W bezprzewodowych sieciach nie trzeba poszukiwać przerwanych kabli. Jeśli sieć jest zaprojektowana poprawnie, dane od nadawcy zawsze dotrą do adresata.
Bezprzewodowa przemysłowa sieć komunikacyjna to znacznie mniej problemów z przepływem informacji. Typowy proces poszukiwania problemu w tradycyjnych połączeniach kablowych to podążanie za linią. Wcześniej czy później napotka się wadliwe urządzenie lub poluzowane styki. W komunikacji bezprzewodowej nie ma przewodów, za którymi można podążać. To jest właśnie zaleta komunikacji bezprzewodowej. Jeśli sieć jest zaprojektowana poprawnie, dane od nadawcy zawsze dotrą do adresata, mimo że możliwych ścieżek komunikacji jest bardzo wiele.
Aby rozwiać wątpliwości co do korzystania z bezprzewodowych technologii, przygotowaliśmy artykuł, w którym omówiono zasadę działania sieci bezprzewodowych, komunikację z czujnikami oraz wymianę danych między różnymi urządzeniami. Będziemy przy tym bazować na przemysłowym standardzie ISA100.11a ogłoszonym w 2009 r.
Topologia bezprzewodowa
Tradycyjna bezprzewodowa sieć polowa składa się z bezprzewodowych urządzeń i menedżera połączeń. Urządzeniami sieci mogą być bezprzewodowe moduły I/O, adaptery sieci i routery wielowarstwowe. Urządzenia I/O oraz konwertery sieci mogą być skonfigurowane jako routery, które transmitują nie tylko swoje dane, ale również informacje otrzymane od innych urządzeń. Rozbudowane moduły I/O nie są nowością dla wielu inżynierów AKPiA (aparatury kontrolno–pomiarowej i automatyki), w przeciwieństwie do konwerterów sieci i routerów. Adapter sieci to urządzenie, które podłączone do tradycyjnego urządzenia pracującego w sieci kablowej zamienia je w urządzenie bezprzewodowe.
Obecnie adaptery sieci bezprzewodowych wykorzystuje się do przesyłania danych diagnostycznych z urządzeń HART, które w swojej kablowej sieci nie mają dedykowanego odbiornika HART. Wielowarstwowe przemysłowe routery to nowy typ urządzeń określony w standardzie ISA100.11a. Ich zadaniem jest kierowanie wysyłanych przez sieciowe urządzenia danych do menedżera sieci bezprzewodowej, który ma zwykle dwa interfejsy: interfejs ISA100.11a oraz interfejs wymiany danych ze światem zewnętrznym, którym najczęściej jest Ethernet zgodny ze standardem IEEE 802.11. Może to być również inny interfejs zgodny z wykorzystywanym w przedsiębiorstwie.
Zadaniem menedżera sieci bezprzewodowej jest zarządzanie jej zasobami, bezpieczeństwem i separacja od zewnętrznej sieci.
Menedżer systemu zarządza siecią, urządzeniami i komunikacją. Sieci ISA100.11a mogą składać się z wielu podsieci. Menedżer bezpieczeństwa generuje klucze i autoryzuje urządzenia. Umożliwia wymianę danych wyłącznie między autoryzowanymi urządzeniami. Funkcjonalność bramy pozwala odseparować sieć polową od reszty sieci przedsiębiorstwa. Brama może również tłumaczyć otrzymane z bezprzewodowych urządzeń dane na jeden z protokołów sieci polowych, którym są one przesyłane są do systemu gromadzenia danych.
Adresowanie urządzeń polowych
Polowa sieć ISA100.11a wykorzystuje protokół 6LoWPAN będący odmianą protokołu IPv6 dla bezprzewodowych sieci z urządzeniami o małych mocach obliczeniowych i nadawczych. Kiedy urządzenie zostaje rozpoznane jako zgodne z ISA100.11 i otrzymuje autoryzację, automatycznie przydzielany jest mu 128-bitowy adres IPv6 oraz krótki 16-bitowy adres podsieci danych. Oba adresy są przydzielane przez menedżera sieci. 128-bitowy adres jednoznacznie identyfikuje urządzenie w sieci ISA100.11a, 16-bitowy alias ma taką samą funkcję w podsieci ISA100.11a. 16-bitowy adres podsieci jest wykorzystywany wyłącznie w obrębie podsieci. Z zewnątrz urządzenie widziane jest jako 128-bitowy adres IPv6.
Komunikacja urządzeń
Wszystkie standardowe bezprzewodowe urządzenia sieci polowych (ISA100.11a lub WirelessHART) wykorzystują transceivery (nadajniki i odbiorniki) zgodne z IEEE 802.15.4-2006, pracujące z częstotliwością 2,4 GHz, z bezpośrednią modulacją nośnej za pomocą kodowej sekwencji, dzięki której uzyskuje się 16 kanałów (rys. 2).
Wszystkie standardowe urządzenia mogą nasłuchiwać komunikatów i wysyłać własne. Jeśli pasmo 2,4 GHz jest zajęte przez urządzenia (w tym komputery z Wi-Fi), jak urządzenia polowe komunikują się ze sobą bez konfliktów?
Skakanie po kanałach, szczeliny czasowe
Standard ISA100.11a wykorzystuje inteligentne algorytmy skakania po kanałach, jeśli napotyka zakłócenie albo dany kanał jest zajęty. Współistnienie innych systemów nadawczo-odbiorczych jest możliwe dzięki innemu widmu sygnałów. Te same algorytmy dbają o to, żeby nie korzystać z częstotliwości najmocniej zakłócanych.
Każde urządzenie, które skacze po kanałach, wykorzystuje inną szczelinę czasową. Szczelina czasowa to jeden niepowtarzalny okres o konfigurowalnym czasie trwania (od 10 do 15 ms). Czas ten jest przydzielany przez menedżera sieci natychmiast po rozpoznaniu urządzenia. Szczelina czasowa uprawnia urządzenie do nadawania, odbierania, oczekiwania i potwierdzania sygnałów.
Współistnienie strategii
Współistnienie wielu typów komunikacji bazujących na częstotliwości 2,4 GHz wymaga stosowania dodatkowych strategii. Oto niektóre z nich:
- Wykorzystanie wielowarstwowych routerów: Przesłanie danych do wysokiej jakości routera z jednym lub dwoma skokami zmniejsza wykorzystanie kanałów radiowych ISA100.11a, zwiększając jednocześnie pewność działania i ograniczając opóźnienia.
- Operacje w szczelinach czasowych: Operacje w szczelinach czasowych i z góry planowane transmisje minimalizują ilość kolizji i ponownych prób przesłania danych w ramach podsieci.
- Wybór transceiverów: Transceivery IEEE 802.15.4:2006 i WiFi mogą transmitować dane jednocześnie bez utraty danych.
- Swobodny cykl: Transmisja danych nie jest cykliczna, to zmniejsza obciążenie sieci.
- Transmisja staccato: Transmisje ISA100.11a są bardzo krótkie, dlatego w razie utraty pakietów sieci WiFi mogą szybko odzyskać dane.
- Dywersyfikacja czasu: Konfigurowalne okresy ponownej próby transmisji (mogące trwać setki milisekund) pozwalają innym sieciom zajmować pasmo dla zadań o wysokim priorytecie.
- Dywersyfikacja kanałów: Transmisje o swobodnym cyklu wykorzystują po części każdy z 16 kanałów, zmniejszając interferencje do 1%.
- Zarządzanie pasmem: Użytkownik może ograniczyć liczbę operacji na wybranych kanałach.
- Adaptacyjne skakanie po kanałach: System wykrywa problematyczne kanały i unika ich.
- Zapobieganie kolizjom: MAC 802.15.4 wspiera CSMA.
Routing, brak routingu
Urządzenia zgodne ze standardem ISA100.11a mogą mieć wbudowaną funkcję routera.
Tradycyjne urządzenia nie mają mechanizmów trasowania danych z innych urządzeń ? ich zadaniem jest przekazywanie wyłącznie swoich danych. To ogranicza zużycie energii i wydłuża czas pracy na bateriach. Wpływa to również pozytywnie na czas opóźnienia.
Urządzenia z wbudowanym routerem mogą trasować dane swoich sąsiadów. Moduł I/O może przesyłać stan nie tylko swoich wejść, ale również wejść innych modułów. Dzięki temu rozszerza się zakres sieci ISA100.11a.
Zarządzanie trasowaniem
Standard ISA100.11a opisuje dwa typy trasowania ? grafowy i źródłowy. Za trasowanie grafowe odpowiedzialny jest menedżer systemu, który wykorzystuje generowane przez urządzenia raporty jakości połączeń z sąsiadami. Menedżer systemu zbiera raporty i na ich podstawie podejmuje decyzje o trasowaniu, automatycznie konfigurując odpowiednie routery.
Trasowanie źródłowe odbywa się na poziomie urządzeń. To one określają trasę pakietu w podsieci. Każde następne urządzenie sprawdza trasę i określa, do którego sąsiada przesłać wiadomość.
Trasowanie grafowe jest jedną z najbardziej efektywnych metod zarządzania trasami.
Inteligentny menedżer sieci
Tradycyjne ?podążanie za linią? nie jest możliwe w sieciach bezprzewodowych. Inteligentny menedżer sieci może to jednak zrobić za ciebie. Bezprzewodowe standardy transmisji (w tym ISA100.11a) mają na uwadze medium komunikacji, jakim są fale elektromagnetyczne. Nowoczesne urządzenia bezprzewodowe mają wbudowaną inteligencję, potrzebną do komunikacji w zakłócanym środowisku radiowym.
Soroush Amidi jest menedżerem ds. komunikacji bezprzewodowej OneWireless Network w Honeywell Process Solutions.
CE