Czujniki bezprzewodowe należą do popularnych rozwiązań stosowanych do monitorowania miejsc odległych, z utrudnionym dostępem wymagającym dużych kosztów. Wykorzystywane są również w wypadku aplikacji przenośnych.
Chcąc wybrać najlepsze rozwiązanie bezprzewodowe, trzeba się liczyć z wieloma kompromisami technologicznymi, a także koniecznością zapoznania się z mnogością ofert dostawców. Przy próbie wyszukania publikacji technicznych i stron internetowych dotyczących przemysłowych bezprzewodowych sieci sensorowych (Industrial Wireless Sensor Networks – IWSN) klient zetknie się z bardzo dużą ilością przykładów, porównań technicznych wraz ze szczegółowymi analizami. Tego typu analizy są bardzo przydatne dla dużych odbiorców lub firm inżynieryjnych zatrudniających pracowników, których zadaniem jest analiza niuansów technicznych. Niestety, wielu potencjalnych użytkowników końcowych nie dysponuje specjalistyczną wiedzą techniczną, ani nie stosuje formalnych procedur wyboru i może po prostu nie mieć pewności, co jest najważniejszym czynnikiem różnicującym podczas analizy dostępnych opcji.
Inżynierowie, których zadaniem jest dokonanie wyboru, zazwyczaj kierują się podobnymi kryteriami. Przypisywane przez nich wagi oparte są na doświadczeniach z realizowanych już instalacji, a najczęściej rozpatrywane czynniki to:
-> dostępność łącza komunikacyjnego,
-> bezpieczeństwo,
-> skalowalność,
-> możliwość podłączenia do określonych urządzeń,
-> klasyfikacja urządzenia w zakresie obszarów zagrożonych wybuchem,
-> dostępne w danej lokalizacji opcje zasilania,
-> łatwość obsługi,
-> integracja z systemami sterowania,
-> ryzyko inwestycyjne w perspektywie zwrotu z inwestycji,
-> inne czynniki praktyczne związane z poszczególnymi zakładami.
Dwuetapowy proces wyboru sieci bezprzewodowych
Proces wyboru sieci IWSN dzieli się na dwa etapy: wybór protokołu sieciowego oraz selekcja dostawców i poszczególnych urządzeń. Protokół decyduje o sposobie działania sieci, natomiast dobór urządzeń będzie oparty na określonych zastosowaniach. Wszystko razem musi ze sobą dobrze współpracować. Protokół, który spełnia wszystkie wymagania sieciowe, to duży plus, ale jeśli nie ma dostępnych urządzeń do obsługi w określonych zastosowaniach, wtedy nie można go użyć.
Niektóre kryteria selekcji mogą mieć charakter bezwzględnych i tym samym powodować odrzucenie niektórych potencjalnych ofert rynkowych. Przykładowo w danej sytuacji może istnieć wymóg, aby urządzenie miało świadectwo grupy I, kategorii 1 dla obszarów zagrożonych wybuchem oraz klasę szczelności IP67, zatem rozwiązania nieposiadające zgodności z tymi standardami zostaną odrzucone lub będą wymagać dodatkowych kosztów i miejsca, aby zapewnić właściwe parametry obudowy.
Niektórym użytkownikom może zależeć, aby rozpatrywana sieć IWSN opierała się na międzynarodowym standardzie i będą unikać rozwiązań firmowych, pochodzących tylko od jednego producenta. Ryzyko inwestycji bez możliwości uzyskania zwrotu, ograniczone możliwości skalowalności, niższy stopień weryfikacji zabezpieczeń oraz ograniczone oferty produktowe od jednego dostawcy, to czynniki które mogą spowodować odrzucenie rozwiązania autorskiego.
ISA100 i Wireless HART to dwa standardy IEC, dedykowane do aplikacji przemysłowych z komunikacją bezprzewodową. Zostały szczegółowo przebadane pod kątem właściwego bezpieczeństwa i wspierane są przez wielu dostawców z branży automatyki procesów, zatem stabilna pozycja rynkowa dostawcy nie zwiększa ryzyka strat inwestycyjnych. Pod względem praktycznym standard ISA100 oraz WirelessHART spełnią większość, jeśli nie wszystkie z najczęściej podnoszonych kryteriów wyboru, niemniej jednak nadal są między nimi istotne różnice.
Elastyczność konstrukcji sieci IWSN
Sieci o topologii kraty (typu mesh) oferują wiele korzyści, włączając w to zdolność do samokonfiguracji i samonaprawy, a także do zarządzania trasami pakietów danych komunikacyjnych. Ponadto udostępniają wiele punktów odbioru (bramy) w celu zapewnienia nadmiarowości i skalowalności. Ich zdolności do samodzielnego zarządzania oparte są na złożonych algorytmach, służących do wykrywania sposobu ukształtowania sieci, jej topologii.
Na przykład sieci muszą stale analizować ścieżki komunikacji przypisane do każdego przeskoku sygnałów danych między czujnikami bezprzewodowymi, a także jakość sygnału każdego przeskoku, tak by unikać przeskoków prowadzących do większej liczby ponownych prób transmisji danych, spowodowanych dużą liczbą błędnych pakietów komunikacyjnych. W przypadku sieci IWSN z odpowiednią gęstością siatki (co oznacza odpowiednią liczbę węzłów sieci zapewniającą wiele ścieżek komunikacji) topologia danej sieci zazwyczaj cechuje się wysoką stabilnością.
Z drugiej strony sieć kratowa, opierająca się wyłącznie na jej zdolności do samodzielnej organizacji, może nie spełniać wymagań deterministycznych aplikacji do monitorowania i sterowania, które nie są w stanie tolerować dłuższych opóźnień lub wahań opóźnień (zakłóceń – jitter). Niektóre sieci bezprzewodowe typu mesh pozwalają użytkownikom na ustalenie maksymalnej dopuszczalnej liczby przeskoków pakietów danych od czujnika do punktu odbioru (głębokość sieci kratowej), ale korzystne jest zachowanie elastyczności przy projektowaniu określonej sieci zgodnie z oczekiwaną strukturą (rys.).
Standard WirelessHART obsługuje wyłącznie topologię kratową, w której wszystkie urządzenia bezprzewodowe działają jako czujniki z routerami. Standard ISA100 wspiera trzy możliwe konfiguracje:
-> routery bezprzewodowe,
-> czujniki z routerami,
-> same czujniki, bez funkcji routingu, ale ze zdolnością wyboru różnych routerów lub bram w strukturze sieci, co zapewnia możliwość samodzielnej naprawy w przypadku zakłóceń sieci.
ISA100 pozwala na utworzenie sieci ze stałymi połączeniami typu punkt-wielopunkt (topologia gwiazdy lub gwiazdy rozszerzonej, zawierającej wtórniki), o topologii kraty lub topologii mieszanej (połączenie gwiazdy i kraty).
Sieci przystosowane do wymagań przyszłości
Minimalizowanie ryzyka strat inwestycyjnych jest bardzo ważne w przypadku wszystkich dużych inwestycji, włączając w to sieci IWSN. Niewiele inwestycji w automatyzację procesów jest rzeczywiście przyszłościowych, a szanse pomyślności w postaci dalszego wykorzystywania w przyszłości i zdolności do przystosowania do nowych aplikacji, powstałych na fali nowych trendów, jak Przemysłowy Internet Rzeczy (Industrial Internet of Things – IIoT), są dla jednych technologii bezprzewodowych IWSN większe niż dla innych. Otwarte rozwiązania oparte na otwartych standardach charakteryzują się znacznie większym prawdopodobieństwem, iż będą ewoluowały i będą wspierane przez aplikacje przyszłościowe, jak chociażby sieci IIoT i systemy zarządzania zasobami, w porównaniu z rozwiązaniami firmowymi pochodzącymi od jednego producenta. Nawet protokoły IWSN oparte na standardach branżowych często nie oferują jednakowego stopnia zabezpieczenia na przyszłość.
Przykładem jest protokół Wireless-HART, który oznacza właśnie to, co sugeruje sama nazwa: protokół HART komunikacji w trybie master/slave w sieci bezprzewodowej. Natomiast standard ISA100 wspiera obsługę różnych protokołów ze względu na komunikację o charakterze obiektowym, gdzie różne protokoły mogą tunelować lub przekazywać dane, włączając w to protokół HART i inne powszechne protokoły sieci przemysłowych jak Modbus.
Oprócz charakteru obiektowego ISA100 różni się od standardu Wireless-HART również obsługą protokołu internetowego wersji 6 (IPv6), nadając adres IP każdemu urządzeniu w sieci ISA100. Sieć IWSN, wykorzystująca protokół HART do komunikacji z urządzeniami HART, w sposób oczywisty nie będzie więc obsługiwać aplikacji przyszłości jak IIoT, które oparte są na IP. Aplikacje wykorzystujące Internet Rzeczy w przemyśle z czasem będą ewoluowały, zatem wdrożenie infrastruktury IWSN zdolnej do obsługi nowych czujników wraz z możliwością dołączenia już istniejących nadajników, np. z monitoringu stanu maszyn, pozwoli uniknąć strat inwestycyjnych.
Wsparcie wielu dostawców
Firmowe sieci IWSN, pochodzące od jednego producenta i niewspierane przez wielu dostawców, niosą ze sobą znacznie większe ryzyko. W razie upadku firmy lub jej przejęcia może dojść do utraty najważniejszych osób i zakończenia wspierania danej platformy. Standardy Wireless HART i ISA100 mają ogromne ekosystemy wielu różnych dostawców infrastruktury oraz urządzeń sieciowych i czujników. Na stronach internetowych FieldComm Group (WirelessHART) oraz ISA100 Wireless Compliance Institute można znaleźć listy urządzeń wykorzystujących dane protokoły. Niektóre urządzenia wspierają infrastrukturę (bramy, routery itp.), inne służą jako bezprzewodowe adaptery dla konwencjonalnych urządzeń fizycznych, a obie grupy są dedykowane do obsługi komunikacji bezprzewodowej od samego początku ich powstania. Certyfikacja urządzeń zapewnia ich interoperacyjność w dedykowanych dla nich środowiskach aplikacyjnych.
Przy wyborze rozwiązania bezprzewodowego do wymagań aplikacji, w przypadku których zbyt skomplikowane lub zbyt kosztowne jest użycie konwencjonalnych urządzeń przewodowych, należy opracować listę najważniejszych kryteriów wyboru, odzwierciedlających wymagania bieżące, a także przyszłe. Trzeba dokonać rzetelnej analizy każdego rozwiązania IWSN na podstawie tych punktów, przypisując im odpowiednie wagi, z uwzględnieniem poziomu krytyczności. Całą procedurę można przeprowadzić w sposób nieformalny, a także można zastosować tę metodę do przygotowania zapytania ofertowego w miarę postępu procesu inwestycyjnego. Tak przygotowana systematyczna analiza pomoże dokonać wyboru najlepszego rozwiązania i standardu do określonej aplikacji.
Autor: Kevin Zamzow jest Product Managerem w przedsiębiorstwie Yokogawa Corporation of America.
Tekst pochodzi z nr 5/2016 magazynu „Inżynieria i Utrzymanie Ruchu”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
