Jeszcze ostatecznie nieuzgodniony standard ISA100 obiecuje wprowadzenie procedur i najlepszych praktyk w zakresie użycia bezprzewodowych systemów w środowiskach przemysłowych. Obecnie istnieją trzy „standardy” walczące ze sobą o prymat na arenie urządzeń do zastosowań przemysłowych: ISA 100.11a, WirelessHART i ZigBeePRO.
Kilka oddzielnych frakcji walczy o aprobatę swojej faworyzowanej wersji jako ogólnego standardu w ramach ISA100. Niektóre promują adaptację zapisów istniejących w WirelessHart (część HART 7.1), jakie były zaadaptowane przez HCF (HART Communication Foundation) pod koniec 2007 r. Ten standard można oznaczyć jako ISA100.12.
Inne odłamy w ramach Komitetu Standaryzującego ISA100 starają się przekonać do wersji opartej na własnej technologii Honeywell OneWireless oferowanej przez Honeywell. Kolejna grupa optuje za wdrożeniem ZigBee PRO, który mógłby się stać ISA100.13.
Powstaje pytanie, czy te podrozdziały standardu będą kompatybilne i zdolne do współdziałania? Czy ich współdziałanie będzie możliwe? Czy te krytyczne dla użytkowników zagadnienia są podstawowymi kryteriami w ustanawianiu standardu łączności bezprzewodowej?
Co prawda komitet standaryzacyjny ISA100 nie zakończył jeszcze prac, jednakże HCF przyjęło już standardy i produkty bezprzewodowe znajdujące się na rynku, które obsługują prawdziwe aplikacje i procesy w fabrykach. W poniższych krótkich artykułach, autorzy opisują niektóre z technologii kryjących się za WirelessHART, sposób ich wdrażania i znaczenie wyboru właściwej infrastruktury bezprzewodowej.
Wybór technologii bezprzewodowej nowej generacji
Mike Bradley
Chociaż technologie bezprzewodowe są traktowane jako coś przełomowego w automatyce i świecie zarządzania operacyjnego produkcją, z pewnością nie są całkowitą nowością. Pragnienie użycia technologii bezprzewodowych dla zredukowania kosztów i poprawy wydajności istnieje już od jakiegoś czasu i służy do wspierania rozmaitych aplikacji: od zarządzania materiałami do systemów SCADA, od komunikacji między pojedynczymi maszynami do komunikacji mikrofalowej na polach naftowych.
To, co się zmieniło, to powstanie znaczącej nowej generacji produktów, aplikacji i standardów zaadresowanych do specyficznych wyzwań związanych z użyciem rozwiązań bezprzewodowych w środowiskach zakładów produkcyjnych. Technologie bezprzewodowe zwiększyły możliwości monitorowania i pomiarów, poprawiły mobilność środków pracy, poprawiły bezpieczeństwo, pozwoliły na skuteczniejsze wykorzystanie zasobów, materiałów i energii, a także zmniejszyły koszty stałe i komunikację w sieci procesów.
Wybór właściwej technologii bezprzewodowej
Tak jak rośnie lista zastosowań technologii bezprzewodowych, tak też rośnie lista urządzeń bezprzewodowych i systemów wspierających te zastosowania. Zwiększanie liczby aplikacji powoduje wzrost złożoności, która wynika z zastosowania wielorakich technologii bezprzewodowych przeznaczonych do zaspokojenia wymagań poszczególnych aplikacji dotyczących zasięgu, opóźnienia (latencji) i przepustowości. Nie ma „jednego rozmiaru dla wszystkich” w obszarze technologii bezprzewodowych, który wspierałby różnorakie wymagania aplikacji przemysłowych.
I to właśnie jest głównym wyzwaniem i krytycznym czynnikiem wyboru. Każda fabryka ma niezwykle ważny, lecz niewidoczny zasób: pasmo radiowe – zakres częstotliwości radiowych, jaki jest dostępny wewnątrz i wokół miejsca posadowienia. Wyobraźmy sobie, że za dwa, trzy lata będzie w fabryce tysiące bezprzewodowych urządzeń pochodzących od tuzina dostawców. Bez właściwych narzędzi do zarządzania bezpieczeństwem i efektywnym współistnieniem sieć bezprzewodowa zarządzająca sterowaniem w fabryce stanie się powolna, trudna do zarządzania i zawodna. Wybory, jakich dokonujesz dzisiaj, będą limitowały opcje wyboru i zarządzania nowymi technologiami bezprzewodowymi w przyszłości.
Zakłady produkcyjne mają trzy podstawowe możliwości wyboru związane z technologią bezprzewodową:
Wybór 1.: Jeden dostawca wszystkiego
Można zainstalować specyficzne rozwiązania do wszystkiego od jednego dostawcy. Wybór wszystkiego od jednego dostawcy rozwiązań bezprzewodowych ma tę zaletę, że wszystkie urządzenia są zaprojektowane i stworzone do zintegrowania rozmaitych technologii bezprzewodowych w jeden system.
Jednak wraz ze wzrostem liczby zastosowań i rozwojem aplikacji zależność od jednego dostawcy stanie się ograniczeniem opcji wyboru i będzie blokować możliwości rozwoju tylko do jednego dostawcy. Krytyczne staje się to, czy dostawca dostarcza rozwiązania, które są naprawdę otwarte i zgodne ze standardami. Jeśli nie są zgodne ze standardami, opcje rozwojowe fabryki mogą być znacząco ograniczone.
Wybór 2.: Punktowe rozwiązania do jednego zastosowania
Można rozwijać się w oparciu o punktowe rozwiązania, które bazują na jednej aplikacji rozwiązującej pojedyncze problemy. Inną opcją jest stosowanie najlepszego lub najtańszego rozwiązania danego zadania. Takie podejście umożliwia dostarczenie właściwych rozwiązań pod względem wydajności i niezawodności dla specyficznych zastosowań.
W takim wypadku nie będzie niestety możliwe wspólne wykorzystanie infrastruktury. Każde punktowe zastosowanie technologii bezprzewodowej będzie wymagało własnej infrastruktury, zarządzania siecią i bezpieczeństwem. Takie podejście ostatecznie doprowadzi do powstania „wysp bezprzewodowych”, które trudno będzie wykazać jako pozytywny zwrot z inwestycji.
Wybór 3.: Nowa generacja
Najlepszym rozwiązaniem będzie decyzja o zastosowaniu otwartych, opartych na standardach sieciach bezprzewodowych, które będą bezpieczne, niezawodne, odporne na zakłócenia i skalowalne. Taka naprawdę otwarta infrastruktura bezprzewodowa pozwoli na dobieranie odpowiednich urządzeń bezprzewodowych i użycie ich we właściwych zastosowaniach, jak też wykorzystanie technologii plug-and-play. Ponieważ nie ma jednej technologii bezprzewodowej, dostawcy oferujący pełen zakres przemysłowych rozwiązań opartych na otwartych standardach dają większą elastyczność i pewność inwestycji. To podejście zapewnia stworzenie systemu sieciowego opartego na standardach, najlepszych praktykach i neutralnego w stosunku do dostawcy w całym zakresie urządzeń i zastosowań sieci bezprzewodowych.
Wybór powinien być prosty. Korzyści finansowe i operacyjne z przemysłowej sieci bezprzewodowej są najlepsze w przypadku punktu 3. Tylko ta opcja pozwala na stworzenie otwartym, także sprawdzającym się w przyszłości rozwiązaniu architektonicznym, zdolnym do wykorzystania najlepszych technologii i aplikacji, jakie są dostępne, od dowolnego dostawcy teraz i w przyszłości. Wykorzystując najlepsze narzędzia i otwartą architekturę bezprzewodową, uniknie się ograniczeń, jakie niesie ze sobą związanie się z jednym dostawcą i ograniczeniami wynikającymi z rozwiązań punktowych. Zamiast tego będzie można cieszyć się przez wiele lat siłą standardu przemysłowej sieci bezprzewodowej.
Mike Brudley jest CEO w Aprion, dostawcy otwartych zintegrowanych systemów bezprzewodowych dla przemysłu i produkcji. Związał się z firmą w lutym 2008 r. po wcześniejszej współpracy z Wonderware w latach 2002–2007. Bradley ma ponad 30 lat doświadczeń w sprzedaży, marketingu, tworzeniu i zarządzaniu technologiami dla przemysłu, oprogramowaniu i elektronice.
Redundancje systemów w WirelessHART
HART Communication Foundation
W procesie automatyzacji operatorzy podejmują decyzje na podstawie dostępnych danych. Gdy jedna lub więcej zmiennych procesowych lub danych nie jest dostępna, decydują, nie mając kompletnego obrazu sytuacji. W rzeczywistości mogą nawet nie mieć świadomości, że podjęcie decyzji jest potrzebne. To samo dotyczy systemów sterowania. Bez wszystkich niezbędnych danych wejściowych, sygnał lub polecenie wyjściowe może nie odzwierciedlać najlepszej możliwej do podjęcia akcji dla prawidłowego działania procesu – a nawet gorzej, może spowodować zamknięcie procesu.
Dlatego zarządzanie procesami produkcyjnymi wymaga często zastosowania redundancji dla zminimalizowania prawdopodobieństwa utraty danych, w szczególności tam, gdzie wymiana danych jest czynnikiem krytycznym lub gdzie utrata jednej z informacji może powodować stratę znaczącej liczby danych procesowych.
Redundancje mogą zwielokrotniać dowolny z wielu krytycznych komponentów systemu, począwszy od urządzeń, poprzez kontrolery do urządzeń komunikacyjnych. Dla przykładu, tradycyjny system okablowania może się składać z dwóch kabli przez które transmitowany jest ten sam sygnał.
Systemy bezprzewodowe pozwalają także na wykorzystanie redundancji do zabezpieczenia przed utratą danych. W przypadku WirelessHART, redundancja jest dostępna na wszystkich poziomach systemu sieci:
- w sieci bezprzewodowych czujników,
- w punktach dostępowych sieci,
- w punktach zarządzania i koncentratorach sieci oraz w zarządzaniu bezpieczeństwem sieci.
Redundancje w bezprzewodowej sieci czujników
WirelessHART umożliwia redundancję w sieci czujników dzięki kilku mechanizmom. Każda komunikacja ma:
- zwielokrotnione ścieżki pomiędzy urządzeniem a koncentratorem (różnorodność przestrzenna),
- zwielokrotnione kanały łączności (różnorodność częstotliwości),
- zwielokrotnione możliwości nadawania w czasie (różnorodność czasowa).
Jeśli komunikacja z urządzenia do bramy zostanie zakłócona, urządzenie ponowi próbę w nieco innym przedziale czasowym, innym kanale, z wykorzystaniem innej ścieżki przesyłu
Na rys. 1 przedstawiono sytuację, w której – jeśli komunikacja z urządzenia TT101 do bramy sieci (gateway) zostanie zakłócona na ścieżce A-B-C – urządzenie będzie próbowało na nieco innym kanale i w innym przedziale czasowym, np. D-E-F. Jeśli tu komunikacja się nie powiedzie, spróbuje jeszcze raz, np. na ścieżce D-G-C. System umożliwia trzy próby komunikacji z docelowym urządzeniem. Redundancja jest zapewniona w obu kierunkach, zarówno od urządzenia do bramy, jak i w przeciwnym kierunku.
Redundancje w punkcie dostępowym sieci
Punkt dostępowy jest specjalizowanym urządzeniem WirelessHART z szerokopasmowym interfejsem do komunikacji sieci z bramą sieci. Umożliwia wejście i wyjście z systemu komunikacji urządzeniom WirelessHART.
WirelessHART pozwala, by sieć miała wiele punktów dostępowych. Oprócz zwielokrotnienia ścieżki dostępu (jak to opisane powyżej), wiele punktów dostępu dodatkowo umożliwia zwiększenie przepustowości sieci i redundancję ścieżek komunikacji do bramy i menedżera sieci.
Inną korzyścią z posiadania wielu punktów dostępowych jest zmniejszenie opóźnień (czasu oczekiwania) w dostępie do końcowych urządzeń sterowniczych. Np. strategiczne umieszczenie punktu dostępowego w pobliżu zaworu sterowniczego umożliwia bezpośrednią komunikację automatyki zaworu z punktem dostępowym po ścieżce z małym opóźnieniem pomiędzy bramą a zaworem.
Teoretycznie nie ma ograniczeń liczby punktów dostępowych w sieci. Należy rozważyć opłacalność zwielokrotnienia i zwiększenia przepustowości sieci.
Redundancje w bramach dostępowych, zarządzaniu siecią i bezpieczeństwem
Komponenty wysokiego poziomu systemu WirelessHART to bramy dostępowe, elementy do zarządzania siecią i elementy do zarządzania bezpieczeństwem. Każdy z tych elementów może być zwielokrotniony.
Jednym ze sposobów zwielokrotnienia jest użycie do każdej funkcji odrębnego urządzenia i replikowanie każdego urządzenia. Daje to użytkownikom elastyczność w decydowaniu, które komponenty są najbardziej krytyczne dla danego zastosowania. Np. użytkownik może zdecydować, że najbardziej krytycznym urządzeniem jest element zarządzanie siecią i ten element zwielokrotnić.
Inne podejście polega na umieszczeniu bramy dostępowej, zarządzania siecią i bezpieczeństwem razem w jednym urządzeniu i zreplikowaniem go
Na rys. 2 pokazano inne podejście – umieszczenie wszystkich trzech komponentów (brama dostępowa, elementy zarządzające i bezpieczeństwo) w jednym fizycznym zreplikowanym urządzeniu pełniącym rolę bramy dostępowej.
W takiej aranżacji jedno z urządzeń jest bramą dostępową, drugie jego wtórnikiem (backup). Oba komunikują się ze sobą poprzez element zarządzający redundancją, aby utrzymywać synchronizacje w sieci. Jeśli urządzenie podstawowe ulegnie awarii, drugie rozpozna tę sytuację i przejmie zadania.
Adaptery do redundancji
WirelessHART pozwala na wiele sposobów wprowadzać redundancję, włączając w to dodawanie adapterów WirelessHART. Adaptery WirelessHART pozwalają na komunikację w redundantnych kanałach komunikacji do zwykłych „przewodowych” urządzeń HART. Urządzenia podłączone do innych specyficznych (nie otwartych) kanałów WE/WY w sieci mogą nadal działać przy niskich opóźnieniach (latencji), bez konieczności zmiany strategii sterowania. Urządzenia WierelessHART umożliwiają redundancję na wszystkich poziomach sieci. Przykłady zastosowań pokazują, że typowa sieć WirelessHART ma wydajność zbliżoną do tradycyjnej kablowej sieci. Protokoły WirelessHart pozwalają na bezpieczną, wysoko dostępną, o niskiej latencji komunikację bez wpływu na pasmo i wydajność procesu. Wszystko to jest wbudowane w standard WirelesHART, aby uczynić go prostym, dostępnym i bezpiecznym.
HART Communication Foundation jest międzynarodową organizacją non profit, zrzeszającą ponad 200 firm z całego świata. Utworzona w 1993 r. Fundacja jest właścicielem technologii i zarządzającym własnością intelektualną dotyczącą Protokołu HART i dostarcza globalnego wsparcia dla aplikacji opartych na technologii HART. Fundacja zarządza i kieruje standardami HART, włączając w to tworzenie nowych technologii i usprawnień oraz wsparcie dla potrzeb przemysłu.
Technologia radiowa Open Source w inżynierii procesowej
Gerrit Lohmann, Robert Schosker
Podążając za rozwojem technologii przesyłu danych w procesach automatyki, następnym krokiem rozwoju komunikacji jest inwestycja w technologie radiowe. Czy technologie radiowe mogą być bazą dla wszystkich rozwiązań? Opierając się na otwartych standardach HART Communications Foundation dostarcza odpowiedzi, którą jest WirelessHART.
WirelessHART
WirelessHART jest zbudowany na bazie szeroko stosowanego standardu HART, obecnego w ponad 20 mln zainstalowanych urządzeń HART. HART początkowo był pomyślany jako rozszerzenie powszechnie stosowanych 4–20 mA prądowych pętli w celu zwiększenia funkcjonalności urządzeń.
Nowy standard WirelessHART został opublikowany we wrześniu 2007 r. i bazuje bezpośrednio na protokole HART, ale jest wolny od warstwy fizycznej. HART jako medium transferowego używa pasma 2,4 GHz, wolnego od licencji i wykorzystywanego na całym świecie w wielu technologiach radiowych, włączając w to lokalne sieci bezprzewodowe WLAN, urządzenia Bluetooth i ZigBee. Wykorzystywanie WirelssHART nie wymaga pozwoleń.
Ewolucja technologii
Jako warstwę fizyczną WirelessHART wykorzystuje modulację radiową zgodną z IEEE802.15.4. Standard ten jest stosowany przez systemy radiowe, m.in. ZigBee i WLAN. Zaletą jest dostępność sprzętu obsługującego to pasmo. Jednakże stwierdzenie, że WirelessHART jest tym samym co WLAN byłoby nadużyciem.
W sieciach WLAN możliwe są połączenia punkt-punkt, podczas gdy WirelssHART wykorzystuje „płaską” sieć połączeń, gdzie wszystkie stacje radiowe z sieci działają wymiennie jako źródła i odbiorniki. Oryginalny nadajnik wysyła wiadomość do swojego najbliższego sąsiada, który przesyła wiadomość dalej, aż dotrze ona do stacji bazowej i jej właściwego odbiornika. W ten sposób sieć pokrywa duży obszar.
Dodatkowo, alternatywne połączenie (routing) jest definiowane w fazie początkowej. W wypadku gdy wiadomość nie może zostać dostarczona daną ścieżką, np. ze względu na zaistniałe zakłócenia lub awarię urządzenia, alternatywna ścieżka jest uruchamiana automatycznie. Uwzględniając pokrycie dużego obszaru, dostępność takiej sieci znacząco wzrasta.
Urządzenie zarządzające spełnia centralną funkcję w sieci. Sieć jest organizowana centralnie w chwili startu przez urządzenie zarządzające, które niejako konstruuje sieć, ustanawia organizację komunikacji i tworzy redundancje ścieżek komunikacyjnych. Oprogramowanie zarządzające siecią wykrywa nowo pojawiające się stacje i integruje je z istniejącą siecią w trakcie jej działania. Rozszerzanie przebiega bez konieczności ingerencji w działające elementy sieci. W trakcie normalnej pracy, urządzenie zarządzające siecią monitoruje wszystkie ważne funkcje sieci i wszystkie stacje, dokonując niezbędnych korekt w razie awarii.
Koordynacja komunikacji w płaskiej sieci realizowana jest metodą Time Division Multiple Acces (TDMA), która synchronizuje stacje radiowe precyzyjnie co 10 milisekund. Dzięki temu stacje radiowe rejestrują komunikaty z dokładnością do 10 ms, co powoduje redukcję czasów wyprzedzenia i opóźnienia, w jakich stacje muszą być aktywne.
Aby uniknąć źródeł interferencji i interferencji z innymi źródłami na częstotliwości 2,4 GHZ, WirelessHART wykorzystuje metodę zwaną Frequency Hoping Spread Spectrum (FHSS). Dzięki temu wszystkie 16 kanałów opisanych w IEEE802 jest wykorzystywanych równolegle. Kanały już zajęte są wpisywane na „czarną listę” i nie są wykorzystywane do komunikacji. Kombinacja dokładnych czasów synchronizacji w cyklach 10 ms dzięki TDMA i użycie 16 kanałów z puli IEEE802.15.4 przez FHSS pozwala na osiągnięcie w sieci 1600 komunikacji na sekundę.
Wymagania bezpieczeństwa nie mogą być zaniedbywane przez operatora (administratora) fabryki. System umożliwia kodowane 128-bitowe. Dzięki temu nasłuch i przechwytywanie transmisji i jej zakłócanie przez wysyłanie fałszywych komunikatów jest praktycznie niemożliwe.
WirelessHART jest kombinacją powszechnie stosowanego i sprawdzonego protokołu HART i technologii radiowej działającej i stosowanej przemyśle i zastosowaniach „cywilnych”. HART jest też stosowane do:
- monitorowania przyrządów i wartości środowiskowych,
- zarządzania i optymalizacji zasobów,
- obsługi prewencyjnej,
- monitorowania wydajności,
- zarządzania energią.
Wymagania wymienionych aplikacji w zakresie dostępności, transmisji i prędkości są dobrze dopasowane do możliwości oferowanych przez technologie radiowe. Koncepcja WirelessHART pozwala także na bezproblemową integrację z istniejącą infrastrukturą, z zachowaniem otwartości i możliwością rozszerzeń w przyszłości.
Technologie radiowe umożliwiają lepsze użycie istniejących aplikacji w procesach automatyzacji i w osiąganiu nowych efektywnych kosztowo aplikacji, które wcześniej nie były dostępne. WirelessHART jest niezbędnym krokiem, jaki trzeba wykonać, aby przejść od zamkniętych technologii do ogólnych standardów, umożliwiając użycie technologii radiowych bez konieczności przerywania pracy systemu produkcyjnego. WirelessHART otwiera nowe możliwości poprawy jakości pracy i monitorowania fabryk i optymalizowanie procesów. Inwestycja w WirelessHART to opłacalna kontrybucja dla ekonomii działań operacyjnych procesów przemysłowych.
Gerrit Lohman i Robert Schosker są menedżerami produktów w Pepperl+Fuchs
Więcej informacji na:
HART Communication Foundation – www.hartcomm.org
ISA – www.isa.org/isa100
ZigBee Alliance – www.zigbee.org
Autor: Gerrit Lohman i Robert Schosker
