło czas pracy, jaki wcześniej musieli poświęcić pracownicy, by w ogóle dotrzeć do obiektów.

  Urządzenia bezprzewodowe rewolucjonizujące sposoby monitorowania zakładów przemysłowych to między innymi układy do precyzyjnych pomiarów ciśnienia, temperatury i ultradźwięków. Dzięki tego rodzaju urządzeniom z wbudowanym wejściem analogowym, okablowane elementy wyposażenia zakładu stają się częścią sieci bezprzewodowej

Technika bezprzewodowa zyskała spore zainteresowanie w przemyśle, niektórzy określają ją nawet mianem rewolucyjnej. Czy jednak rzeczywiście jest to technika nowa?

– Technologię opartą na zdalnym sterowaniu stosuje się w przemyśle od kilku dziesięcioleci, czego przykładem są nadajniki radiowe w aplikacjach wymagających przesyłania danych na dużych odległościach, jak rurociągi naftowe i gazowe, stacje pomp czy oddalone od siebie obiekty przemysłowe – mówi dr Gene Yon, prezes Accutech, oddziału firmy Adaptive Instruments Corp.

Współczesną technikę bezprzewodową wyróżnia jednak kilka czynników: miniaturyzacja czujników, rosnąca wydajność i stopień zaawansowania mikroprocesorów i układów elektronicznych, ogromne wymagania przemysłu dotyczące pomiaru i nadzoru procesów, wobec których zastosowanie tradycyjnych kabli okazuje się niepraktyczne i nieopłacalne, a także spodziewana publikacja odpowiednich standardów. Wprawdzie podstawowe zasady ustalono już dawno, jednak technologia bezprzewodowa wprowadza rewolucyjne zmiany w pracy zakładów przemysłowych – szczególnie w takich dziedzinach, jak sieci bezprzewodowe oraz bezprzewodowe sieci czujników.

Sieci bezprzewodowe są stosowane głównie tam, gdzie należy wyeliminować okablowanie z sieci LAN łączących się z systemami ethernetowymi. Z kolei bezprzewodowe sieci czujników „łączą” czujniki bezprzewodowe z urządzeniami kierującymi dane pomiarowe do pozostałej części systemu.

Sieć bezprzewodowa

Jak wyjaśnia Eremy Bryant, specjalista ds. automatyzacji w Siemens Energy & Automation, sieć bezprzewodowa składa się z punktów dostępu, modułów klienta, elementów zasilania, anten oraz dodatkowego osprzętu.

– Punkt dostępu służy do konfigurowania infrastruktury sieci bezprzewodowej oraz do łączenia z siecią przewodową (Ethernetem) – tłumaczy Bryant. – W przemyśle punkty dostępu stosowane są w rozwiązaniach typu backbone i WDS (Wireless Distribution System) połączonych z systemami przewodowymi. Moduł klienta służy z kolei do podłączenia węzła (w standardzie Ethernet) do przemysłowej bezprzewodowej sieci LAN. Zasilanie – standardowo prądem stałym 24 V – dostarcza napięcie do punktów dostępu i modułów klienta.

W sieci stosuje się zarówno anteny kierunkowe, jak i dookólne. Osprzęt dodatkowy to m.in. ochronniki przepięciowe, sztuczne obciążenia i przedłużacze antenowe.

Sieciowe platformy czujników bezprzewodowych zwiększą efektywność konwencjonalnego oprzyrządowania, ale go nie zastąpią.

Dr Gene Yon, prezes Accutech

Bezprzewodowa sieć czujników

Czujniki bezprzewodowe wysyłają sygnały do urządzeń odbiorczych, które przekazują je do dalszej części systemu pomiarowego lub sterującego. Bezprzewodowa sieć czujników składa się z komunikujących się ze sobą węzłów (czujników). Mogą one być skonfigurowane jako układ oczkowy (mesh), gwiaździsty lub kombinacja obu tych typologii.

Czujniki bezprzewodowe można podłączać do sieci zarówno przewodowej, jak i bezprzewodowej. Topologie oczkowe sprowadzają sieć do poziomu czujników. Sieć oczkowa różni się od typowej sieci LAN czy Ethernetu, charakteryzuje się zdolnością do samodzielnej konfiguracji i dzięki nadmiarowości zachowuje sprawność nawet w razie awarii kilku składników.

Aplikacje bezprzewodowe

W sieciach energetycznych wykorzystuje się bezprzewodowe sieci oczkowe do badania stanu akumulatorów. Firmy stosują technologię bezprzewodową do zarządzania energią. Czujniki bezprzewodowe umożliwiają zdalne odłączanie zasilania, przygaszanie świateł, kontrolę środowiskową, przydają się także w innych działaniach ograniczających zużycie energii.

Układy bezprzewodowe nie zdołały w pełni zapanować w dziedzinie sterowania w pętli zamkniętej. Mimo że czujniki bezprzewodowe spotyka się w aplikacjach o wolno zmieniających się parametrach, takich jak temperatura lub poziom, stosuje się je raczej w pętlach sterowania i monitoringu o niekrytycznym znaczeniu.

– Ciągły monitoring czujników przepływu wymaga z reguły zastosowania sieci przewodowej – uważa Gary Ambrosino, dyrektor generalny firmy Sensicast Systems. – Bezprzewodowe sieci oczkowe nie są w tym przypadku dobrym rozwiązaniem. Istnieją inne wydajne aplikacje do pobierania danych.

Technologia bezprzewodowa sprawdza się w monitoringu długookresowym, krótkoterminowym gromadzenia danych, jak również do oceny skuteczności przyjętych strategii sterowania procesem. Do tego rodzaju zadań można zaliczyć monitoring odwadniaczy, zaworów upustowych, elementów obrotowych, poziomu zbiorników, natrysków przeciwpożarowych, włączników/wyłączników zaworów, czujników przepływu i korozji. Systemy bezprzewodowe wykorzystuje się również do wykrywania wycieków gazu w rurociągach, rafineriach i zakładach petrochemicznych.

Pewna firma zaprojektowała bezprzewodowy system czujników, służący do monitorowania ciśnienia w butlach z gazem, zespołach butli, kolektorach dolotowych i zbiornikach transportowych. W tego rodzaju aplikacji czujniki bezprzewodowe oferują sporo korzyści pod względem opłacalności, prostoty instalacji, elastyczności i skalowalności. Autorzy projektu mają w swojej ofercie również oprogramowanie przewidujące wielkość zużycia gazu w określonym przedziale czasu. Dzięki temu klienci mogą oszczędniej zarządzać zużyciem gazu.

Korzyści

Na decyzję o wprowadzeniu techniki bezprzewodowej wpływ ma przede wszystkim aspekt finansowy. Systemy bezprzewodowe znacznie obniżają czas potrzebny na wykonanie instalacji, a także koszty materiałów i robocizny.

Innym ważnym powodem jest zasięg. – W przypadku sieci przewodowych mierzy się zaledwie 20% tego, co rzeczywiście powinno być mierzone w procesie – mówi dr Gene Yon. – Innymi słowy, instalacje przewodowe dostarczają tylko 20% informacji niezbędnych do sprawnego i optymalnego kontrolowania procesów. Przemysłowa bezprzewodowa sieć czujników może dostarczyć pozostałe 80% danych, charakteryzując się jednocześnie niskimi kosztami, łatwą instalacją i niewielkimi wymaganiami pod względem konserwacji. Sieciowe platformy czujników bezprzewodowych zwiększą efektywność konwencjonalnego oprzyrządowania, ale go nie zastąpią.

Gary Ambrosino ocenia ilość informacji, których nie są w stanie zgromadzić systemy przewodowe, na wartość bliższą 90%. – Systemy przewodowe są zbyt drogie, a już zupełnie nieopłacalne byłoby ręczne monitorowanie procesów.

Niezależnie od oceny procentowego udziału danych pomijanych przez sieci przewodowe, na rynku przemysłowych rozwiązań bezprzewodowych zauważa się znaczne ożywienie. Perspektywy ograniczenia całkowitego kosztu posiadania, swoistej samodzielności systemu oraz szybszych i prostszych instalacji sprawiają, że technika ta zmienia oblicze przemysłu.

– Zasadniczo sieć bezprzewodowa oferuje te same korzyści biznesowe co sieć przewodowa: łączy punkt A z punktem B, umożliwiając jednoczesne współdzielenie informacji przez wiele aplikacji – wyjaśnia Hesh Kagan, dyrektor marketingu technologii w Invesys Process Systems. Niskie koszty czujników bezprzewodowych oraz brak kosztów związanych z przeprowadzeniem łączy powodują, że połączenie większej liczby czujników opłaca się bardziej niż w przypadku sieci przewodowej. Sieć bezprzewodowa umożliwia również bardziej szczegółowe pomiary zmiennych procesowych, także tych, których nie można badać, bazując wyłącznie na tradycyjnych technikach. Wyeliminowanie okablowania pozwala na podłączenie czujników w dowolnym miejscu i pozyskiwanie danych w czasie rzeczywistym.

– Korzyści płynące z rozwijającej się technologii bezprzewodowej to nie tylko redukcja kosztów instalacji i okablowania – mówi Jack Bolick, prezes Honeywell Process Solution, jednej z firm rozszerzających ofertę urządzeń bezprzewodowych. – Nowe osiągnięcia ułatwią operatorom gromadzenie danych, zwiększą żywotność maszyn i urządzeń, zapewniając ciągły monitoring, a także poprawią bezpieczeństwo pracowników.

Obawy

Bezpieczeństwo to jeden z najważniejszych aspektów, który budzi obawy użytkowników techniki bezprzewodowej w aplikacjach przemysłowych. Niepokoje rodzą także kwestie niezawodności i żywotności baterii.

Bezpieczeństwo

Dr Gene Yon wyróżnia trzy główne zagadnienia dotyczące bezpieczeństwa: blokowanie, nadawanie fałszywych informacji i hacking. Blokowanie polega na zakłócaniu lub zapobieganiu przepływowi danych. Drugie zagrożenie pojawia się wtedy, gdy ktoś celowo wysyła nieprawdziwe informacje zamiast właściwych, natomiast istotą trzeciego jest nielegalne wchodzenie do cudzych zabezpieczonych systemów.

Aby zredukować lub wyeliminować wymienione zagrożenia, Yon proponuje następujące działania:

• stosowanie protokołów opartych na metodzie FHSS (Frequency oping Spread Spectrum), umożliwiającej zabezpieczenie nadawanych komunikatów,
• stosowanie deterministycznego protokołu komunikacyjnego,
• zapewnienie dodatkowych procedur bezpieczeństwa, kontroli błędów i kodowania,
• ograniczenie stosowania adresu IP do niezbędnego minimum,
• redukcja emitancji węzła do minimalnych wartości, przy jakich można utrzymać transmisję; węzłów, których nie „słychać”, nie można również „zagłuszyć”.

Niezawodność

– Przede wszystkim musimy sprawdzić, czy wszystkie urządzenia wchodzące w skład bezprzewodowej sieci czujników mają odpowiednie certyfikaty – tłumaczy Yon. – Drugim krokiem jest zbadanie wydajności sieci w zakładzie. Należy zidentyfikować źródło sygnałów zakłócających oraz zapewnić odpowiednią moc sygnału do przesyłania danych.

Rezygnacja z takiego badania to, zdaniem Eremy’ego Bryanta, jeden z głównych błędów, jakie popełniają inżynierowie przy wdrażaniu technologii. Badanie zakładu pod kątem przenikalności fal radiowych obszarów pokrycia czy występowania martwych stref wiąże się z wymogami, jakie określa się w stosunku do systemu bezprzewodowego. Skrupulatne podejście to tych działań pozwoli w przyszłości wyeliminować większość problemów dotyczących niezawodności.

Czas pracy baterii

Perspektywa krótkiej żywotności baterii w dziesiątkach bezprzewodowych czujników i spodziewane w związku z tym żmudne wymienianie baterii to oczywiste bariery w upowszechnianiu technologii czujników bezprzewodowych. Na szczęście obserwuje się postępy w tej dziedzinie.

– Jeżeli chcemy, aby baterie długo nam służyły, nie możemy marnować ich na nieprzemyślane transmisje – twierdzi Ambrosino. – Cała sztuka polega na tym, by urządzenie radiowe włączać tylko wtedy, gdy trzeba koniecznie nadać komunikat.

Postępy w rozwoju baterii i konfiguracji topologii sieci, znacznie wydłużyły czas pracy baterii. Niektórzy producenci zapewniają, że oferowane przez nich czujniki bezprzewodowe będą działać na tych samych bateriach nawet przez pięć lat.

Tabela 1. – Klasyfikacja urządzeń bezprzewodowych ze względu na zastosowanie, opracowana przez komitet ISA SP100

Standardy

Opracowaniem standardów przemysłowych rozwiązań bezprzewodowych zajmują się organizacje ISA (Instrumentation, Systems and Automation Society) oraz HART Communication Foundation. Problem polega częściowo na tym, że różne typy urządzeń bezprzewodowych muszą pracować na tym samym paśmie częstotliwości radiowych. Zupełnie inaczej dzieje się w sieciach przewodowych, gdzie grupy urządzeń objęte odrębnymi standardami pracują niezależnie. Dzięki temu odmienne technologie mogą funkcjonować za pośrednictwem kabli poprowadzonych tym samym korytkiem bez jakichkolwiek zakłóceń.

Komitet ISA SP100 ds. systemów bezprzewodowych w automatyce przemysłowej powołano w 2005 r. Jego celem było opracowanie standardów, zaleceń, raportów technicznych i innych informacji służących określeniu procedur wdrożenia systemów bezprzewodowych w środowisku automatyki i układów sterowania. Komitet SP100 zdefiniował sześć klas zastosowań w zakładowych sieciach przemysłowych (patrz: tabela). Powołano dwie grupy robocze odpowiedzialne za szczegółowe rozwiązania.

Grupa SP100.14 opracowuje standardy komunikacji bezprzewodowej ukierunkowane na szczególne potrzeby związane z wydajnością i opłacalnością w takich dziedzinach, jak monitoring przemysłowy i aplikacje rejestrujące i alarmujące. Z kolei grupa SP100.11 zajmuje się standardami komunikacji bezprzewodowej w odniesieniu (ale nie wyłącznie) do aplikacji sterowania, charakteryzującymi się specyficznymi wymogami wydajności, jak sterowanie w pętli zamkniętej czy ręczna regulacja w pętli otwartej.

Druga z wymienionych organizacji, HART Communication Foundation, również zajmuje się działalnością standaryzacyjną, a urządzenia HART stanowią duży odsetek działających obecnie systemów. Grupa robocza HART ma na celu usprawnienie komunikacji bezprzewodowej pod kątem funkcji diagnostycznych i inteligencji pracujących już urządzeń HART. Projekt standardu grupy roboczej HART ds. systemów bezprzewodowych ma zostać przyjęty w połowie 2008 r. Aby zapewnić ciągłość i jednolitość standardów systemów bezprzewodowych, grupa ta koordynuje działania z grupą ISA SP100.

Radiowy nadajnik-odbiornik standardu Ethernet, jak ten prezentowany na fotografii, może pracować w trybie punktu dostępu, klienta i mostu

Architektura

Sieci czujników bezprzewodowych można konfigurować w topologii oczkowej, o połączeniach dwupunktowych, gwiaździstej oraz jako kombinację sieci oczkowej i gwiaździstej (gwiazda redundantna). Konfiguracje te często stosuje się łącznie. Dobór optymalnego rozwiązania jest oczywiście przedmiotem licznych debat, ale – jak to bywa w większości technik – wybór architektury zależy od konkretnej aplikacji.

Każdy z bezprzewodowych czujników w sieci oczkowej działa jak wtórnik (repeater) lub router – wysyła i odbiera dane z innych czujników lub bramy.

Sieci oczkowe mają zdolność autokonfiguracji, tzn. automatycznie określają najkrótszą drogę pomiędzy bramą a czujnikiem. W przypadku zablokowania ścieżki sygnału lub niezadziałania wtórnika, sygnał jest automatycznie prowadzony drogą, która omija uszkodzony lub zblokowany wtórnik.

– W prawdziwej sieci oczkowej dane przesyłane są przez wiele punktów sieci, także przez te niepowiązane bezpośrednio z czujnikiem, z którego pochodzą dane – mówi Ambrosino. – Tego rodzaju sieć charakteryzuje się pewnymi wadami, związanymi z istnieniem wąskich gardeł, ograniczoną skalowalnością i żywotnością baterii.

– Istnieje pewien rodzaj sieci oczkowej, którą określiłbym mianem gwiazdy. W jej przypadku czujniki przekazują dane wtórnikom w sieci oczkowej – wyjaśnia Ambrosino. – Czujniki przekazują dane z węzłów do wtórników, które z kolei organizują się w strukturę oczkową przekazującą dane dalej. Jest to rozwiązanie o wiele bardziej efektywne, charakteryzujące się większą skalowalnością i wydajnością.

– Jeszcze ciekawszą topologię przedstawia układ reduntantnej gwiazdy – kontynuuje Ambrosino. – Istotą jej działania jest redundantność wtórników, polegająca na tym, że wtórniki mogą przeorganizować strukturę oczkową i komunikację z węzłami (czujnikami) w przypadku, gdy nie zadziała któryś z wtórników.

Praktyczne oczekiwania

Zastosowanie bezprzewodowych czujników, sieci oczkowych, gwiaździstych lub ich kombinacji zapewnia zakładom przemysłowym liczne korzyści. Nie należy jednak sądzić, że rozwiązania bezprzewodowe sprawdzają się we wszystkich zastosowaniach.

– Nieprzemyślane aplikacje zniechęcają użytkowników i uniemożliwiają pełne wykorzystanie zalet bezprzewodowych sieci czujników – twierdzi dr Gene Yon. – Sieci te nie zastąpią tradycyjnych rozwiązań wykorzystujących okablowanie, poszerzają natomiast możliwości kontrolowania procesów poprzez instalacje zarówno przewodowe, jak i bezprzewodowe.

Użytkownikom sieci Yon zaleca jednak przede wszystkim „poszukiwanie najlepszych rozwiązań przemysłowych w celu określenia wymagań aplikacji i oczekiwanej wydajności sieci, nie zaś analizowanie podstaw technik komunikacyjnych.”

Czujniki bezprzewodowe mają zapewnić wgląd w procesy przemysłowe. Powinny być proste w instalacji i konserwacji, aby inżynierowie nie tracili czasu na projektowanie, konfi gurowanie, programowanie i integrację systemów bezprzewodowych. O wiele ważniejszym zadaniem inżynierów jest przecież optymalne wykorzystanie gromadzonych danych, a nie obmyślanie sposobów ich przesyłania.

UR

Artykuł pod redakcją

Michała Andrzejczaka i Michała Piłata 

Autor:

Jack Smith, redaktor Plant Engineering, USA