Sieci Ethernet ze wsparciem technologii Bluetooth to nowa strategia organizacji systemów automatyki przemysłowej. Okazuje się, że ta sama technologia, która daje swobodę rąk przy obsłudze telefonów komórkowych, może zmienić metodologię projektowania i implementacji systemów sieciowych w aplikacjach przemysłowych.
Łączność bezprzewodowa zmieniła już bezpowrotnie sposób komunikacji międzyludzkiej w biznesie i życiu codziennym. Podobna sytuacja ma obecnie miejsce w sferze organizacji i implementacji sieciowych systemów automatyki w przemyśle. Tu jednak, ze względu na szczególne uwarunkowania środowiskowe, wdrażanie takich technologii postępuje dość wolno i najczęściej dotyczy aplikacji, gdzie technologia bezprzewodowa jest niezbędna, czyli np. instalacji urządzeń w miejscach trudno dostępnych lub w strefach zagrożenia, komunikacji między siecią automatyki a urządzeniami będącymi w ruchu (roboty, pojazdy, podnośniki) lub obracającymi się (bębny mieszające itp.). Drugim czynnikiem decydującym o takim właśnie obszarze zastosowań technologii bezprzewodowych są koszty instalacji. Jeżeli dokładnie przeanalizuje się piramidę struktury i hierarchii sieciowej, jaka obowiązuje dla zakładów przemysłowych (rys. 1), widać wyraźnie, że największe oszczędności przynosi zastosowanie komunikacji bezprzewodowej do obsługi bezpośredniej urządzeń – wykonawczych i czujników. I choć na co dzień spotkać można również komunikację bezprzewodową na wyższych poziomach hierarchii sieciowej – systemy zbierania danych, lokalna sieć firmowa czy system SCADA, to jednak liczba punktów dostępowych niezbędnych do obsługi urządzeń peryferyjnych jest znacznie większa, średnio pięciokrotnie, co jest dla nowej technologii szczególnym wyzwaniem.
Zastosowanie komunikacji bezprzewodowej właśnie na niskich poziomach piramidy hierarchii sieciowej ułatwia również pracę operatorów i serwisantów pracujących bezpośrednio na linii produkcyjnej, umożliwiając im korzystanie z przenośnych paneli sterujących i monitorujących oraz zdalne prowadzenie niezbędnych pomiarów. Jeżeli do tego dołożyć elastyczność i swobodę projektowania systemu sieciowego, możliwość uniknięcia wchodzenia operatorów do stref niebezpiecznych oraz fakt, że kable i przewody często ulegają przerwaniu lub uszkodzeniu przy pracy w trudnym środowisku lub przy częściach ruchomych, technologia bezprzewodowa wydaje się narzędziem wręcz niezbędnym do obsługi szczególnie wymagających aplikacji w przemyśle. Ponieważ każdy z nas na co dzień coraz częściej i już niemal intuicyjnie używa łączności bezprzewodowej, siłą rzeczy przyzwyczaja się do niej i związanych z nią ułatwień. W efekcie użytkownik systemów przemysłowych zaczyna oczekiwać podobnych ułatwień i funkcjonalności w aplikacjach obsługiwanych na co dzień w pracy. Jak wspomniano wcześniej, z pewnych względów technicznych i finansowych technologie bezprzewodowe wkraczały i wkraczają na rynek sieciowych systemów przemysłowych dość wolno, jednak coraz więcej firm branży automatyki wprowadza je do swoich rozwiązań systemowych, tworząc tzw. bezprzewodowe standardy przemysłowe, które systematycznie są wdrażane w coraz większej liczbie rzeczywiście funkcjonujących systemów automatyki i monitoringu.
Bezprzewodowe sieci przemysłowe
Najczęściej aplikacje bezprzewodowe w przemyśle bazują na standardzie Ethernetu 802.11x (0, 1, b, g). Jest on powszechnie używany w biurach i sferze publicznej, w związku z czym użytkownicy są już zaznajomieni z takimi pojęciami, jak switche, routery czy numery IP. Moduły te są tanie i łatwe w instalacji i integracji. Paradoksalnie jednak te właśnie cechy, decydujące o przyjazności standardu Ethernet w bezprzewodowych sieciach publicznych, ograniczają możliwości jego zastosowania w aplikacjach przemysłowych, szczególnie w bardzo wymagających środowiskach czy przy obsłudze komunikacji urządzeń wykonawczych i czujników. Instalacja popularnych modułów sieciowych w aplikacjach przemysłowych uniemożliwia bowiem zachowanie wymaganego poziomu bezpieczeństwa danych i pewności komunikacji, szczególnie wziąwszy pod uwagę różnorodność typów sygnałów i pól elektromagnetycznych w halach przemysłowych, a ponadto wiele urządzeń przemysłowych ma interfejsy komunikacyjne ze standardami niekompatybilnymi z Ethernetem. Standard Ethernet jest pierwotnie dedykowany do transmisji dużych pakietów danych typowych dla sieci teleinformatycznych (przy bezpośredniej obsłudze urządzeń przemysłowych informacje są bardzo krótkie i wymagana jest ich bardzo szybka wymiana) z możliwymi dość znacznymi opóźnieniami, wynikającymi z routingu bazującego na obciążalności łączy.
Pomimo tych niedogodności wiele firm decyduje się na wprowadzenie systemów sieciowych bazujących na standardzie Ethernet w aplikacjach przemysłowych, szczególnie wziąwszy pod uwagę fakt rosnącej jego popularności oraz opracowania nowych protokołów komunikacyjnych dla sieci przemysłowych, opartych na tym właśnie standardzie. Jednym z popularniejszych jest tu protokół WirelessHART (IEEE 802.15.4), którego moduły przyłączeniowe do sieci nadrzędnych innych standardów opracowano przy współpracy z organizacją Profibus International. Inny znany standard komunikacji bezprzewodowej dedykowany do aplikacji przemysłowych to Zigbee 2,4 GHz, stosunkowo tani i charakteryzujący się wysoką odpornością na zaburzenia zewnętrzne. Korzysta on z topologii siatkowej, z funkcją samokalibracji i optymalizacji połączeń, co znacznie ułatwia implementację i organizację sieci. Standard ten tworzony był z myślą o przesyłaniu małych pakietów danych, ze zredukowanym do niezbędnego minimum nagłówkiem wiadomości tak, by uniknąć opóźnień i nadmiernej zajętości pasma transmisyjnego. Ze względu na bardzo mały pobór energii standard ten jest zalecany do obsługi modułów zdalnej komunikacji, szczególnie zasilanych bateryjnie, dlatego też szczególną popularnością cieszy się w aplikacjach pomiarowych i monitorujących. Jednak wciąż jest zbyt wcześnie, by stwierdzić, czy osiągnie on na tyle silną pozycję w branży automatyki przemysłowej, by stać się powszechnie akceptowanym standardem.
Z kolei firma ABB zdecydowała się na promocję własnego standardu komunikacji bezprzewodowej WISA (Wireless Interface to Sensors and Actuators) do obsługi czujników i elementów wykonawczych, którego pomysłodawcy pragną rozwiązać zarówno kwestię poprawnej komunikacji, jak i bezprzewodowego zasilania. W standardzie tym zaimplementowano zminimalizowaną konstrukcję ramki wiadomości oraz technologię skakania sygnału użytkowego po częstotliwościach nośnych z określonego pasma w celu zwiększenia bezpieczeństwa transmitowanych danych. Po testowych instalacjach tego systemu wzbudził on sporo kontrowersji, ze względu na konieczność stosowania znacznych rozmiarów anten i nie do końca sprawdzoną technikę transmisji sygnałów zasilających, które decydują o małej przydatności praktycznej.
Popularną i szybko zaakceptowaną przez użytkowników technologią jest Bluetooth – standard komunikacji radiowej w paśmie 2,4 GHz na niewielkich odległościach, stosowany w urządzeniach mobilnych i komputerach. Ma on kilka szczególnych cech, takich jak zdolność szybkiej identyfikacji i łączenia różnych urządzeń uprzednio autoryzowanych, które pojawią się w jego zasięgu, przy jednoczesnym unikaniu połączeń nieautoryzowanych – podobnie do standardu ODVA. Narzędzia bezpieczeństwa komunikacji zaimplementowano już na poziomie mikrokontrolerów i układów elektronicznych, co eliminuje dodatkowe elementy bezpieczeństwa, charakterystyczne dla sieci IT. W standardzie Bluetooth wbudowano również schemat unikania interferencji sygnałów nośnych, bazujący na skanowaniu i wykorzystaniu aż 64 różnych częstotliwości. Tego typu rozwiązania okazują się szczególnie przydatne w aplikacjach przemysłowych, przy bezpośredniej obsłudze urządzeń na liniach produkcyjnych i przetwórczych, w wymagającym, trudnym środowisku. Bardzo niskie koszty implementacji i integracji modułów komunikacyjnych Bluetooth oraz ich standardowe występowanie w urządzeniach przenośnych – komputery, moduły PDA, telefony komórkowe itp., technologia ta może być dość łatwo zaaplikowana do obsługi mobilnych stacji operatorskich i monitujących, a w efekcie końcowym wygrać rywalizację o prymat w obsłudze urządzeń wykonawczych i czujników w aplikacjach przemysłowych.
Mając na uwadze przedstawione wcześniej argumenty i właściwości technologii Bluetooth, wiele organizacji i firm branży automatyki zaczyna postrzegać ją jako idealne rozwiązanie dla bezprzewodowych połączeń modułów końcowych, rozszerzających funkcjonalność ethernetowych sieci przemysłowych. Działania zmierzające do standaryzacji technologii Bluetooth jako technologii komunikacji bezprzewodowej dla przemysłu podjęła już na przykład organizacja Profibus International, jako uzupełnienie technologii IO-LINK, do łączenia urządzeń peryferyjnych z modułami we/wy. Ponadto rozwijana jest dodatkowa wersja protokołu Bluetooth – niskoenergetyczna, dedykowana w zamyśle do współpracy z niewielkimi urządzeniami, o niskim poborze energii, zasilanymi zwykle z maleńkich baterii lub nawet prostych, małych ogniw fotowoltaicznych. Wydaje się, że w przyszłości to właśnie ta odmiana protokołu zapisze nowy rozdział w rozwoju technologii lokalnej komunikacji bezprzewodowej, wychodząc nawet poza zastosowania przemysłowe.
Kluczowi producenci modułów komunikacji bezprzewodowej w coraz większym stopniu dążą do integracji i wzajemnej współpracy technologii bazujących na standardzie WiFi – 802.11x oraz Bluetooth. Niemal wszystkie współczesne komputery i telefony komórkowe oraz panele przenośne wyposażone są właśnie w taki podwójny interfejs bezprzewodowy, z odpowiednio dobraną anteną. Sprzyja to łatwemu i szybkiemu wdrożeniu mobilnych stacji kontroli i sterowania, przy niewielkich kosztach.
Inwestycje w nowe technologie – rozwój komunikacji bezprzewodowej
Technologia Bluetooth, jako popularny standard komunikacji, ma szerokie wsparcie w branży telekomunikacyjnej i teleinformatycznej. Postęp w jego rozwoju i funkcjonalności dość łatwo przenieść na rynek branży przemysłowej. Przykładem mogą tu być działania podejmowane m.in. przez firmę Molex, która zainwestowała w ostatnim czasie w badania i rozwój technologii komunikacji radiowej, uruchamiając wraz z firmą Motorola centrum badawcze w Aalborg w Danii. Firma Molex produkuje rocznie ponad 100 mln anten, a wśród jej klientów znajduje się wielu znaczących producentów telefonów komórkowych. Jednym z kluczowych osiągnięć tego centrum badawczo-rozwojowego jest technologia produkcji anten LDS (Laser Direct Structuring). Polega ona na budowaniu anten na podłożu – mieszance żywicznej, podatnej na działanie promieni laserowych, pod wpływem których możliwe jest wytrawienie w nim ścieżek przewodzących. Taka struktura niesie ze sobą liczne korzyści. Jest niedroga, szczególnie w perspektywie produkcji masowej, a ponadto nie wymaga rezerwacji dodatkowej przestrzeni w urządzeniu, ponieważ antena taka może być wytrawiona np. na jego obudowie. Dodatkowo wytrawiana struktura anteny ma charakter trójwymiarowy, co oznacza, że zbudowanie wymaganej konstrukcji połączeń przewodzących tworzących antenę możliwe jest na stosunkowo niewielkiej przestrzeni, co zwiększa efektywność ich produkcji. Tradycyjne metody produkcji anten, bazujące na trawieniu ścieżek przewodzących bezpośrednio na powierzchni płytek elektronicznych lub ceramicznych, okazują się mniej skuteczne – zajmują więcej miejsca, wymagają odpowiedniej powierzchni płytki oraz mają naturę dwuwymiarową. Zleca się je do montażu w urządzeniach nadawczo-odbiorczych produkowanych w mniejszych seriach.
Ponieważ wspomniane anteny typu LDS są tanie i sprzyjają miniaturyzacji, doskonale nadają się do stosowania w niewielkich modułach komunikacyjnych dla czujników i elementów wykonawczych w aplikacjach przemysłowych, z wymogiem niskiego poboru prądu. Dzięki trójwymiarowej naturze siatki antenowej możliwe jest bowiem gromadzenie i oszczędność energii związanej z transmisją sygnałów radiowych.
Oszczędność energii na okrągło
Bardzo ciekawym i przyszłościowym rozwiązaniem technicznym dedykowanym do energooszczędnych modułów komunikacji bezprzewodowej jest technologia pozyskiwania i gromadzenia energii (ang. energy harvesting). W tym przypadku chodzi o pozyskanie energii elektrycznej ze zmiennego pola magnetycznego wytwarzanego przez antenę i jej zgromadzenie w module, na potrzeby jego zasilania. Firma Nokia ogłosiła, że już za około dwa lata możliwe będzie wprowadzenie na rynek telefonów, których bateria będzie doładowywana elektrycznością pozyskaną z otaczających aparat pól elektromagnetycznych. Urządzenie o podobnych możliwościach – Touchstone, zaoferowała również nie tak dawno amerykańska firma Palm. Po położeniu na nim telefonu ładowany jest on dzięki dochodzącym do niego sygnałom radiowym. Wydaje się zatem, że w najbliższych latach pojawią się na rynku urządzenia mobilne i moduły bezprzewodowe, które praktycznie nie będą wymagały podłączania do zewnętrznej ładowarki oraz o maksymalnie wydłużonej żywotności baterii/akumulatorków. Rozwój tych technologii będzie miał niebagatelny wpływ na systemy automatyki przemysłowej. O ile istniejące już dziś technologie, jak wspomniana wcześniej WISA firmy ABB, wykorzystywane w obsłudze niewielkich czujników i elementów wykonawczych, o tyle nowe technologie oszczędności i generacji dodatkowej energii dla modułów komunikacji radiowej 2,4 GHz (Bluetooth) pozwolą na obsługę bardziej skomplikowanych urządzeń, otwierając nowe możliwości funkcjonalne w zakresie sterowania i monitoringu, bezpośrednio na poziomie urządzeń wykonawczych i czujników rozmieszczonych na liniach produkcyjnych. Ponieważ takie urządzenia nie będą wymagać częstej wymiany oraz baterii czy dodatkowego ładowania, spadną koszty utrzymania i serwisowania całych systemów automatyki.
Obecnie wydaje się więc, że standard Bluetooth jest doskonałym narzędziem rozszerzającym możliwości sieciowych systemów automatyki i monitoringu, dedykowanym do obsługi połączeń pomiędzy węzłami sieciowymi na najniższym poziomie strukturalnym sieci – bezpośredniej obsługi urządzeń i czujników. Ponadto prowadzone badania i prace rozwojowe, nawet dotyczące drobnych kwestii, mogą się okazać krokiem milowym w popularyzacji i masowej implementacji tej technologii w nowych aplikacjach.
Artykuł pod redakcją dr. inż. Andrzeja Ożadowicza – AGH Kraków
Wojciech Krypiak,
Technical Sales Architect Motorola Enterprise Mobility Solutions
Rynek w Polsce dojrzał już do wdrażania sieci bezprzewodowych. Firmy zrozumiały, że technologia ta oferuje możliwości, które gwarantują znaczne ograniczenie kosztów operacyjnych oraz usprawnienie i przyspieszenie pracy. Inną zaletą rozwiązań mobilnych jest również ich uniwersalność – sieci bezprzewodowe można skalować, dostosowując do wielkości oraz wymagań poszczególnych firm. Rozwiązania WLAN są idealne dla przedsiębiorstw, których pracownicy muszą zachowywać stałą łączność w każdym miejscu – dzięki sieciom bezprzewodowym osoby lub punkty rejestrujące dane przy linii produkcyjnej wprowadzają informacje w czasie rzeczywistym do wdrożonego w firmie systemu informatycznego. Maleją koszty – dzięki sieciom WLAN eliminowana jest konieczność żmudnego wprowadzania danych do systemu przy użyciu komputera znajdującego się daleko od stanowiska pracy.
Technologia WLAN to standard dobrze rozwinięty – oznacza to, że ilość elementów architektury, które wymagają dopracowania, jest bardzo ograniczona. W miarę dynamicznego rozwoju technologii WLAN (IEEE 802.11) możliwe jest osiąganie niskich poziomów opóźnień, tak niezbędnych w sieciach przemysłowych. Poprawne działanie sieci zależy tak naprawdę od decyzji podjętych przed przeprowadzeniem i w trakcie wdrożenia. Decydując się na zaimplementowanie sieci bezprzewodowej w firmie, warto wziąć pod uwagę to, z jaką intensywnością nowe rozwiązanie będzie wykorzystywane. Należy zapewnić jego zasięg we wszystkich miejscach, w których będą znajdować się pracownicy. Bardzo ważna jest również kwestia zabezpieczenia sieci przed intruzami (zarówno z zewnątrz, jak i z wewnątrz) – służą do tego odpowiednie rozwiązania szyfrujące i uwierzytelniające – np. aktywne czujniki/sensory analizujące fale radiowe i skutecznie neutralizujące zagrożenia. Przy projektowaniu sieci należy zapewnić także nadmiarowość w pokryciu zasięgiem radiowym, niezbędną w wypadkach przeciążenia sieci oraz chwilowym zakłóceniu lub uszkodzeniu pojedynczej celi radiowej.
Autor: Ed Nabrotzky
