Technologie radiowe są w stanie sprostać najnowszym przemysłowym standardom w zakresie bezpieczeństwa i niezawodności komunikacji, a jednocześnie, w wielu przypadkach, zaoferować wiele nowych zastosowań.
Współczesne przemysłowe sieci WiFi wykorzystują zwykle częstotliwość 2,4 GHz ? zostały bowiem opracowane, zanim powszechnie zaakceptowano chipsety 5 GHz. Powodem przytłaczającej dominacji standardu 2,4 GHz jest też jego implementacja w wielu tanich urządzeniach, które można znaleźć także w przemysłowych sieciach WiFi. Technologia identyfikacji RFID, wykorzystywana m.in. w systemie pobierania opłat drogowych czy identyfikacji pojazdów flotowych, działa właśnie przy 2,4 GHz. Podobnie urządzenia zgodne ze standardem IEEE 802.15.4, włącznie z tymi bazującymi na ZigBee czy niskozakresowymi sieciami bezprzewodowymi wykorzystywanymi do monitoringu. Wiele punktów dostępowych zgodnych ze standardem IEEE 802.11b/g pojawia się też w aplikacjach przemysłowych. Pasmo tego standardu może być współdzielone przez sieci biznesowe, monitoringu czy sterowania. IEEE 802.11 to zbiór standardów dla lokalnych sieci bezprzewodowych.
Wiele starszych sieci w systemach sterowania, opartych na standardzie IEEE 802.11b, jest szczególnie problematycznych. Gdy punkty dostępowe czy klienci współdzielą kanały transmisji z szybszymi sieciami, takimi jak np. IEEE 802.11n, dochodzi do spowolnienia transferu danych w tych kanałach. W praktyce wydajność szybkich sieci może zostać znacząco zredukowana nawet przez klienta, który transferuje dane z prędkością 1 MB/s.
W zakresie 2,4 GHz istnieją tylko trzy nienakładające się kanały. Jeżeli sieć IEEE 802.11b wykorzystuje jeden z nakładających się kanałów, sąsiednie zostaną znacznie spowolnione. Rozwiązanie tego problemu może się okazać trudne, ponieważ często poszczególne sieci podlegają różnym zarządcom. Z tego powodu większość specjalistów od sieci WLAN nie poleca stosowania technologii 2,4 GHz w nowo tworzonych instalacjach.
IEEE 802.11n ? wydajność
Odejście od technologii 2,4 GHz, realizowane już od jakiegoś czasu, rozpoczęło się od ustanowienia wspomnianego standardu IEEE 802.11n, który pierwotnie był stosowany w przemyśle, choć w niewielkim stopniu został również zaadaptowany w aplikacjach komercyjnych. Wraz z rozpowszechnianiem się tego standardu i obniżaniem kosztów chipsetów 5 GHz obserwuje się jego popularyzację również w tym obszarze. Kanały 5 GHz są w stosunkowo małym stopniu obarczone wzajemną interferencją.
Nowy standard znacząco podnosi wydajność ? maksymalna szybkość przesyłu danych dla pojedynczego kanału 20 MHz wynosi do 72 Mb/s, podczas gdy IEEE 802.11a oferował maksymalnie 54 Mb/s. To duża poprawa. Nowy standard pozwala także wykorzystywać wiele anten (technologia MIMO ? Multiple In, Multiple Out), łańcuchy transmisji i odbierania, a także oferuje teoretycznie uzyskanie maksymalnej szybkości transmisji na poziomie 600 Mbp/s przy wykorzystaniu kanału 40 MHz. Niezbędne jest jednak zwrócenie uwagi na to, by tak szerokie kanały nie nakładały się na siebie, co mogłoby powodować podobne problemy z szybkością, jak to było w przypadku starego standardu.
IEEE 802.11ac ? Gigabit
Następnym znacznym krokiem naprzód w łączności WiFi jest standard IEEE 802.11ac, który obiecuje nie tylko prędkość na poziomie gigabitu, ale także dodatkowe usprawnienia. By jak najszybciej móc skorzystać na nowej technologii, nowy standard jest wdrażany etapami ? za początek implementacji technologii IEEE 802.11ac można przyjąć rok 2014.
O ile standard IEEE 802.11n wspiera zarówno urządzenia 2,4 GHz, jak i 5 GHz, nowy dotyczy już tylko wyższej częstotliwości. Dzięki usprawnionej technologii można wykorzystywać kanały nie tylko o szerokościach 20 i 40 MHz, ale także 80 MHz. Trzeba jednak pamiętać, że szersze kanały to mniejsza ich liczba, ponieważ nie powinny się nakładać. Standard IEEE 802.11ac to także lepsza technika modulacji ? QAM-256, pozwalająca osiągnąć wysoką wydajność. Wymaga ona jednak bardzo dobrego stosunku sygnału do szumu, więc urządzenie-klient musi znajdować się blisko punktu dostępowego, szczególnie w przypadku występowania interferencji lub środowiska o dużej ilości szumów.
Kolejnym krokiem w rozwoju nowego standardu jest wprowadzenie kanałów 160 GHz, z jeszcze większą szerokością pasma oraz rozszerzonymi możliwościami technologii MIMO, zwanej MU-MIMO (Multi-User MIMO), pozwalającej na obsługę wielu klientów w jednym czasie.
Aplikacje przemysłowe
Nie zawsze głównym argumentem przemawiającym za wdrożeniem w przemyśle nowej technologii bezprzewodowej jest zwiększenie wydajności. Standard IEEE 802.11n powinien nadal spełniać wyśrubowane wymagania użytkowników przemysłowych, a swoją dominującą pozycję zawdzięcza świetnemu dopasowaniu do tego typu aplikacji. Łączność bezprzewodowa w aplikacjach przemysłowych jest bowiem zwykle wykorzystywana do monitoringu, kontroli, nadzorowania i zbierania danych przez system SCADA. Ilość danych przesyłana z urządzeń peryferyjnych pozostaje stosunkowo mała ? może to być mniej niż kilkaset bajtów, w dodatku wysyłanych z niską częstotliwością. Wsparcie dla szybkiego transferu blokowego, istotne wobec dużych plików, w tym przypadku praktycznie nie jest istotne.
W przemyśle dużo ważniejsza jest optymalizacja czasu transferu w poszczególnych kanałach, dzięki czemu więcej urządzeń może być obsłużone przez pojedynczy kanał.
Z punktu widzenia użytkownika przemysłowego praktyczną zaletą standardu IEEE 802.11n jest także zdolność do rekonstrukcji sygnału w środowiskach z dużą ilością interferencji, generowanych np. przez konstrukcje metalowe, których nie brakuje w halach produkcyjnych. Jeżeli urządzenia w standardzie IEEE 802.11n mają dwie anteny w konfiguracji 2×2, mogą one rekonstruować sygnał z wielu odbitych sygnałów.
Redundancja, zabezpieczenia przed pętlami
Poza bazowymi technologiami oferowanymi przez producentów chipsetów dla modułów komunikacji bezprzewodowej, aplikacje przemysłowe wymagają często specjalnych funkcji w celu zapewnienia optymalnej wydajności i niezawodności. Np. w transporcie szynowym, gdzie wymagana jest komunikacja typu train-to-wayside, projektanci systemów dla zapewnienia redundancji chcą mieć do dyspozycji więcej niż jedno aktywne połączenie z urządzeniami stacjonarnymi. Wymaga to obecności wielu urządzeń radiowych w pociągu, co z kolei powoduje powstawanie problematycznych pętli sieciowych. Z tego powodu konieczne jest stosowanie odpowiednich protokołów zabezpieczających. W przeszłości wykorzystywano w tym celu protokół STP, jednak nie spełniał on właściwie swojej roli w środowisku, gdzie zachodzi znaczne rozpraszanie i tłumienie sygnału lub może dochodzić do konwergencji.
Generalnie, rozwój technologii bezprzewodowych w przemyśle to nie tylko innowacje, jakie dokonały się w samych chipsetach i które zostały zatwierdzone przez organizacje standaryzacyjne. Technologie radiowe spełniają już najnowsze i najbardziej surowe standardy niezbędne w przemyśle ? udowodniły też swoją wartość w wielu aplikacjach.
Autor: Mike Werning jest inżynierem w firmie Moxa Americas.
Tekst pochodzi z nr 1/2017 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
