Czy bezprzewodowe technologie IoT tworzone z myślą o sieciach miejskich, budynkowych i prywatnych mogą się sprawdzić w aplikacjach przemysłowych? I jaką rolę odegra tu sieć 5G?
Przeprowadzając ewaluację danego rozwiązania technicznego, inżynierowie muszą stale dokonywać wyborów, np. zdecydować, czy w danej aplikacji lepiej sprawdzi się przepływomierz masowy Coriolisa czy jego ultradźwiękowy odpowiednik, czy lepiej zastosować komunikację przewodową czy bezprzewodową, a jeśli bezprzewodową ? jakiego protokołu transmisji danych użyć. Ta ostatnia decyzja jest szczególnie trudna ? zarówno ze względu na mnogość czynników, które należy wziąć pod uwagę, jak i szeroki asortyment dostępnych na rynku rozwiązań.
Gdyby zestawić ze sobą najpopularniejsze przemysłowe protokoły komunikacji bezprzewodowej, okaże się, że każdy z nich został zaprojektowany tak, aby równoważyć wpływy siedmiu, niekiedy wzajemnie wykluczających się parametrów. Należą do nich:
- zużycie energii: urządzenia bezprzewodowe wymagają zasilania; uzupełnianie ich o dodatkowe funkcje zwiększa ogólne zużycie energii, a tym samym skraca żywotność baterii;
- przepustowość: łatwiej zaprojektować i wdrożyć aplikację, która będzie przesyłać niewielkie ilości danych, np. jedną zmienną procesową; zwiększenie przepustowości powoduje wzrost zużycia energii;
- częstotliwość odświeżania: sprowadza się w gruncie rzeczy do tego, jak często urządzenie ma przesyłać dane ? raz na dzień czy np. sześć razy na minutę; wyższa częstotliwość odświeżania zwiększa całkowite zużycie energii proporcjonalnie do przepustowości łącza;
- zasięg: zwiększanie dystansu, na który przesyłane są dane, powoduje wzrost zużycia energii, jednak wydatek ten można ograniczyć, stosując odpowiednią antenę;
- dwukierunkowość: urządzenie, które jedynie transmituje dane, jest dużo łatwiejsze do zaprojektowania i zużywa mniej energii, ale nie ma wielu przydatnych funkcjonalności;
- niezawodność: w przypadku kluczowych danych konieczne jest zastosowanie mechanizmu weryfikacji transmisji z potwierdzeniem odbioru komunikatu lub metody ponawiania transferu do czasu, aż dane zostaną odebrane;
- bezpieczeństwo: dane mogą zostać odkodowane jedynie przez zdefiniowanego odbiorcę.
Działanie bezprzewodowych urządzeń przemysłowych utrudnia także ich stała lokalizacja. Komunikujące się ze sobą systemy nie mogą się bowiem poruszać, a więc także przemieścić się do innej części budynku, aby poprawić odbiór sygnału.
WirelessHART: między smartfonem a wodomierzem
Wyobraźmy sobie dwie skrajności ? smartfon oraz wodomierz. Pierwszy wyposażony jest we wszystkie możliwe funkcje: dwukierunkową komunikację, wsparcie wielu systemów transmisji, a także możliwość obsługi dużych zbiorów danych. Jednak jego niezawodność jest stosunkowo niska: połączenia się zrywają, a odbiór pliku przypomina grę w ruletkę ? może się udać lub nie. To użytkownik decyduje, czy spróbuje pobrać plik ponownie. Także żywotność baterii pozostawia wiele do życzenia.
Na drugim biegunie znajduje się wodomierz, który przesyła bardzo małe pakiety danych, typowo raz w miesiącu bądź rzadziej, dzięki czemu może pracować na jednej baterii przez ok. 10 lat. Nie ma funkcji dwukierunkowej komunikacji, więc jeśli przesyłane przez niego dane nie zostaną odebrane przez system, można je będzie pobrać ponownie w późniejszym terminie.
Aplikacje przemysłowe plasują się gdzieś pomiędzy tymi dwiema skrajnościami i dlatego powinny dysponować cechami obu z nich, umiejętnie je równoważąc.
Ponad 13 lat temu powstało rozwiązanie, które idealnie wpisuje się w tę koncepcję ? protokół bezprzewodowej transmisji danych WirelessHART (zaaprobowany przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną jako standard IEC 62591) do obsługi czujników, urządzeń wykonawczych i innych zaawansowanych peryferiów (rys. 1). Jego ogromna popularność wynika z tego, że w mistrzowski sposób równoważy wszystkie wady i zalety protokołów komunikacyjnych stosowanych w przemyśle.
WirelessHART jest bezpiecznym, wielofunkcyjnym, interoperacyjnym standardem bezprzewodowej wymiany danych, stworzonym z myślą o obsłudze procesów monitorowania i automatyzacji produkcji. Protokół przesyła dane z wykorzystaniem technologii radiowej w standardzie IEEE 802.15.4 z zapewnieniem determinizmu czasowego, a także wykorzystuje różne częstotliwości, czasy i ścieżki, aby zapewnić niezawodny transfer informacji przy bardzo niewielkim zużyciu energii. W efekcie urządzenia bazujące na protokole WirelessHART mogą pracować 10 lat na jednej baterii przy częstotliwości odświeżania rzędu 30 sekund, a dodatkowo niemal bez opóźnień obsługują komunikację ?w dół? ? i to bez skracania żywotności baterii. Co więcej, współpracują niemal ze wszystkimi przenośnymi urządzeniami peryferyjnymi, co umożliwia ich kalibrację i diagnostykę na miejscu.
Ich zasięg przestrzenny jest relatywnie mały, ale dzięki samoorganizującej się topologii siatki (mesh) komunikaty w sieciach WirelessHART mogą być przesyłane z jednego urządzenia na drugie, co znacznie zwiększa ów zasięg i pozwala obejść zakłócenia sieciowe. Skromny zasięg i niska przepustowość sieci mają zresztą ogromną zaletę: wydłużają żywotność baterii, i to nawet przy dużej częstotliwości odświeżania. Co więcej, w urządzeniach WirelessHART bateria może zasilać także czujnik, np. do pomiaru ciśnienia lub temperatury, który sam zużywa niewielkie ilości energii. A to umożliwia integrację dodatkowych przetworników w jednym urządzeniu ? i to bez konieczności doprowadzania okablowania. Każde urządzenie HART można dodatkowo w prosty sposób przekształcić w urządzenie WirelessHART, wyposażając je w odpowiedni adapter (rys. 2). Znacznie rozszerza to katalog urządzeń do monitorowania i analizy procesów obsługujących standard WirelessHART.
LoRaWAN: w topologii gwiazdy
Stworzenie od podstaw protokołu bezprzewodowej transmisji danych i przejście pełnej procedury jego zatwierdzenia jest długim i drogim przedsięwzięciem. Dlatego zanim wejdą na rynek przemysłowy, deweloperzy często sprawdzają użyteczność swoich rozwiązań w innych grupach docelowych i aplikacjach.
Niektóre zaawansowane urządzenia pomiarowe generujące duże zbiory danych do ich przesyłu wykorzystują przemysłową sieć Ethernet lub WiFi. Problem w tym, że taka komunikacja zużywa więcej energii niż są w stanie dostarczyć baterie owych urządzeń. Próby wykorzystania Internetu i jednego adresu IP do obsługi wielu czujników jak dotąd spełzły na niczym. Na popularności zyskują natomiast technologie wyrosłe na podwalinach Internetu Rzeczy (IoT), takie jak sieć LoRaWAN, uznawana za efektywny sposób łączenia czujników przemysłowych, budynkowych i domowych.
Jak wyjaśnia grupa LoRa Alliance, architektura sieci LoRaWAN bazuje na topologii gwiazdy, w której bramy przesyłają komunikaty między urządzeniami końcowymi a centralnym serwerem sieciowym. Bramy są połączone z serwerem za pośrednictwem standardowego połączenia IP i pełnią funkcję pomostu konwertującego pakiety danych radiowych na dane IP i odwrotnie. Zaletą komunikacji bezprzewodowej w sieci LoRa jest duży zasięg warstwy fizycznej, umożliwiający łączenie urządzeń końcowych z bramą lub bramami za pośrednictwem pojedynczego węzła sieci. Wszystkie moduły sieciowe dysponują funkcją dwukierunkowej komunikacji i obsługują adresy grupowe, dzięki czemu umożliwiają efektywne wykorzystanie pasma transmisji podczas realizacji takich zadań, jak aktualizacja oprogramowania online czy przesyłanie komunikatów masowych.
Na rynku pojawiło się kilka przemysłowych urządzeń LoRaWAN o zasięgu 1,5 km. Duży zasięg sprzyja jednak większemu zużyciu baterii. W efekcie jej żywotność nie przekracza tu 4 lat ? nawet przy częstotliwości odświeżania co godzinę. Niska częstotliwość odświeżania natomiast ogranicza zakres ich zastosowań do procesów monitorowania parametrów o bardzo małej zmienności.
Źródło: Emerson
Sieć 5G nie tylko na smartfonach
Na rynek przemysłowy powoli wchodzi także sieć 5G. Większość publicznych rozważań dotyczących 5G koncentruje się na tzw. udoskonalonym mobilnym dostępie szerokopasmowym (enhenced Mobile BroadBand ? eMBB), istotnym w przypadku smartfonów i tabletów, zwłaszcza zaś obsługi wirtualnej rzeczywistości i filmów w jakości ultraHD. Technologia eMBB umożliwia bowiem transfer danych z prędkością do 20 Gb/s przy 10 tysięcy razy większym natężeniu ruchu niż systemy oparte na sieci 4G. Jednak z punktu widzenia użytkowników przemysłowych ważniejsze wydają się dwie inne funkcjonalności oferowane przez sieci 5G:
- Niezawodna komunikacja o niskich opóźnieniach (Ultra Reliable Low Latency Communications ? URLLC), która z powodzeniem może obsługiwać kluczowe systemy wymagające bardzo małych opóźnień, takie jak pojazdy autonomiczne czy sterowanie maszyn. URLLC zapewnia opóźnienia poniżej 1 ms przy prędkości przesyłu danych do 10 Mb/s. Podobnie jak eMBB, bazuje na interfejsie radiowym 5G New Radio (5G NR).
- Masowa komunikacja typu maszynowego (Massive Machine Type Communications ? mMTC) obsługuje komunikację na linii maszyna-maszyna z prędkością do 100 kb/s. Zakres jej zastosowań obejmuje m.in. miejskie systemy pomiarowe i tzw. inteligentne miasta, a więc aplikacje niewymagające dużej częstotliwości przesyłu danych ani małych opóźnień.
Zdaniem wielu dostawców sprzętu i użytkowników końcowych w przyszłości protokoły przemysłowe, takie jak WirelessHART i 5G, powinny ze sobą współpracować. Taka koegzystencja mogłaby bowiem na trwałe odmienić przyszłość światowego przemysłu.
Andrew Cureton jest menedżerem ds. technologii powszechnego opomiarowania w firmie Emerson.
