Jak zestroić urządzenia do komunikacji bezprzewodowej

Aby prawidłowo wykonać sieć komunikacji bezprzewodowej w zakładzie przemysłowym, należy przede wszystkim zastanowić się nad poprawną komunikacją między urządzeniami a elementami sterowania. W artykule zamieszczamy kilka podstawowych informacji pomocnych przy organizacji i rozplanowaniu topologii systemów bezprzewodowych.

Każdy, kto w ostatnich latach czytał nasze pismo, zauważył materiały dotyczące konfiguracji urządzeń z komunikacją bezprzewodową. Szczególny nacisk kładliśmy na kwestię integracji systemów w dużych zakładach przemysłowych. Podobnie jak to się ma z rynkowymi przepychankami pomiędzy systemami magistralowymi sieci typu fieldbus, również w tym przypadku pojawia się wiele pytań i kontrowersji. Pewne jest jedno: potencjalne możliwości sieci bezprzewodowych w zastosowaniach przemysłowych są niezaprzeczalne. Inżynierom, którzy zastanawiają się nad wyborem konkretnej technologii oraz typów urządzeń dla swojego zakładu, rynek oferuje wiele możliwości. Na potrzeby niniejszego artykułu ograniczono się tylko do urządzeń i elementów najczęściej stosowanych w systemach automatyki procesów technologicznych. Uzupełniamy je o obsługę pomocniczych elementów dyskretnych.

Podobnie, jak w przypadku systemów przewodowych, również w bezprzewodówce istnieje wiele metod pozyskania użytecznych sygnałów z rozproszonych urządzeń do nadrzędnego systemu sterowania. Największą różnicą w przypadku sieci bezprzewodowych jest fakt, że medium komunikacyjne ma charakter współdzielony. Co to oznacza w praktyce? Otóż w sieciach przewodowych zawsze istnieje możliwość dołączenia dodatkowej linii, a na niej jednego lub kilku urządzeń. W sieciach bezprzewodowych przy dołączaniu kolejnych elementów może okazać się, że przewidziane do ich komunikacji pasmo częstotliwości wyczerpie się. Można to porównać do sytuacji, gdy w klasycznych systemach przewodowych w korytku brakuje miejsca na położenie kolejnej linii kablowej. W sieciach bezprzewodowych może również pojawić się sytuacja, gdy sygnały komunikacyjne zaczną interferować między sobą lub z innymi falami elektromagnetycznymi bądź sygnałami radiowymi pojawiającymi w środowisku przemysłowym. Wówczas nie mamy gwarancji poprawnej i niezawodnej komunikacji w systemie sterowania. 

Wybór modułu komunikacji

Znakomita część nadajników / odbiorników ma wbudowane i zintegrowane anteny oraz moduły radiowe, stanowiące w zasadzie jeden z elementów elektronicznych urządzenia. O ile więc zainstalowanie modułów technologii komunikacji bezprzewodowej jest obecnie dość proste, o tyle wybór odpowiednich urządzeń do różnych zastosowań wciąż jest dość złożony. Większość producentów zdecydowała się na wprowadzenie modułów radiowych do prostych urządzeń i czujników. Stąd tak bogata oferta rynkowa w zakresie czujników ciśnienia i temperatury, a dość mizerna w przypadku bardziej skomplikowanych elementów, jak na przykład przepływo – mierze Coriolisa. Zwykle spowodowane jest to ich dość dużym zapotrzebo – waniem na energię, co powoduje szybkie zużywanie się baterii czy akumulatorków stosowanych jako źródła zasilania.

Wielu producentów oferuje moduły komunikacji bezprzewodowej, które mogą być dołączane do już istniejących i wykorzystywanych urządzeń, działających np. w technologii analogowej 4-20 mA czy cyfrowej (standardowe sygnały bitowe np. 5 VDC). W takich aplikacjach nadajnik / odbiornik zasilany jest zwykle oddzielnie: linią zewnętrzną lub bateriami. Dzięki temu w sposób praktycznie nieograniczony zwiększa się możliwość stosowania w systemie dowolnych urządzeń, pochodzących od różnych producentów. Wadą takiego rozwiązania jest konieczność dołączania dodatkowych urządzeń. Zależenie od potrzeb danej aplikacji może to wiązać się z mniejszymi lub większymi nakładami finansowymi.

Systemy z prostą architekturą point-to-point są wydajne, ale w bardziej skomplikowanych aplikacjach zaleca się stosowanie innych, bardziej efektywnych rozwiązań. W sieciach indywidualnych urządzeń ze wspólnym gateway?em moduły nie mogą komunikować się bezpośrednio pomiędzy sobą. Sieci z koncentratorami danych umożliwiają wysyłanie większych pakietów danych w jednym cyklu transmisyjnym. 

Opcje zasilania

Decyzja o zastosowaniu rozwiązań z komunikacją bezprzewodową wynika zazwyczaj z chęci lub konieczności wyeliminowania połączeń kablowych między urządzeniami. Czy jednak wszystkich? Montując czujnik temperatury, np. na obrotowym klinie, nie można zastosować połączeń przewodami. To oczywiste! Z drugiej zaś strony niejednokrotnie wystarcza jedynie usunięcie przewodów komunikacyjnych. Jeżeli urządzenie jest daleko od obsługującego je modułu We/Wy, ale blisko głównej linii zasilania, warto rozważyć takie rozwiązanie, głównie ze względu na ograniczoną żywotność baterii oraz możliwość zwiększenia mocy sygnałów radiowych generowanych przez dany moduł bezprzewodowy. Sygnały większej mocy zapewniają większą niezawodność i dają pewność połączenia. To jeden z głównych argumentów przemawiających za tym, by stosować zewnętrzne, przewodowe źródła zasilania modułów radiowych. Jest oczywiście kilka rozwiązań kwestii zasilania, jak chociażby użycie baterii słonecznych. Mogą być pomocne tam, gdzie jest ograniczony dostęp do linii zasilających, a zużycie energii przekracza możliwości zasilania urządzeń tylko i wyłącznie za pomocą konwencjonalnych baterii czy akumulatorów.

Protokoły komunikacyjne

Ze względu na skomplikowane procedury związane z tworzeniem nowych, specjalizowanych protokołów komunikacyjnych oraz tendencją do ujednolicenia standardów i zachowania otwartości systemów większość producentów urządzeń do sieci bezprzewodowych korzysta z protokołów komunikacyjnych ogólnie dostępnych na rynku. Z tego powodu proste elementy czujnikowe korzystają z takich technologii komunikacji, jak ZigBee czy Bluetooth. W komunikacji między modułami sterowania zazwyczaj stosuje się technologię Wi-Fi, rzadziej Bluetooth. Jednak to nie rodzaj protokołu powinien być pierwszym i decydującym kryterium wyboru urządzenia. Może okazać się na przykład, że czujniki ciśnienia korzystające z tej samej technologii komunikacyjnej ZigBee, a pochodzące od różnych producentów, nie będą w stanie współpracować ze sobą. W grę mogą bowiem wchodzić ograniczenia technologiczne samych urządzeń, nie zaś modułów komunikacyjnych. 

Funkcjonalność przewodowych sieci magistralowych typu Fieldbus można zwiększyć dzięki zastosowaniu technik komunikacji bezprzewodowej. 

Zważywszy na to, że większość dostępnych na rynku urządzeń bezprzewodowych została opracowana w ostatnich kilku latach, kwestie bezpieczeństwa i pewności transmisji są na bieżąco tworzone i udoskonalane. Stosowane w tym zakresie techniki i metody można w zasadzie podzielić na dwie grupy. W pierwszej sygnały zabezpieczane są fizycznie poprzez bezpieczne zasilanie urządzeń i stosowanie anten kierunkowych. Zapobiega to przede wszystkim nadmiernemu rozpraszaniu sygnałów w eterze, co może skutkować przekłamaniami, a także ryzykiem przechwycenia przez niepowołane osoby. Niestety, w wielu przypadkach kompleksowe zastosowanie tej metody nie jest możliwe, zwłaszcza w zbyt ?zatłoczonym? środowisku przemysłowym (a zwykle jest bardzo ?zatłoczone?).

W drugiej grupie stosuje się kodowanie danych i różne sposoby ich programowej weryfikacji. Dane są przesyłane w formacie, który nie może być odczytany na zewnątrz sieci. Dodatkowo wprowadza się samoautoryzację i weryfikację urządzeń przyłączonych do sieci i uzyskujących dostęp do danych w systemie. Platformy systemowe mogą mieć skomplikowane kody ID dla każdego urządzenia, tak by wykluczyć możliwość ?podsłuchu? transmisji przez nieautoryzowane odbiorniki. Zastosowanie odpowiednio skonfigurowanych zapór (tzw. firewalli) broni hakerom dostępu do danych w całym systemie sterowania i akwizycji danych.

Odświeżanie danych i ich organizacja

Urządzenia bezprzewodowe są zwykle konstruowane tak, aby wysłać / odebrać dane w określonym czasie. Klasyczne, analogowe systemy sterowania w technologii 4-20 mA, przesyłają informację w trybie ciągłym. Jednak w większości aplikacji przemysłowych nie jest to konieczne (z wyjątkiem niektórych krytycznych aplikacji sterowania napędami itp.). Dlatego w systemach bezprzewodowych dane mają postać cyfrową i wysyłane są w określonych interwałach czasowych ? co jedną sekundę, a w bardziej wymagających aplikacjach nawet szybciej. Z kolei w aplikacjach, takich jak okresowy monitoring, wysyłka odbywa się co godzinę bądź rzadziej. Oczywiście konieczność szybkiego odświeżania danych procesowych wiąże się zawsze z większym zużyciem energii ze względu na dużą aktywność modułu nadajnika / odbiornika. Należy unikać nadmiernego skracania interwałów czasowych między transmisjami do poziomów niższych niż konieczne dla prawidłowego działania aplikacji.

Niektóre platformy systemowe oferują funkcje alarmowe. Zadziałają, gdy urządzenie ulegnie awarii w okresie pomiędzy jedną a drugą wysyłką danych. Przydadzą się również, gdy dane nie zostaną wysłane, choć powinny ze względu na ustalony interwał czasowy. W takich systemach konieczne jest zainstalowanie dodatkowych czujników monitorujących stan urządzeń pomiędzy transmisjami. Tego typu funkcja na pierwszy rzut oka może wydawać się mało użyteczna, jednak to właśnie ona pozwala na wydłużenie okresów między transmisjami danych (mniejsze zużycie energii), przy jednoczesnym zachowaniu kontroli nad urządzeniami.

Większość urządzeń ma możliwość transmisji danych procesowych w postaci pojedynczych, krótkich komunikatów, które są niezwykle łatwe (i energooszczędne) do nadania i odbioru w technice radiowej. Jednakże urządzenia bardziej skomplikowane, jak np. moduły monitoringu wibracji przesyłające informacje w postaci fali sygnałowej, muszą dysponować znacznie dłuższymi okresami aktywności transmisyjnej. W niektórych aplikacjach nie stanowi to zbytniego problemu. Jednak w procesach, których działanie zależy od poprawnej transmisji dużej ilości skomplikowanych danych, kwestia ta powinna być wzięta pod uwagę w pierwszym rzędzie.

Architektura point-to-point

Najstarszą i zarazem najprostszą organizacyjnie jest architektura sieci, w której pojedyncze urządzenie, wyposażone we własny nadajnik radiowy, wysyła sygnały /dane do gatewaya (odbiornika), przyłączonego linią przewodową do systemu sterowania. W takiej sieci gatewaye mają możliwość jedynie odbierania sygnałów z nadajników. Koncepcja ta najlepiej sprawdza się w aplikacjach z niewielką liczbą urządzeń. Dobrze działa również tam, gdzie są one rozproszone na dość znacznym obszarze i wysyłają dane do wielu punktów odbiorczych czy węzłów We/Wy. Jednak praktyczna realizacja większych systemów z wykorzystaniem tego typu architektury jest dość kosztow na. Powodem jest znaczna ilość niezbędnego sprzętu i ryzyko interferencji pomiędzy równolegle działającymi układami.

O ile rozwiązania typu point-to-point, a także z koncentratorami danych sprawdzają się znakomicie w systemach obejmujących 5 do 10 urządzeń w jednym segmencie sieciowym, o tyle sieci mesh dedykowane są do zastosowań w aplikacjach, gdzie liczba urządzeń przekracza 100.

Przy większych instalacjach można zastosować koncepcję grupowania poszczególnych urządzeń sieciowych komunikujących się z jednym gatewayem. W takim przypadku każde urządzenie po kolei wysyła swoje dane do gatewaya, który sortuje i wysyła je do nadrzędnego systemu sterowania. Poszczególne urządzenia nie mają możliwości wymiany informacji bezpośrednio pomiędzy sobą. Każde z nich działa niejako w separacji, wysyłając do systemu tylko własne dane. Sieci z architekturą typu point-topoint są w zasadzie systemami firmowymi (zamkniętymi), choć mogą wykorzystywać standardowe, również komercyjne protokoły komunikacji. Pobieranie danych z urządzenia i ich obróbka w systemie sterowania wymagają zazwyczaj użycia specjalnego, dedykowanego oprogramowania. A to ogranicza możliwości wykorzystania ich na innych platformach systemowych.

Architektura z koncentratorami danych

W praktyce rzadko występują aplikacje systemowe z jednym lub dwoma, a nawet kilkoma urządzeniami. Zazwyczaj pewne grupy urządzeń instalowane są w pobliżu obsługiwanych maszyn lub zespołów maszyn, realizujących określony proces produkcji. Oczywiście można zastosować w takich przypadkach architekturę opisaną powyżej. Jednak znacznie korzystniejszym rozwiązaniem jest użycie koncentratorów danych, które zbierają sygnały / dane od urządzeń i wysyłają je do systemu nadrzędnego przez jeden nadajnik. Pozwala to na wyeliminowanie dodatkowych sygnałów transmisji radiowej w zatłoczonym paśmie transmisyjnym. Co więcej, koncentratory zazwyczaj mają zewnętrzne zasilanie. Dzięki temu mogą generować sygnał radiowy większej mocy, co poprawia niezawodność komunikacji nawet na większych odległościach. Mają one budowę modułową, podobną do sterowników PLC czy modułów We/Wy. Moduły nadajnika radiowego mogą mieć dołączane różne bloki, zależnie od liczby i typu obsługiwanych urządzeń systemowych. Jeżeli na przykład zbiornik ma własny przepływomierz, czujnik ciśnienia i poziomu, współpracujący z wyłącznikami alarmowymi poziomu i ciśnienia, można skonfigurować wejścia tak, by obsługiwały dane wielkości skalarnych, jak i bitowych.

Gatewaye mają możliwość separacji zmiennych dla systemu sterowania. Korzystają ze standardowych protokołów (np. Modus) do formowania ramek komunikatów i ich dystrybucji w systemie. Mogą również obsługiwać urządzenia komunikujące się w standardzie HART.

Bezprzewodowe sieci magistralowe typu Fieldbus

Zastosowanie technologii komunikacji bezprzewodowej w sieciach typu Fieldbus realizowane jest zazwyczaj jedną z dwóch metod. Pierwsza polega na zebraniu danych ze wszystkich urządzeń sieci (połączonych przewodami) w jednym hubie skanującym, który pełni zarazem funkcję koncentratora danych, a następnie przesłanie ich do modułu gatewaya, który przekazuje je do nadrzędnego systemu sterowania. W przypadku drugiej metody wykorzystuje się bezprzewodowe gatewaye z wbudowanymi modułami skanerów segmentowych, do których przyłączone mogą być urządzenia zarówno przewodami, jak i torami transmisji bezprzewodowej. Dobrym przykładem może być zbiornik z ruchomą pokrywą, na której zamontowany jest czujnik poziomu. W takiej aplikacji wszystkie czujniki mogą być dołączone do sieci przewodowo, a właśnie ten jeden torem bezprzewodowym. Dzięki temu dane ze wszystkich urządzeń obsługujących zbiornik mogą być zebrane w jednym gatewayu.

Sieci o strukturze siatkowej (mesh)

W dyskusjach pomiędzy specjalistami coraz częściej pojawia się kwestia rosnącej popularności i dostępności urządzeń mających zintegrowane moduły komunikacji radiowej. Mogą one wymieniać między sobą informacje i komunikować się z gateweyami przy zachowaniu transmisji danych w tzw. czasie rzeczywistym. W tej koncepcji tworzenia tzw. sieci siatkowych obowiązują dwie metodologie postępowania. 

Pierwsza bazuje na wykorzystaniu urządzeń zasilanych tylko bateryjnie. Wiodącym rozwiązaniem technologicznym w tym zakresie jest nowy protokół WirelessHART. W takiej sieci każde z urządzeń ma wbudo- wany moduł nadajnika / odbiornika i może komunikować się ze wszystkimi innymi urządzeniami w jego zasięgu oraz gateweyem. Urządzenia, które są zbytnio oddalone od gatewaya, mogą skorzystać z pośrednictwa innych urządzeń znajdujących się w zasięgu sygnału radiowego. Następnie dane przekazywane są kolejnym urządzeniom lub bezpośrednio do gatewaya. W ten sposób powstają tzw. ścieżki danych, umożliwiające jak najszybszą transmisję z urządzeń do gatewaya lub do innego urządzenia, w którym dane są wykorzystywane.

Chociaż ten sposób realizacji wprowadza pewne opóźnienia w transmisji danych, to jednak uzyskiwane czasy przejścia danych z urządzania do gatewaya są zwykle i tak krótsze od standardowych okresów raportowania. Po pewnym czasie działania sieci urządzenia składowe tworzą własną siatkę połączeń, pozwalając na szybką rekonfigurację w przypadku zmiany położenia jednego z nich bądź jego awarii. Komunikacja zostaje podtrzymana, a inne urządzenia mogą dodatkowo zgłosić fakt wystąpienia problemu i ułatwić jego lokalizację.

Tego typu topologia ma wiele zalet. Nie wymaga stosowania praktycznie żadnej dodatkowej infrastruktury sieciowej. Do konfiguracji połączeń urządzenia używają jedynie własnego oprogramowania. Po zoptymalizowaniu sieci znacznie spada pobór energii z baterii, które mogą z powodzeniem zapewnić działanie urządzeń nawet przez kilka lat. Z drugiej strony niski pobór energii wiąże się ze zmniejszeniem zasięgu urządzeń. Niezawodność komunikacji jest więc uzależniona od wszystkich małych modułów radiowych wspierających siebie nawzajem i niemogących skorzystać z żadnych dodatkowych nadajników zasilanych zewnętrznie. 

Sieci siatkowe z indywidualnymi urządzeniami zasilanymi bateryjnie wymagają mniej infrastruktury sieciowej, co wiąże się jednak z
pewnymi ograniczeniami dotyczącymi zasięgu, szybkości transmisji i pewności transmisji. W sieciach siatkowych z modułami węzłów pośredniczących pojawiają się dodatkowe elementy infrastruktury, jednak wzrasta szybkość transmisji, jej pewność oraz zmniejsza się zużycie energii z baterii. 

Węzeł daje moc

Drugą z dostępnych w tego typu sieciach metodologii jest zastosowanie ? poza urządzeniami z zasilaniem bateryjnym ? dodatkowych węzłów pośredniczących, które mają zewnętrzne zasilanie. W takiej sieci urządzenia komunikują się tylko z węzłami pośredniczącymi, nie zaś bezpośrednio między sobą. Z kolei węzły pośredniczące mogą wymieniać informacje między sobą oraz z gateweyami. Dodatkowo urządzenia indywidualne mogą komunikować się z kilkoma węzłami pośredniczącymi, co zapewnia redundancję torów transmisji danych. Chociaż ta metodologia wymaga większych nakładów na infrastrukturę, ma pewną przewagę nad poprzednio omawianą. Po pierwsze węzły pośredniczące generują znacznie silniejsze sygnały radiowe i w szerszym paśmie częstotliwości. W efekcie dane są transmitowane z odległych modułów do gateweya szybciej i z mniejszą liczbą retransmisji na ścieżce komunikacyjnej. Dzięki zwiększonej mocy komunikacja jest pewniejsza. Pojedyncze urządzenia sieciowe mogą częściej przechodzić w stan tzw. uśpienia, oszczędzając baterie. Muszą być aktywne tylko w momencie wykonywania transmisji swoich danych. Nie uczestniczą w cyklach transmisyjnych innych urządzeń. Dodatkowo ze względu na to, że węzły pośredniczące mogą odbierać sygnały z urządzeń przez cały czas, znacznie szybciej przekazywana jest informacja o ewentualnych awariach itp.

Oczywiście dołączanie wielu węzłów pośredniczących prowadzi do skomplikowania struktury sieci. Nawet jeśli nie zawsze potrzebują kabla transmisji danych, to na pewno konieczny jest kabel zasilający, co zwiększa ogólną liczbę przewodów w systemie. Przy zastosowaniu kabli danych węzły mogą pełnić również funkcję prostych gatewayów, zwiększając elastyczność sieci i możliwych ścieżek transmisji danych.

Właściwe rozpoznanie potrzeb

Sieci siatkowe opracowano z myślą o obsłudze większych aplikacji, o dużej liczbie urządzeń. O ile rozwiązania typu point-to-point, a także z koncentratorami danych sprawdzają się znakomicie w systemach obejmujących pięć do dziesięciu urządzeń w jednym segmencie sieciowym, o tyle sieci mesh dedykowane są do zastosowań w aplikacjach, gdzie liczba urządzeń przekracza sto. Dlatego tak istotny jest prawidłowy dobór architektury systemu sieciowego bezprzewodowego do konkretnej aplikacji.

Wybór dobrej platformy sieciowej z komunikacją bezprzewodową, podobnie jak wybór odpowiednich narzędzi czy urządzeń systemowych, zależy przede wszystkim od prawidłowego poznania i zrozumienia potrzeb automatyzowanego procesu. Lokalizacja urządzeń, ich dokładność, częstotliwość aktualizacji danych itp. powinny być przedmiotem szerokiej dyskusji. Dopiero wtedy, gdy wyłoni się jasny obraz wzajemnych zależności między tymi czynnikami oraz plan strategii działania systemu sieciowego, możliwy jest dobór optymalnego rozwiązania technicznego i architektury systemowej.

ce

Artykuł pod redakcją dra inż. Andrzeja Ożadowicza,
adiunkta w Katedrze Automatyki Napędu
i Urządzeń Przemysłowych Akademii
Górniczo-Hutniczej w Krakowie

Więcej wyobraźni

Marek Pieńkowski, dyrektor Emerson Process Management:

Technologia przemysłowej komunikacji bezprzewodowej osiągnęła zadowalający poziom pewności działania. Wielu inwestorów dopiero zapoznaje się z jej możliwościami lub wręcz nie wie o tej technice. Nie są do końca rozpoznane możliwości, jak i ograniczenia. Nieraz brakuje nam wyobraźni w poszukiwaniu ciekawych, wyjątkowych aplikacji. W chwili obecnej nie zalecamy stosowania tej technologii w pętlach regulacyjnych. To ograniczenie wydaje się istotne dla użytkowników, chociaż obwody regulacyjne stanowią tylko kilkanaście procent wszystkich pomiarów spotykanych na instalacji. Najistotniejszą przyczyną są kwestie zasilania. Moduł zasilający przy częstych próbkowaniach nie wystarczy na długo, a potrzebne jest działanie przez okres przynajmniej trzech lat. Bez problemu można spełnić ten warunek przy pomiarach dla celów monitoringu i sygnalizacji. Użytkownicy nie do końca rozpoznają korzyści wynikające z komunikacji bezprzewodowej, takie jak niskie koszty montażu i krótki czas rozruchu. Wszyscy mamy do czynienia z różnymi formami łączności, takimi jak: WiFi, Bluetooth, telefonia komórkowa. Dlatego wierzymy, że w nadchodzących latach ten sposób przekazu informacji w środowisku przemysłowym będzie rozwijać się dynamicznie. Szczególnie dostarczane przez naszą firmę samoorganizujace się sieci typu mesh , oferują pewność przekazania informacji zbliżoną do połączeń przewodowych. W chwili obecnej barierą jest raczej ludzka świadomość niż technika. Ale przypomnijmy sobie, co myśleliśmy jeszcze nie tak dawno o stosowaniu Ethernetu w przemyśle.