Wczoraj i dziś komunikacji bezprzewodowej

Pięć lat temu komunikacja bezprzewodowa wchodziła wielkimi krokami w świat przemysłu i wydawało się, że przełom technologiczny jest tuż za rogiem. Czy to marzenie się spełniło?
Kilka lat temu redakcja Control Engineering opublikowała artykuł „Trzy sposoby na bezprzewodową komunikację procesową”, w którym prezentowano strategie i topologie trzech współpracujących przedsiębiorstw, próbujących wdrożyć komunikację bezprzewodową w sterowanie procesem. Podstawowym założeniem było zastosowanie bezprzewodowego oprzyrządowania i dostosowanie pozostałych elementów systemu do jego wymagań.
Bezprzewodowa aparatura pomiarowa była stosowana znacznie wcześniej, głównie jako pojedyncze urządzenia point-to-point lub małe sieci. Dopiero około 2007 r. na rynku pojawiły się bardziej złożone systemy, dla których warto było tworzyć ogromne sieci. Rozpoczęto pracę nad standardami, które dawały nadzieję na interoperacyjność, a rosnąca liczba dostawców deklarowała przyjęcie tych standardów.
Co zmieniło się od tamtego czasu? Komunikacja bezprzewodowa na dobre zagościła w systemach pomiarowych, ale jej zalety sugerowały coś więcej. Wiele aplikacji bezprzewodowych musiało długo czekać, zanim udało się je wdrożyć. Mobilni pracownicy, podgląd na żywo, zdalny monitoring to przykłady zastosowań napędzających rozwój bezprzewodowej infrastruktury.
– W ciągu minionych trzech lat obserwowaliśmy zwiększone zainteresowanie adaptacją systemów raportowania, podglądu i analizy danych na potrzeby systemów bezprzewodowych – mówi Maryanne Steidinger, dyrektor marketingu ds. zaawansowanych aplikacji w Invensys Operations Management. – Platformy mogą pobierać informacje z baz systemów MES lub DCS i przedstawiać je w interaktywnym środowisku na ekranie urządzenia mobilnego. Trzy lub cztery lata temu nie spotykało się takich aplikacji, ale koszt samych urządzeń spada i stają się one powszechnie stosowane. Jeśli wrócimy do trzech współpracujących w tamtym czasie przedsiębiorstw, zobaczymy, że ich pomysły ewoluowały.
Rosnący zakres
W 2007 r. platforma Emerson Smart Wireless rozwijała się i zasięgiem obejmowała wyłącznie aparaturę kontrolno-pomiarową. To wciąż jej główny element, ale – tak jak przewidywał autor artykułu – przedsiębiorstwo rozwinęło się w kierunku większych systemów. – Większość rzeczy, które robimy zmierza w mniejszym lub większym stopniu do aparatury kontrolno-pomiarowej – mówi Bob Karschnia, wiceprezes działu komunikacji bezprzewodowej w Emerson Process Management. – Przyczyna jest prosta: jeśli pod koniec dnia chcesz dokonać zmiany w procesie, potrzebujesz do tego aparatury kontrolno-pomiarowej. Większość ludzi zaczyna w podobny sposób: „Mam mały problem i próbuję coś z tym zrobić”. Wiąże się to zwykle z odczytem może 20 wskaźników, które akurat tego dnia pokazują inną zmienną procesową. Aparatura kontrolno-pomiarowa jest więc rozbudowywana. Inni rozpoczynają, mając wizję: „Zamierzam pokryć siecią bezprzewodową całą fabrykę, a jeśli zajdzie taka potrzeba, będę dołączać do niej kolejne urządzenia”.
Pierwsze urządzenia bezprzewodowej aparatury kontrolno-pomiarowej zostały przedstawione w 2006 r. i były częścią programu Smart Wireless, ich koncepcję jednak zarzucono po przyjęciu standardu WirelessHART. Koncepcja Wireless-HART była podobna do oryginalnego podejścia firmy Emerson, ale HART chciał iść dalej. Emerson musiał dokonać wielu zmian, czas jednak pokazał, że była to właściwa decyzja. – Pierwsza generacja sytemu była na rynku od roku, gdy pojawił się standard – dodaje Bob Karschnia. – Sprzęt zgodny z WirelessHART zaczął pojawiać się w 2008 r. Do tego czasu mieliśmy już pewną liczbę wdrożeń,ale wielu klientów nie chciało zmieniać dobrze działającego systemu. Na WirelessHART przeszli dopiero przy okazji większej rozbudowy.
Chociaż Emerson rozpoczął od aparatury kontrolno-pomiarowej, nie skończył na niej. W 2007 r. rozpoczął współpracę z dostawcami komponentów infrastruktury sieci bezprzewodowych, takimi jak Cisco. Bob Karschnia podsumowuje: – WirelessHART stanowi pewien podzbiór rozwiązań bezprzewodowych, które oferujemy. Wykorzystujemy go do pomiarów, ale korzystamy również z 802.11 lub Wi-Fi do komunikacji z operatorem, transmisji wideo, śledzenia itp. Wszystko to ukryte jest pod szyldem Smart Wireless.
Rozwój wraz ze standardami
Honeywell od początku upatrywał w komunikacji bezprzewodowej czegoś więcej niż tylko nowego rozwiązania dla aparatury kontrolno-pomiarowej. Obecnie kontynuuje swoją strategię, polegającą na integracji wszystkich urządzeń bezprzewodowych w dużą infrastrukturę Wi-Fi, chociaż w ostatnich latach możliwości znacznie się zwiększyły. Mimo że standard ISA100 był jeszcze w fazie tworzenia, strategia pokryła się z nim. Podobnie jak w przypadku Emersona pierwsza generacja oprzyrządowania Honeywell sprzedawana z logiem OneWireless została wyparta przez ISA100.11a, klienci mieli jednak możliwość wyboru: modernizacja lub pozostanie przy obecnym systemie. Honeywell nadal rozbudowuje swoją ofertę bezprzewodowych urządzeń kontrolno-pomiarowych i tworzących infrastrukturę sieci.
– Rzeczywistość jest taka, że w komunikacji bezprzewodowej nie chodzi wyłącznie o komponenty kontrolno-pomiarowe – mówi dyrektor marketingu produktów bezprzewodowych Honeywell – Potrzebujesz ich, ale komunikacja bezprzewodowa to aplikacje korzystające z infrastruktury, umożliwiające zwiększanie wydajności przedsiębiorstwa, mobilności i efektywności pracowników. Wyobraź sobie pracownika działu utrzymania ruchu, który ma dostęp do dokumentacji i schematów z każdego miejsca w fabryce – urządzenia mogą być automatycznie odszukiwane i rozpoznawane. Takich aplikacji nie da się zrealizować bez komunikacji bezprzewodowej. Dzięki niej przedsiębiorcy uzyskują lepsze zarządzanie, większą efektywność i bezpieczeństwo.
Diederik Mols, kierownik rozwoju globalnego rynku urządzeń bezprzewodowych w Honeywell mówi, że to dopiero początek, a nowe aplikacje to kwestia wyobraźni. Istotną rolę odegrają względy demograficzne. – Nieograniczony dostęp do bezprzewodowego doradcy znacznie zwiększy efektywność operatorów – wyjaśnia Diederik Mols. – To system ekspercki, utworzony na podstawie wiedzy i doświadczeń wszystkich operatorów i inżynierów, który będzie udostępniany nowym operatorom. Jeśli dojrzysz gdzieś wyciek z zaworu, możesz odnaleźć go w dostępnej bezprzewodowo bazie, zobaczyć, jakie medium przesyła, co zrobić i czego nie robić, aby uniknąć niebezpieczeństwa. Za pośrednictwem bezprzewodowego urządzenia możesz też wygenerować alarm w sterowni, informujący o wycieku w danym zaworze. To pomoże ograniczyć liczbę niebezpiecznych sytuacji.
Nie tylko jeden cel
Chociaż w 2007 r. Apprion i Invensys próbowały współpracować, ostatecznie wybrały odmienne drogi.
Apprion kontynuował strategię dostarczania bezprzewodowej infrastruktury o dużej skali, która była w stanie spełnić wymagania każdego zakładu przemysłowego. – Nasza historia nie zmieniła się. Chociaż przedsiębiorstwo rozwija się, cały czas robimy to samo – mówi Sarah Prinster, wiceprezes marketingu w Apprion. – Pięć lat temu mieliśmy garstkę aplikacji, teraz mamy ich tony. Nieustannie wzbogacamy zestaw aplikacji, a jest to proste, gdy ma się nieskomplikowany system. Mając odpowiednią infrastrukturę, możesz łatwo dodawać kamery, dodatkowe czujniki i znaczniki RFID.
Apprion oferuje również usługę zarządzania siecią bezprzewodową, ale – jak wspomina Prinster – klienci nie byli do niej przekonani. – Pięć lat temu mieliśmy w ofercie tę usługę, ale klienci chcieli sami zarządzać własnymi sieciami. Dziś, w wyniku ograniczonej siły roboczej i większej złożoności sieci, klienci są szczęśliwi, gdy mogą oddać zarządzenie siecią w nasze ręce – mówi Sarah Prinster.
Invensys kontynuował swój program komunikacji bezprzewodowej, ale koncentrował się bardziej na rozwoju aplikacji i oprogramowania niż sprzętu. Do tej pory firma nie stworzyła ani jednego przyrządu bezprzewodowego i nic nie wskazuje, aby miała to zrobić. – Niższy koszt zapewniania łączności sprawił, że rynek bezprzewodowej aparatury kontrolno-pomiarowej wygląda tak jak dziś – mówi Hesh Kagan, starszy konsultant w Invensys Operations Management. – To jednak tylko część aktywności związanej z komunikacją bezprzewodową. Mobilność operatorów i inne rzeczy związane z gromadzeniem danych są z perspektywy biznesowej tym, co wzbudza emocje u większości ludzi.
Więc co z oprzyrządowaniem?
Chociaż inne aspekty komunikacji bezprzewodowej przyciągają użytkowników, aparatura kontrolno-pomiarowa jest wciąż przedmiotem wielu dyskusji. Najbardziej trafne jest pytanie: czy działa?
Odpowiedź brzmi tak, pod warunkiem że odpowiednio ją wykorzystujesz. W większości przypadków użytkownicy, a nawet projektanci oprzyrządowania są pozytywnie zaskoczeni ich kulturą pracy. Wally Pratt, główny inżynier HART Communication Foundation relacjonuje: – Bazując na jakościowych danych, które do mnie napływają, mogę powiedzieć, że oprzyrządowanie WirelessHART pracuje lepiej, niż się spodziewaliśmy. Instalujesz i po prostu działa. To bardzo satysfakcjonujące, mówiąc szczerze.
Dobrze to wiedzieć, ale niektórzy pewnie pomyślą, jakich problemów spodziewali się inżynierowie. Wally Pratt wyjaśnia: – Przestrzeń radiowa, szczególnie w pasmach ogólnodostępnych jest dość chaotyczna. Znajdziesz tam Wi-Fi, Bluetooth i sygnały z wielu innych źródeł. Mieliśmy pewne obawy, czy w tak zaszumionym otoczeniu nie będzie problemów z jakością komunikacji.
Karschnia mówi, że Emerson spodziewał się dużych kłopotów użytkowników przy uruchamianiu sieci bezprzewodowych. – Nasz zestaw startowy zawierał usługę Smart Start. Oferowaliśmy bezpośrednią pomoc technika przy pierwszych uruchomieniach – wyjaśnia Karschnia. – Okazało się, że w trzech czwartych przypadków użytkownicy rozwiązali problem, zanim przyjechał technik.
Odpowiednie wykorzystanie łączności bezprzewodowej jest wciąż ważnym kryterium. Charakterystyka pracy urządzeń bezprzewodowych może stanowić pewną niedogodność, szczególnie jeśli wykorzystuje się je do sterowania procesem. Wiedzą to inżynierowie projektujący sieci. Większość tych niedogodności można złagodzić lub całkowicie wyeliminować.
Pokrywające się standardy?
W 2007 r. zarówno HART, jak i ISA opracowywały standardy, które obowiązują do dziś. WirelessHART dotyczy aparatury kontrolno-pomiarowej, standard ISA100 jest znacznie szerszy, a oprzyrządowanie stanowi jeden z jego elementów.
Oba standardy poruszają kwestie skalowalności, niskiego zużycia energii, bezpieczeństwa, zdolności do pracy w starszych systemach i poprawnego działania w obecności innych urządzeń.
WirelessHART miał być prosty i zrozumiały. Z perspektywy użytkownika urządzenia bezprzewodowe powinny działać równie dobrze jak ich przewodowe odpowiedniki. Na tym etapie nie ma planów, aby rozszerzyć standard na sieci bezprzewodowe. – Nie wydaje mi się, żeby HART Foundation musiała opracowywać jakikolwiek wysoko poziomowy protokół dla Wi-Fi lub innej sieci – mówi Ron Helson, dyrektor naczelny HART Communication Foundation.
W tym samym czasie organizacja wprowadziła standard HART IP do przesyłu komunikatów HART przez Internet. – Kwestia roli i przydatność tej funkcji pozostaje otwarta – mówi Ron Helson. – Naszym pierwotnym celem było stworzenie interfejsu bazującego na technologii internetowej, umożliwiającego łączność zdalnych punktów I/O z systemami DCS i innymi aplikacjami.
Z kolei ISA próbuje stworzyć znacznie szerszy standard obejmujący zakresem całą fabrykę. ISA100.11a jest jego ważną częścią, ale nadal pozostaje tylko fragmentem. Andre Ristaino, dyrektor zarządzający ISA100 Compliance Institute wyjaśnia: – Komunikacja bezprzewodowa nie zostaje zdegradowana do wykorzystywania w przemysłowych urządzeniach polowych, takich jak czujniki ciśnienia, temperatury itd. Użytkownicy martwią się przede wszystkim dużą liczbą typów komunikacji bezprzewodowych wykorzystywanych w zakładzie. Chcą mieć wyraźny podgląd i sprawdzoną metodą konfiguracji oraz zarządzania sieciami, w których znajdują się urządzenia mobilne, kamery, czujniki przepływu materiału itd. Użytkownicy, eksperci i producenci zwrócili uwagę na ten fakt, dlatego stworzono ISA100 będący pewną rodziną standardów. Obecnie działania ISA100 koncentrują się na: nadawaniu typu backhaul (WG15), zarządzaniu wspólnymi sieciami (WG20), zarządzaniu energią (WG18), konwergencją (WG12) oraz śledzeniem ludzi i zasobów (WG21).
Obecnie lista urządzeń bezprzewodowych zarejestrowanych w którejkolwiek organizacji jest dość krótka. Liczbę dostawców oprzyrządowania procesowego można policzyć na palcach jednej ręki. Obie organizacje milczą na temat projektów i urządzeń będących w fazie zatwierdzania, ale obiecują, że katalog urządzeń szybko urośnie. Indywidualni dostawcy oprzyrządowania obierają różne strategie, nie mniej jednak opracowywanych jest już wiele nowych produktów.
Zbieżne ścieżki
Ewolucja w ciągu ostatnich lat utrudnia odnajdywanie różnic w strategiach poszczególnych firm. Komunikacja bezprzewodowa to coś więcej niż tylko aparatura kontrolno-pomiarowa, wszyscy gracze próbują więc znaleźć własny sposób na rozwójwraz z rozwojem techniki.
Peter Welander, menedżer ds. zawartości, Control Engineering
Opracował Łukasz Urbański, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
CE