Technologia bezprzewodowa w aplikacjach automatycznego sterowania

Jeśli analiza możliwości wykorzystania technologii bezprzewodowej w aplikacjach sterowania zostanie dokonana na wczesnym etapie projektowania systemu, może to zapobiec niespodziankom podczas jego instalowania lub w trakcie eksploatacji.
W większości gałęzi przemysłu funkcje i systemy automatyki są powszechnie stosowane w aplikacjach procesowych. Wynika to z tego, że użytkownicy starają się maksymalizować wydajność procesów technologicznych i minimalizować koszty. W miarę rozwoju kolejnych generacji technologii inżynierowie różnych branż usiłują znaleźć nowe sposoby testowania i obszary wykorzystywania automatyki dla swoich celów.
W sterowaniu procesami produkcji automatyka stanowi element ułatwiający ich obsługę, a jej wpływ na funkcjonowanie takich procesów gwałtownie się zwiększa. W ostatniej dekadzie znaczący rozwój i poszerzenie się możliwych obszarów implementacyjnych zanotowała technologia komunikacji bezprzewodowej. Chociaż początkowo uważano, że niezbyt nadaje się do wykorzystania, zwłaszcza w przemysłowych układach sterowania, szybko dokonała się ewolucja – od aplikacji wykorzystujących tylko czujniki bezprzewodowe, do kompleksowych układów regulacji automatycznej.
System z komunikacją bezprzewodową może się stać integralną częścią systemu sterowania, bez względu na jego architekturę: scentralizowaną, rozproszoną czy w układzie zamkniętym. Jednak przed jego zastosowaniem należy w pełni zrozumieć, czym charakteryzują się poszczególne technologie i jak mogą wpływać na aplikacje sterowania.

Rozważania wstępne
Zanim zagłębimy się w projekt, który przewiduje i w efekcie zawiera wykorzystanie technologii bezprzewodowej w aplikacjach sterowania, trzeba poświęcić czas na przemyślenie przyszłych działań implementacyjnych – może to uchronić nas przed późniejszymi problemami. Podstawowe kwestie do przeanalizowania to: oczekiwania wobec sieci bezprzewodowej, przewidywane warianty i opcje jej wykorzystania oraz dokonany z rozwagą rzeczywisty wybór systemu bezprzewodowego.
Oczekiwania. Rozważając wykorzystanie systemu bezprzewodowego do aplikacji sterowania, trzeba zrozumieć, jakie są oczekiwania wobec sieci bezprzewodowej. Urządzenia, które ją tworzą, stają się coraz szybsze i bardziej niezawodne, ale wielu użytkowników spodziewa się po nich takiego funkcjonowania, jak w przypadku modułów przewodowych. W systemie bezprzewodowym zawsze będzie jednak istniał czynnik opóźnienia, którego nie ma w opcji przewodowej. Jest to fundamentalna kwestia do rozważenia podczas projektowania systemu automatyki. Zwykle te opóźnienia nie są zbyt duże, ale muszą być dobrze przedyskutowane przed wdrażaniem systemu. Gdy się o tym zapomni, mogą się pojawić trudności z jego uruchomieniem.
Producent urządzeń bezprzewodowych zwykle jest w stanie pomóc użytkownikowi i doradzić, czego należy się spodziewać w kwestii opóźnień transmitowanych sygnałów czy danych. Z kolei inżynier projektujący system musi określić, czy to opóźnienie będzie akceptowalne dla konkretnej aplikacji.
Warianty wykorzystania. Istnieją dwa zasadnicze warianty stosowania technologii bezprzewodowej w układach sterowania: kluczowe i stanowiące udogodnienie.
W przypadku aplikacji kluczowych łącze bezprzewodowe jest wykorzystywane do przesyłania istotnych danych procesowych w czasie rzeczywistym. Zwykle dane te są traktowane jako kluczowe, jeśli pozostają wrażliwe na upływ czasu. Gdy więc z jakiegokolwiek powodu łącze bezprzewodowe opóźnia przesył danych lub ulega uszkodzeniu, działanie kluczowej aplikacji zostaje zatrzymane.
Z aplikacją stanowiącą udogodnienie mamy do czynienia wtedy, gdy system bezprzewodowy wdraża się, aby pomóc w zwiększeniu wydajności procesu sterowania, ale dla samej aplikacji nie jest to kluczowe i konieczne. Przykładem są zdalnie programowane sterowniki logiczne (PLC) pracujące w sieci lub sterowniki, które kiedyś były monitorowane przez pracownika fizycznie dokonującego ich obchodu kilka razy dziennie, wykonującego odczyty i zapisującego wyniki. Zastosowanie systemu bezprzewodowego może wyeliminować taką potrzebę, ale jeśli łącze zostanie uszkodzone, to lokalne sterowanie nadal działa.
Wybór technologiibezprzewodowej. Dodając technologię bezprzewodową do jakiejś aplikacji, należy mieć świadomość, że nie ma uniwersalnej technologii, która pasowałaby do każdego zastosowania. Niektóre technologie mogą się nakładać w scenariuszach aplikacji, ale mają różne atrybuty, które pozwalają im się dobrze dopasować w danej sytuacji.
Do określania, która z technologii częstotliwości radiowej (Radio Frequency – RF) jest odpowiednia dla konkretnej aplikacji, służą trzy główne kryteria: środowisko, medium połączeniowe i przepustowość danych.
Podczas analizy środowiska należy rozważyć przeszkody oraz inne źródła RF w danym obszarze. Dobra reguła praktyczna mówi, że im niższa częstotliwość, tym mniejsze tłumienie fal radiowych w powietrzu. A zatem fale o stosunkowo niskiej częstotliwości mogą docierać dalej i lepiej penetrować przeszkody. Ponadto ich częstotliwość ma wpływ na przepustowość danych. Przy niższych częstotliwościach kanały wykorzystywane do przesyłania informacji są węższe. To z kolei obniża przepustowość danych mierzoną w kilobitach na sekundę (kbps).
Odwrotnie jest przy wyższych częstotliwościach. Kanały są szersze i pozwalają na przesył większej ilości danych – przepustowość zazwyczaj mierzona jest w megabitach na sekundę (Mbps). Jednak gdy odległość transmisji bezprzewodowej wzrasta, może być wymagane obniżenie częstotliwości roboczej. To z kolei zmniejsza przepustowość danych. Zmiana ta może wpłynąć na projekt systemu lub samą aplikację.
Ostatnią z kwestii jest medium transmisyjne pomiędzy urządzeniami systemowymi a modułem bezprzewodowym. To ważne, ponieważ nie wszystkie urządzenia bezprzewodowe obsługują wszystkie typy mediów transmisyjnych. Niektóre mają tylko dyskretne wejścia/wyjścia (I/O), podczas gdy inne są wyposażone w porty szeregowe lub ethernetowe, a niektóre dysponują kombinacją wszystkich wymienionych wcześniej. Przed wyborem urządzenia bezprzewodowego do konkretnej aplikacji ważne jest, aby sprawdzić, czy rozważane urządzenie ma właściwe typy złączy.
Przedstawione tu kryteria mogą pomóc użytkownikom w określeniu, czy technologia bezprzewodowa jest możliwa do wykorzystania w ich aplikacjach. Po przeanalizowaniu tych kwestii następnym krokiem staje się ustalenie, jak działa system sterowania. W praktyce instalacyjnej istnieją różne rodzaje jego architektury. Biorąc pod uwagę to kryterium, jedne technologie bezprzewodowe pasują lepiej do danej aplikacji, inne gorzej.
Jednak niezależnie od architektury systemu sterowania, zawsze pomiędzy modułami sieci musi istnieć jakieś medium do przesyłania danych. Historycznie patrząc, na krótkich odległościach stosowano różne kombinacje kabli i przewodów, poprowadzonych w korytkach i rurach osłonowych do scentralizowanego punktu sterowania. Na dłuższych dystansach, gdzie nie można było poprowadzić kabli i przewodów, wdrażano koncepcję tech-in-the-truck („technika w wózku”). Instalacja obu tych systemów sieciowych może być jednak bardzo czasochłonna i droga. Ceny przewodów i kabli rosną, a firmy dążą do tego, by procesy były coraz bardziej wydajne. Coraz częściej implementuje się więc kanały komunikacji bezprzewodowej. Dzięki niej firmy mogą redukować koszty, skracać czas instalacji i umieszczać urządzenia sieciowe w takich miejscach, w których było to przedtem niemożliwe.
<—newpage—>Architektury systemów sterowania
Pod względem organizacji architektury systemy sterowania dzielą się na trzy kategorie ogólne: rozproszone, scentralizowane i w układzie zamkniętym. W praktyce niektóre aplikacje systemowe mogą być dość złożone, włącznie z kombinacją wszystkich trzech kategorii.
Rozproszony system sterowania. Zgodnie z tym wzorcem moduły sterujące czy sterowniki PLC instaluje się w miejscu realizacji procesu albo w jego pobliżu. Łącze bezprzewodowe jest czasami wykorzystywane jedynie do wysyłania aktualizacji danych do lokalnego urządzenia sterującego. W ten sposób raportuje ono tylko co jakiś czas, a całe sterowanie realizowane jest poprzez lokalny system sterowania. Jeżeli istnieje jakieś opóźnienie czasowe odpowiedzi z systemu bezprzewodowego lub następuje okresowa przerwa w połączeniu bezprzewodowym, lokalny system może kontynuować realizację obsługiwanego przez siebie procesu i tylko wysyła aktualizacje danych, gdy łączność bezprzewodowa zostanie przywrócona. Jest to bardzo popularne zastosowanie komunikacji bezprzewodowej, ponieważ wykorzystując takie technologie jak FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum – metoda rozproszonego widma w systemach szerokopasmowych) na częstotliwości 900 MHz lub licencjonowane pasmo ultrawysokich częstotliwości, urządzenia pracujące razem w sieci mogą znajdować się w odległościach rzędu od kilkuset metrów do kilku kilometrów od siebie. Urządzenia wykorzystujące te technologie są produkowane do komunikacji na długich dystansach, przy mniejszej przepustowości danych, typowo podawanej w kbps. Są przeznaczone do pracy w trudnych warunkach, muszą więc mieć solidną konstrukcję i być niezawodne w działaniu, co pomaga rozwiązywać problemy związane z odległością i przeszkodami znajdującymi się na drodze rozchodzenia się fal. Ten typ łączności bezprzewodowej eliminuje potrzebę wysyłania pracownika w celu monitorowania nawet odległego urządzenia sterującego.
Scentralizowany system sterowania. System nazywany jest scentralizowanym, gdy istnieje jedno centralne urządzenie sterujące, takie jak sterownik PLC czy komputer PC, wysyłające polecenia do zdalnych urządzeń wykonawczych i w ten sposób sterujące ich działaniem. Urządzenia końcowe znajdują się zwykle w niewielkiej odległości od sterownika centralnego – od jednego do kilkuset metrów. Ta bliskość otwiera możliwości wykorzystania technologii komunikacji bezprzewodowej, ponieważ dostępnych jest wiele jej rodzajów przeznaczonych do pracy na krótkich odległościach. Niewielkie odległości pozwalają na pracę na wyższych częstotliwościach i uzyskanie większej przepustowości połączeń. Takie technologie, jak bezprzewodowa sieć lokalna (Wireless Local Area Network – WLAN lub Wi-Fi), Bluetooth i ZigBee, są tworzone do pracy właśnie na niewielkich odległościach i pozwalają na przesył większej ilości danych w jednostce czasu – przepustowość mierzona jest w Mbps.
Mając do dyspozycji większą przepustowość, można połączyć w sieć więcej urządzeń, bez konieczności układania przewodów, kabli i korytek oraz redukując koszty instalacji. Problemem w tym typie aplikacji jest wysoki stopień ich krytyczności. Ponieważ w konfiguracji scentralizowanej zwykle urządzenia końcowe nie mają wbudowanej żadnej „inteligencji” – mikrokontrolera z aplikacją czy algorytmem działania, to wymagają komunikacji w czasie rzeczywistym z systemem sterowania, aby odbierać polecenia i wysyłać odpowiedzi. Jeśli zaś z jakiegoś powodu łącze bezprzewodowe zostanie przerwane, może to spowodować zatrzymanie lub awarię systemu.
System sterowania w układzie zamkniętym. Zasadniczo, w sensie organizacjitopologii połączeń sieciowych, jest to mieszanina elementów architektury scentralizowanej i rozproszonej, ale z dodaną pętlą sprzężenia zwrotnego z czujnika, aby porównywać sygnał wysyłany z czujnika z tym, co odczytuje sterownik. Podobnie jak w scentralizowanym systemie sterowania, przesył sygnałów musi być niezawodny i odporny na zakłócenia – z powodu ilości i synchronizacji porównań wykonywanych w systemie sterowania.
Rozważmy np. użycie domowej suszarki do ubrań. Po nastawieniu jakiejś wartości temperatury suszenia odzieży urządzenie nagrzewa się do wstępnie skonfigurowanej nastawy i utrzymuje tę temperaturę przez cały okres, gdy jest włączone. W standardowym scentralizowanym systemie sterowania regulowana temperatura mogłaby być poprawna, ale wówczas nie znamy jej dokładnej wartości, ponieważ w suszarce nie ma żadnego elementu przesyłającego aktualną wartość temperatury panującej wewnątrz urządzenia. W systemie sterowania w układzie zamkniętym w suszarce znajduje się czujnik temperatury wewnętrznej urządzenia, który monitoruje aktualną jej wartość i wysyła ją do sterownika głównego, gdzie następuje jej porównanie z wartością zadaną i dokonanie korekty, jeśli to konieczne. Pozwala to na wykonywanie bardziej specyficznych i dokładnych pomiarów w systemie.
Przy dodawaniu urządzeń bezprzewodowych do systemu w układzie zamkniętym podstawowymi problemami są znaczenie i częstotliwość przekazu informacji, które zdalny czujnik musi odczytywać z głównego sterownika. W niektórych aplikacjach ta pętla sprzężenia zwrotnego jest kluczowa przy regulacji temperatury, przepływu i poziomu. Jeden brakujący pakiet danych może już wprowadzić znaczącą różnicę pomiędzy produktem dobrym a złym (fot. 1). W innych przypadkach, jeśli ta pętla sprzężenia zwrotnego nie jest pozyskiwana przez czas rzędu sekund lub minut, wcale nie wpłynie to na proces. Zależy on od będącej do dyspozycji aplikacji.
Dla wysoce kluczowych pętli sprzężenia zwrotnego, takich jak łącza w scentralizowanym systemie sterowania, najpopularniejsze są technologie WLAN, Blue-tooth i ZigBee, ze względu na oferowane przez nie wysokie przepustowości (fot. 2). Zależnie od tego, jak kluczowe są poszczególne pętle sprzężenia zwrotnego, każda pętla może wymagać swojego własnego połączenia bezprzewodowego ze sterownikiem – i wtedy może ona mieć przeznaczoną do tego specjalną ścieżkę.
Systemy sterowania w układzie zamkniętym bywają wykorzystywane także w aplikacjach na dużych odległościach. Pętle sprzężenia zwrotnego nie muszą znajdować się w bezpośredniej bliskości sterownika głównego, jednak trzeba sobie zdawać sprawę z tego, że czas potrzebny na komunikowanie się takiej pętli ze sterownikiem może być dłuższy (np. rzędu sekund zamiast milisekund). Jeśli jest to analizowane na etapach projektowania i kryteria te pozostają akceptowalne, nie ma powodu, aby nie wdrożyć takiego rozwiązania.
Zamiast podsumowania
Niegdyś większość aplikacji sterowania – jeśli nie wszystkie – wykorzystywała instalacje przewodowe. Ponieważ jednak technologia bezprzewodowa zyskuje coraz większą popularność i zwiększył się poziom jej niezawodności, wdraża się ją w coraz większej liczbie systemów sterowania (fot. 3). Dodanie jej do jakiejś aplikacji może pozwolić na oszczędności w kosztach oprzewodowania, konserwacji, koniecznych prac instalacyjnych i monitorowania ręcznego. Dla aplikacji fabrycznych, działających na krótkich odległościach, nowe technologie stają się coraz bardziej elastyczne, tak więc dodanie wielu łączy bezprzewodowych nie jest aż tak kosztowne jak kiedyś.
Czasami odległość pomiędzy modułami sieci może być mała, jednak doprowadzenie przewodów i kabli okazuje się fizycznie niemożliwe. Z kolei w innych przypadkach doprowadzenie przewodów i kabli technicznie jest wprawdzie możliwe, ale bardzo drogie – system bezprzewodowy staje się wówczas najlepszą opcją.
Rozważając wykorzystanie technologii bezprzewodowej w aplikacjach sterowania, ważne jest, aby zaprojektować jej włączenie do systemu odpowiednio wcześnie, tak by uniknąć niespodzianek w czasie instalowania lub w późniejszej eksploatacji czy ewentualnej rozbudowie. Należy się upewnić, że oczekiwania i wymagania aplikacyjne mają sens, a wybrany produkt może w rzeczywistości funkcjonować tak, jak chcemy. Przy dodawaniu urządzeń bezprzewodowych podczas modernizacji istniejącego systemu zaleca się uruchomić system bezprzewodowy na próbę, równolegle z istniejącym. Zapewnia to punkt odniesienia i możliwość porównania, pozwalając przewidzieć pracę systemu w przyszłości i określić, czy wybrano prawidłową opcję bezprzewodową.
Obecnie dostępnych jest wiele technologii do komunikacji bezprzewodowej. Jeśli mają mieć zastosowanie w rozpatrywanej przez nas aplikacji, wówczas skontaktowanie się z producentem i przedyskutowanie cech konkretnych aplikacji, wymagań technicznych oraz możliwych przeszkód zwiększy prawdopodobieństwo, że wdrożenie technologii bezprzewodowej okaże się skuteczne.
Autor: Justin Shade jest specjalistą ds. marketingu produktów bezprzewodowych w firmie Phoenix Contact.
Tekst pochodzi ze specjalnego wydania “Sterowanie Silniki & Napędy“. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.