Wybór i wdrożenie sieci bezprzewodowej w zakładzie przemysłowym wymaga dużo planowania i przygotowań, ponieważ istnieje wiele elementów, które mogą utrudniać lub zakłócać operacje produkcyjne.
Środowiska przemysłowe mają wiele wspólnych cech. Są brudne, zawierają instalacje i urządzenia generujące zaburzenia elektromagnetyczne. Znajdują się w nich obiekty będące przeszkodami lub zakłócające propagację fal radiowych. Wykorzystywanie w zakładach urządzeń bezprzewodowych klasy konsumenckiej nie sprawdzi się w dłuższym okresie czasu. Sprzęt musi być bowiem dostosowany do środowiska, w którym będzie pracował ? standardowe zasady projektowania sieci nie są zgodne z tymi dla sieci przemysłowych. Użyteczne są tu pomiary i testy wykonane na miejscu, jednak obecność zaburzeń elektromagnetycznych i poruszającego się sprzętu, dużych konstrukcji metalowych, a nawet obecność wody w procesie przemysłowym, będą miały duży wpływ na propagację sygnału radiowego.
Punkty dostępu bezprzewodowego w przemyśle
Instalacja przemysłowa wymaga większej ilości bezprzewodowych punktów dostępowych niż instalacja biurowa, ze względu na obecność licznych czynników zakłócających sygnał. Może również okazać się konieczne zastosowanie anten kierunkowych ze względu na topologię zakładu przemysłowego. Na przykład magazyny wymagają użycia anten kierunkowych do odpowiedniej propagacji fal o częstotliwości radiowej (RF) w wąskich przejściach między metalowymi półkami, głównie wypełnionymi metalami lub innymi materiałami, które pochłaniają fale radiowe.
Na hali fabrycznej znajduje się zwykle bardzo dużo silników elektrycznych i obiektów ruchomych, takich jak wózki widłowe i suwnice. Niektóre rodzaje sprzętu produkcyjnego wymagają płynnych chłodziw, tworzących opary, mgłę lub rozpryski, które mogą zakłócić propagację fal radiowych lub pokryć sprzęt bezprzewodowy smarem, olejem albo wodą. Niektóre procesy wymagają spawania łukiem elektrycznym, który generuje pola elektryczne i magnetyczne o dużym natężeniu i szerokim widmie częstotliwości, które mogą zakłócać wiele sygnałów radiowych.
Pierwszym parametrem do przeanalizowania jest środowisko pracy. Biorąc pod uwagę opisane powyższej trudne warunki przemysłowe, najbardziej oczywistym tematem jest obudowa sprzętu. Wybór właściwej obudowy, która chroni punkt dostępowy przed uszkodzeniem przez czynniki środowiskowe, to pierwszy i najbardziej podstawowy krok w projektowaniu sieci.
Dobór obudowy przemysłowej jest uproszczony dzięki systemom klasyfikacji NEMA lub IP. Jednak wymagane jest, aby specyficzny obszar, w którym ma być zainstalowany sprzęt, został sklasyfikowany przez dział techniczny danego zakładu przemysłowego. Uproszczone odgadywanie właściwej obudowy nie jest właściwym podejściem i doprowadzi do wczesnych i nieoczekiwanych awarii systemu. Każde środowisko przemysłowe jest inne i musi być ocenione indywidualnie.
Inną opcją jest umieszczenie sprzętu bezprzewodowego poza trudnym środowiskiem hali fabrycznej i zainstalowanie systemu anten rozproszonych (distributed antenna system ? DAS), aby zapewnić dotarcie fal radiowych do wymaganych obszarów. Jednak często jest to niepraktyczne i spowoduje znaczne zwiększenie kosztów instalacji. DAS wymaga dokładnego zrozumienia propagacji sygnału w tym systemie i działa, wykorzystując system okablowania oraz przeznaczonych dla anten kierunkowych rozdzielaczy sygnału (splitterów) lub sprzęgaczy sygnału, których zaprojektowanie może być zniechęcające.
Inną opcją jest pojedyncza antena obsługiwana przez jeden punkt dostępowy, jednak wymaga to użycia wielu punktów dostępowych w całym zakładzie i w każdym sterowanym procesie. Może to być dobrą opcją dla małych warsztatów mechanicznych, jednak dla dużych fabryk będzie problemem. System DAS jest ekonomiczny, ponieważ jeden nadajnik może obsługiwać wiele anten, ale należy starannie dobrać sprzęt, aby zapewnić odpowiednią moc dla tego systemu. Podstawowymi elementami tłumiącymi sygnał są: kable (szczególnie długie) i rozdzielacze kierunkowe, które ze względu na zasadę działania wprowadzają tłumienie kierunkowe.
Anteny są kluczowym czynnikiem w projektowaniu przemysłowej sieci bezprzewodowej. W środowisku biurowym proste anteny dipolowe, takie jak w domowym routerze bezprzewodowym, są wystarczające do zapewnienia propagacji w danym obszarze. Wykorzystując przykładowo jedno środowisko, takie jak magazyn, można się przekonać, gdzie wybór i umieszczenie odpowiedniej anteny ma kluczowe znaczenie dla niezawodnego działania sieci. Oprócz rozważań dotyczących przepustowości i pojemności sieci bezprzewodowej głównym czynnikiem do zbadania jest propagacja fal radiowych.
W magazynach są duże regały, długie korytarze i ruchomy sprzęt. Towary znajdujące się na półkach będą absorbować i odbijać fale radiowe w zależności od materiału. Na przykład rozlewnia wody mineralnej może mieć palety pełne butelek z wodą, przechowywane na metalowych półkach. Jest to najgorszy scenariusz, ponieważ woda w butelkach tłumi sygnał, natomiast metalowe półki go odbijają. Sprzęt ruchomy, taki jak wózki widłowe lub wózki wysokiego składowania, może mieć zainstalowane urządzenia bezprzewodowe. Jednak powszechnym problemem z odbiorem sygnału jest metalowa klatka chroniąca operatora. Metalowa klatka może poważnie osłabić fale radiowe, w tej sytuacji w celu uzyskania najlepszego sygnału zalecana jest antena zainstalowana na zewnątrz klatki. Punkty dostępowe przystosowane do pracy w trudnych warunkach przemysłowych są drogie, ale są zaprojektowane do użytku w takim środowisku i spełnią swoje zadanie.
Anteny kierunkowe występują w kilku konfiguracjach, a ich najważniejszymi parametrami są szerokość wiązki oraz zysk energetyczny. Szerokość wiązki określa kąt zawarty między kierunkami promieniowania w wiązce głównej, dla których natężenie promieniowania spada do poziomu ?3 dB na wykresie biegunowym. Na przykład szerokość wiązki anten typu Yagi jest niewielka, a jej charakterystyka promieniowania jest kierunkowa.
Zysk energetyczny anteny jest miarą mocy promieniowania w określonym kierunku dla danej częstotliwości, od tego parametru zależy zasięg anteny. Anteny kierunkowe są również wykorzystywane do omijania źródeł tłumienia lub zakłóceń sygnału, poprzez skupianie fal radiowych na określonym obszarze. Ponieważ parametry anteny są takie same dla nadawania i odbioru, to antena kierunkowa będzie również lepiej odbierać sygnał z obszaru, na jaki jest ustawiona i z założenia odrzuci zaburzenia elektromagnetyczne (EMI) pochodzące ze źródeł w otoczeniu nadajnika sygnału.
Oba czynniki można wykorzystać do doboru właściwej anteny do danej aplikacji. Na przykład czytniki kodów kreskowych wymagają stabilnego i ciągłego połączenia, aby prawidłowo przesyłać informacje o stanach magazynowych z powrotem na serwery zakładowe. Aby uniknąć problemów z przepustowością łączy, ogólną zasadą jest instalowanie anten kierunkowych na każdym końcu korytarza pomieszczenia (np. magazynu), aby zapewnić odpowiedni zasięg na całej długości korytarza i stopniowe dostosowywanie poziomów mocy, aby zapewnić dobrze określone charakterystyki propagacji bez powodowania zakłóceń. Jest to jednak nadmierne uproszczenie, ponieważ każdy zakład jest inny pod względem konfiguracji i wyposażenia.
Wpływ szumu elektrycznego na sygnał
W środowisku produkcyjnym głównymi źródłami zakłóceń dla propagowanego sygnału są: szum elektryczny oraz sprzęt ruchomy. Wykorzystywanie technologii bezprzewodowej do monitorowania i sterowania sprzętem jest myśleniem bardzo przyszłościowym, jednak destrukcyjnym w sensie społecznym. Całe zakłady przemysłowe mogą być bowiem obsługiwane bez udziału ludzi, tak jak ma to miejsce w przypadku technologii sieci przewodowych. Technologia bezprzewodowa zapewnia większą elastyczność w rozmieszczaniu sprzętu oraz niższe koszty wdrożenia.
Szum elektryczny, w zależności od wykorzystywanej częstotliwości, będzie miał większy lub mniejszy wpływ na zakłócenia sygnału. Przy wyższych częstotliwościach (GHz) zaburzenia elektromagnetyczne EMI będą miały pomijalny wpływ na sygnał, chyba że szum będzie pochodził z urządzeń generujących zaburzenia o szerokim paśmie częstotliwości, takich jak sprzęt wykorzystujący łuk elektryczny. Generuje on zaburzenia EMI o bardzo szerokim widmie.
Pasma o niższej częstotliwości (VHF i UHF) są bardziej podatne na szum generowany przez silniki elektryczne, elektromagnesy itp. oraz generowane harmoniczne. Ekranowanie takich źródeł zaburzeń to technika, która sprawdza się tylko w odosobnionych przypadkach. Na przykład pomieszczenie pełne spawarek łukowych lub napędów o zmiennej częstotliwości (VFD) może siać zakłóceniami w informatycznych sieciach przewodowych i bezprzewodowych, o ile nie zostanie zachowana odpowiednia separacja. Inne urządzenia, takie jak dławiki liniowe, mogą i będą sprzęgać się magnetycznie z kablami antenowymi oraz powodować rzeczywiste uszkodzenie sprzętu nadawczego. Należy więc skontaktować się z integratorem sieci bezprzewodowych, aby uzyskać informacje na temat, jak jego sprzęt radzi sobie z zaburzeniami elektromagnetycznymi i jakie są metody ich tłumienia.
Właściwe umieszczenie punktu dostępowego lub anteny, na przykład nad obszarem produkcyjnym, w którym znajduje się sterowany lub monitorowany sprzęt, skupi fale radiowe na tym obszarze. Takie umieszczenie pozwoli uniknąć zakłóceń wynikających z odbicia sygnałów od wózków widłowych lub innego sprzętu. Oczywiście umieszczenie punktu dostępowego (access point ? AP) w pobliżu urządzenia jest dobrym rozwiązaniem i pozwala uniknąć kosztów instalowania okablowania. W przypadku kluczowych procesów wokół obszaru technologicznego (lub źródła EMI) można umieścić klatkę Faradaya wraz z bezprzewodowym punktem dostępowym.
Dany obszar byłby elektromagnetycznie odizolowany od otaczającego obiektu, a łączność bezprzewodowa byłaby stabilna i ciągła. Jest to jednak kosztowna opcja i byłaby wykorzystywana tylko w kluczowych procesach i tam, gdzie konwencjonalne okablowanie sieciowe nie jest praktyczne.
Obawy dotyczące cyberbezpieczeństwa
Inspekcje zakładów przemysłowych, wykonywane przed zainstalowaniem sieci, są inne niż w przypadku budynków biurowych. W biurach celem jest zapewnienie pokrycia i wymaganej przepustowości sieci, przy jednoczesnym zidentyfikowaniu obszarów i źródeł tłumienia sygnału, takich jak betonowe szyby wind oraz kuchenki mikrofalowe. Nielegalne punkty dostępowe są również głównym powodem wykonywania badań pierwotnych i uzupełniających. Natomiast badania zakładu przemysłowego koncentrują się również na zasięgu i przepustowości, ale także na identyfikacji potencjalnych źródeł zaburzeń elektromagnetycznych, które mogą powodować zakłócenia sygnału oraz okresowe zakłócenia i odbicia sygnału od poruszającego się sprzętu. Ponadto należy zidentyfikować specyficzne dla procesów technologicznych i produkcyjnych materiały, płyny oraz ruchy wykorzystywanego sprzętu, aby właściwie zaprojektować sieć bezprzewodową.
Należy zadbać o oddzielenie przemysłowej sieci bezprzewodowej od sieci korporacyjnej. Cyberbezpieczeństwo i odpowiednia cyberhigiena to zasadnicze elementy całego projektu systemu. Zastosowanie solidnej zapory sieciowej do zapewnienia kontrolowanego dostępu pozwoli upoważnionemu personelowi na modernizację sprzętu lub instalowanie nowego oprogramowania w obrabiarkach albo skanerach.
System wykrywania włamań (intrusion detection system ? IDS), zintegrowany lub będący nakładką, jest dobrą inwestycją dla zakładu zautomatyzowanego lub wykorzystującego sieć informatyczną. Warstwy obrony oparte na szkoleniu personelu, doborze sprzętu i monitoringu sieci zapewnią odpowiednią ochronę zakładu przed atakiem. Nie zastępuje to jednak nadzoru i czujności.
Ponieważ technologia bezprzewodowa staje się bardziej niezawodna i niedroga, jej wykorzystywanie będzie coraz powszechniejsze. Wyeliminowanie okablowania daje ogromne możliwości: większa elastyczność, wydajność, lepsze wyniki finansowe ? to wszystko jest możliwe dzięki sieci bezprzewodowej. Maszyny lub sprzęt produkcyjny mogą być przesuwane bez obawy o uszkodzenie okablowania sieciowego i można je grupować w bardziej wydajny, oszczędzający miejsce sposób.
Solidna i stabilna sieć bezprzewodowa może być instalowana oraz eksploatowana w nieprzyjaznym środowisku, w oparciu o prawidłowo przeprowadzone badania obiektu i świadome decyzje projektowe. Korzystanie z usług przeszkolonego i certyfikowanego specjalisty od sieci bezprzewodowych jest niezbędne z punktu widzenia niezawodności i odpowiedzialności. Zakłócenie realizacji ważnego procesu przemysłowego może skutkować dużymi i nieoczekiwanymi wydatkami oraz stratami materialnymi. Poświęcenie czasu na dokładne zrozumienie środowiska przemysłowego i prawidłowy dobór urządzeń bezprzewodowych do tego środowiska to przepis na udane wdrożenie sieci bezprzewodowej.
Daniel E. Capano jest starszym kierownikiem projektu w firmie Gannett Fleming Engineers and Architects oraz członkiem rady Control Engineering Editorial Advisory Board. Redakcja tekstu: Chris Vavra, redaktor współpracujący, Control Engineering, CFE Media and Technology, cavra@cfemedia.com.