Przedstawiamy wskazówki na temat wyboru bezprzewodowej sieci czujników, która może spełnić wymagania dotyczące sterowania procesami technologicznymi, realizowanymi w przemyśle przetwórczym.
W 2009 r. NAMUR[1] opracowało serię zaleceń NAMUR NE124, które definiują wymagania dotyczące standardów technologii sieci bezprzewodowych, wykorzystywanych technologii i rozwiązań różnych producentów. Celem tych zaleceń było zapewnienie, że funkcje niezbędne dla zrównoważonego wykorzystania surowców będą praktyczne w przemyśle przetwórczym.
Prawdopodobnie najważniejszym wymaganiem dotyczącym sieci danych jest jej niezawodność. Chociaż w normie NAMUR NE124 nie wymieniono żadnej wartości liczbowej, to niezawodność sieci większa niż 99% jest konieczna, aby zapewnić dostępność danych w razie potrzeby. W przypadku większości technologii bezprzewodowych nie podaje się wartości współczynnika niezawodności ? prawdopodobnie dlatego, że jest on znacznie niższy niż 99%. Zakłady przemysłowe stanowią trudne środowisko dla sieci bezprzewodowych. Większość technologii bezprzewodowych sieci czujników (wireless sensor network, WSN) wykorzystuje topologię gwiazdy z protokołem komunikacyjnym punkt-punkt (PPP) i wymaga, aby brama sieciowa ?wyraźnie widziała? każdy z czujników. W typowym zakładzie przemysłowym jest to problematyczne, ponieważ wymaga zainstalowania większej liczby bram sieciowych, co zwiększa koszty. Niektóre technologie WSN wykorzystują topologię gwiazdy, ale z siecią szkieletową, tworząc wiele podsieci, z których każda posiada pośredniczący router szkieletowy. Sieć szkieletowa i zasilanie jej urządzeń mogą wymagać zainstalowania w strefie niebezpiecznej, co zwiększa złożoność i koszty projektu.
Częstotliwość odświeżania danych z czujników oraz różne technologie WSN
Czujniki bezprzewodowe są najczęściej stosowane w aplikacjach, w których czas nie odgrywa kluczowej roli, np. w celu wyeliminowania ręcznego zbierania danych. W takich zastosowaniach wystarczająca jest częstotliwość odświeżania danych wynosząca raz na minutę, godzinę lub nawet jeden dzień. W innych zastosowaniach może być wymagana częstotliwość odświeżania raz na sekundę. Wiele technologii sieci WSN obsługuje częstotliwości odświeżania danych, wynoszące raz na minutę lub niższe, co sprawia, że nie nadają się one do takich zastosowań.
Istnieją technologie WSN, które wyglądają na otwarte, licencjonowane dla kilku producentów, ale są własnością jednej firmy, a nie standardem IEEE lub IEC. Wykorzystywanie technologii zastrzeżonych zawsze wiąże się z ryzykiem. WirelessHART jest standardem międzynarodowym, opisanym w IEC 62591. Standaryzacja drastycznie zmniejsza ryzyko, dlatego inżynierowie zajmujący się oprzyrządowaniem i sterowaniem stosują normy IEC dla wszystkich urządzeń elektrycznych i elektronicznych, w tym wykorzystywanych w sieciach sieci WSN.
Użytkownicy muszą także monitorować autodiagnostykę czujników. Większość technologii WSN nie posiada wspólnego protokołu aplikacyjnego sieci dosyłowych (backhaul networks) dla konfigurowania czujników i przesyłania zaawansowanych danych diagnostycznych. W rezultacie czujników nie można zintegrować z istniejącym w zakładzie oprogramowaniem do inteligentnego zarządzania urządzeniami (intelligent device management, IDM). WirelessHART rozwiązuje ten problem za pomocą protokołu aplikacyjnego HART-IP przez sieć Ethernet. Protokół HART-IP jest wykorzystywany w sieciach dosyłowych do przesyłania danych konfiguracji czujników i zaawansowanych danych diagnostycznych do istniejącego w zakładzie oprogramowania IDM. Protokół HART-IP obsługuje język opisu urządzeń elektronicznych tworzących system automatyki (electronic device description language, EDDL) oraz technologię integracji urządzeń obiektowych (field device integration, FDI). Oznacza to, że wszystkie typy czujników WirelessHART mogą być zarządzane za pomocą tego samego oprogramowania, używanego do obsługi istniejących w zakładzie urządzeń przewodowych. Nawet oprogramowanie IDM, oparte na platformie do obsługi urządzeń obiektowych FDT/DTM (Field Device Tool/Device Type Manager), może być używane do zarządzania czujnikami WirelessHART.
Narzędzia przenośne
Kilka z istniejących technologii WSN nie obejmuje wspólnej metody konfiguracji i kalibracji na stanowisku testowym lub na obiektach. Nawet w przypadku tej samej technologii producenci stosują różne sposoby konfigurowania czujników. Zarządzanie różnorodnymi narzędziami przenośnymi w takim niejednorodnym środowisku powoduje opóźnienia. Nie jest wspierany bezpośredni interfejs dla przenośnego kalibratora. Niektórych czujników nie można skalibrować ani ?dostroić? w celu skorygowania długookresowego dryftu.
Aby osiągnąć pożądane ulepszenia operacyjne, czujniki i aplikacje bezprzewodowe nie mogą być odizolowanymi ?wyspami automatyki? i muszą być zintegrowane z istniejącymi systemami sterowania. Ponieważ wiele technologii WSN nie definiuje standardowego protokołu aplikacyjnego ze wspólnym formatem komunikatów lub typami danych, sieciowa brama bezprzewodowa nie konwertuje danych pomiarowych z czujników na Modbus lub OPC i nie może być łatwo zintegrowana z systemem sterowania. Utrudnia to użyteczne wykorzystanie tych danych. Niektóre rozwiązania WSN są przeznaczone dla jednego konkretnego przypadku użycia, co może skutkować powstaniem wielu systemów heterogenicznych z wieloma programami do monitorowania każdej aplikacji.
Niektóre technologie WSN przesyłają tylko dane pomiarowe i statusowe bez szczegółowej diagnostyki. WirelessHART może zapewnić zaawansowaną diagnostykę przekazywaną w trybie żądanie ? odpowiedź jako ?drugi kanał?, nierealizujący przesyłania danych w czasie rzeczywistym. Dzięki temu zaawansowana diagnostyka, np. analiza widma drgań, może być wykonywana centralnie.
Jonas Berge, starszy dyrektor ds. technologii stosowanych w firmie Emerson Automation Solutions.
[1] User Association of Automation Technology in Process Industries, międzynarodowe stowarzyszenie standaryzacyjne użytkowników technologii automatyzacji w przemyśle przetwórczym.