Wybór sieci bezprzewodowej dla aplikacji przemysłowej wymaga przeanalizowania dostępnych protokołów, urządzeń oraz obecnych i przyszłych potrzeb użytkownika. Wspierają ten proces specjalne tabele porównawcze.
Czujniki bezprzewodowe są obecnie powszechnie używane tam, gdzie konieczny jest zdalny monitoring, w miejscach trudno dostępnych (także ze względu na ewentualny koszt instalacji i eksploatacji) lub w aplikacjach mobilnych. Podczas wyboru najlepszej metody łączności trzeba rozważyć wiele kompromisów technologicznych i ofert potencjalnych dostawców sprzętu. Warto też przejrzeć tabele dostępne online, umożliwiające porównanie poszczególnych rozwiązań według interesujących klienta kryteriów, specyficznych dla konkretnej aplikacji.
Przeszukując dane i informacje dostępne na stronach WWW, można znaleźć wiele specjalistycznych stron i publikacji zawierających szczegółowe porównania i analizy aspektów technicznych dotyczących przemysłowych, bezprzewodowych sieci sensorowych (IWSN ? Industrial Wireless Sensor Network), cennych zarówno dla użytkowników końcowych, jak i firm zajmujących się tą tematyką. Jednak wielu użytkowników końcowych nie ma odpowiednich zasobów ludzkich, by dokonać właściwej selekcji i często nie potrafi dobrze ocenić parametrów różnicujących poszczególne opcje.
Inżynierowie dokonujący wyboru zazwyczaj porównują podobne parametry. Oczywiście zdefiniowanie wagi poszczególnych czynników zależy od konkretnej aplikacji, jednak typowa lista zawiera takie kwestie, jak:
-> dostępność łącza,
-> bezpieczeństwo,
-> skalowalność,
-> łączność z pożądanymi urządzeniami,
-> ocena niebezpiecznego środowiska,
-> możliwości zasilania,
-> łatwość obsługi,
-> integracja z systemami sterowania,
-> ryzyko inwestycyjne,
-> czynniki specyficzne dla konkretnej lokalizacji.
Wybór sieci w dwóch krokach
Proces selekcji sieci IWSN powinien zawierać się w dwóch krokach: wyborze protokołu komunikacyjnego, a następnie wyborze dostawcy i konkretnych urządzeń. Protokół determinuje to, jak będzie pracować sieć, a wybór urządzeń zależy od specyfiki aplikacji. Oczywiście obie te rzeczy muszą ze sobą korespondować. Najlepszy byłby protokół spełniający wszystkie wymagania klienta co do organizacji sieci i jej niezawodności. Jeśli nie jest dostępny kompatybilny z nim sprzęt odpowiedni dla danej aplikacji, protokół taki nie może być wykorzystany.
Niektóre kryteria selekcji są niepodważalne i mogą wręcz zdyskwalifikować pewne rozwiązania. Przykładowo, jeśli środowisko zostało zidentyfikowane jako bardzo niebezpieczne i wymagane są w nim zabezpieczenia na poziomie IP67, wówczas urządzenia niespełniające tych wymagań należy ?z urzędu? wyeliminować ? albo przeznaczyć dodatkowe środki i miejsce na ich właściwe zabezpieczenie.
Niektórzy użytkownicy twierdzą, że od rozwiązań zastrzeżonych, firmowych, pochodzących z jednego źródła lepsze są te tworzone w oparciu o międzynarodowe standardy. Rzeczywiście, takie elementy, jak ryzyko chybionej inwestycji, niepewne zabezpieczenia, ograniczona skalowalność i dostępność urządzeń oferowanych przez wyłącznie jednego dostawcę mogą podważyć sens stosowania niezależnych rozwiązań dla przemysłowych, bezprzewodowych sieci sensorowych.
Zarówno technologie ISA100, jak i WirelessHART to standardy IEC. Zostały gruntownie sprawdzone pod kątem bezpieczeństwa i oferują dobrą dostępność urządzeń pochodzących od różnych producentów, co zmniejsza ryzyko nietrafionej inwestycji. Oba te standardy spełniają większość (o ile nie wszystkie) z wcześniej przytoczonych kryteriów, jednak istnieją pewne różnice, o których szerzej w dalszej części artykułu.
Elastyczność projektowa sieci IWSN
Sieci o topologii kratowej (albo siatki ? tzw. mesh) oferują wiele zalet, takich jak zdolność do autokonfiguracji, samodzielnej naprawy, rekonfiguracji czy zarządzania routingiem. Zapewniają także możliwość stworzenia wielu bram sieciowych, co poprawia redundancję i skalowalność. Zdolność tego typu sieci do autonomicznego administrowania zależy oczywiście od złożoności zastosowanych algorytmów.
Ścieżki komunikacyjne wymiany danych pomiędzy czujnikami są analizowane na bieżąco pod kątem jakości sygnału, tak aby uniknąć wielu prób nawiązywania połączenia, co może podwyższać ryzyko błędów w pakietach danych. W sieciach IWSN o odpowiedniej liczbie węzłów (czyli takich, które są w stanie zapewnić właściwą ilość połączeń) topologia jest zazwyczaj stabilna.
Sieci typu mesh, które polegają wyłącznie na ich zdolności do autokonfiguracji, mogą nie sprostać wymaganiom stawianym przez aplikacje typu monitoring czy sterowanie ze względu na niską tolerancję na długi czas opóźnienia oraz jego fluktuację (jitter). Niektóre z bezprzewodowych sieci kratowych pozwalają ustalić maksymalną liczbę skoków pomiędzy danym czujnikiem a węzłem nadrzędnym, ale korzystna jest także elastyczność w tworzeniu pożądanej struktury sieci.
Technologia WirelessHART współpracuje tylko z takimi topologiami sieci, w których wszystkie urządzenia bezprzewodowe funkcjonują jako czujnik z routerem. ISA100 umożliwia funkcjonowanie z trzema możliwymi konfiguracjami:
-> bezprzewodowych routerów,
-> czujników z routerami,
-> czujników bez funkcji routera, za to z możliwością wyboru wielu routerów lub bram sieciowych w celu rekonfiguracji w przypadku zakłóceń w sieci.
Przy wykorzystaniu technologii ISA100 możliwe jest użycie zarówno topologii siatki lub gwiazdy, jak też kombinacji obu tych konfiguracji.
Wydajność sieci bezprzewodowej
Elastyczność technologii ISA100 umożliwia projektantom zwiększenie dostępności sieci IWSN przez takie jej skonfigurowanie, by zapewnić odpowiednią jakość sygnału i spełnić wymagania co do opóźnienia nawet w gęstych sieciach, bez konieczności zwiększania liczby węzłów nadrzędnych (routery backbone w ISA100 lub bramy sieciowe WirelessHART).
Inną kwestią, jaką trzeba wziąć pod uwagę, jeśli chodzi o elastyczność projektu sieci, jest współpraca z urządzeniami o różnej szybkości i częstotliwości wysyłania danych. Niektóre czujniki dokonują pomiaru i komunikują się co 15 sekund, jak np. czujniki ciśnienia czy temperatury. Inne natomiast mierzą parametry rzadziej lub dokonują ciągłego transferu danych przez dłuższe okresy, np. czujniki drgań. Technologia ISA100 oferuje elastyczne przedziały czasowe, umożliwiając urządzeniom o różnej charakterystyce transmisji współpracę w obrębie jednej sieci, wydłużając czas życia baterii oraz zmniejszając obciążenie sieci.
Elastyczność topologii typu gwiazda lub kombinacji kraty i gwiazdy pozwala zastosować narzędzia do zarządzania zużyciem energii oraz czasem życia baterii. Czujniki o niskiej częstotliwości pomiarów mogą bardzo długo pracować na jednym zestawie baterii, ponieważ przez długi czas pozostają uśpione. W topologii siatki każde urządzenie funkcjonuje jako router i musi działać na żądanie, co powoduje, że zużywa energię niezależnie od tego, czy dokonuje pomiarów, czy też nie.
Przyszłościowe technologie sieciowe, IIoT
Zminimalizowanie ryzyka inwestycyjnego jest bardzo ważne w przypadku wszystkich głównych inwestycji, w tym także implementacji czy integracji bezprzewodowych sieci sensorycznych. Tylko niektóre inwestycje w automatykę procesową są jednak naprawdę przygotowane na nadchodzącą przyszłość i dotyczy to także technologii bezprzewodowych. Warto zwrócić uwagę na te, które mają szansę być kompatybilne i adaptowalne do nowych aplikacji, pojawiających się wraz z nowymi trendami, takimi jak np. Przemysłowy Internet Rzeczy. Rozwiązania oparte na otwartych standardach mają większą szansę na to, że nadal będą rozwijane i wspierane przez technologie IIoT niż zastrzeżone rozwiązania firmowe, pochodzące zwykle od jednego dostawcy. Jednak nawet standardowe protokoły stosowane w sieciach IWSN różnią się między sobą pod względem gotowości do dostosowywania się do wymagań przyszłości.
Jak wskazuje sama nazwa, WirelessHART jest komunikacją komendową typu master/slave poprzez sieć bezprzewodową. Dla odmiany ISA100 współpracuje z wieloma protokołami ? jest to komunikacja obiektowa i dopuszcza nawet inne popularne protokoły, takie jak HART czy Modbus.
Technologia ISA100 pozostaje także kompatybilnaz protokołem IPv6, adresując każde urządzenie w sieci. Natomiast sieć IWSN wykorzystująca protokół HART i zgodne z tym urządzenia na pewno nie będzie kompatybilna z rozwiązaniami IIoT, ponieważ są one oparte na adresach IP.
Autor: Kevin Zamzow jest menedżerem produktu w firmie Yokogawa Corporation.
Tekst pochodzi z nr 1/2017 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
