Sieci bezprzewodowe w przemyśle

Cechą charakterystyczną przemysłowej komunikacji jest cykliczne przesyłanie stosunkowo niewielkich pakietów danych. Z drugiej strony urządzenia pracują w niesprzyjających, trudnych warunkach, gdzie możemy mieć do czynienia z wysoką temperaturą, pyłem czy wilgotnością. Dodatkowo procesy przemysłowe często trwają 24 godziny na dobę, siedem dni w tygodniu. Z tych powodów, kluczową kwestią staje się niezawodność komunikacji radiowej. Nawet najmniejsze zakłócenia i przerwy w transmisji danych mogą spowodować zatrzymanie produkcji i związane z tym olbrzymie straty.

Sterowane radiowo autonomiczne systemy transportu wewnątrzzakładowego i magazynowe wózki wahadłowe w znaczący sposób zwiększają możliwość wykorzystania środków produkcji, przez co staje się ona bardziej elastyczna i konkurencyjna. Podobnie, pracownicy korzystający z tabletów, terminali POS czy nawet zwykłych smartfonów do monitoringu, obsługi, sterowania oraz zdalnej konserwacji maszyn, przyczyniają się do zwiększenia produktywności całego zakładu, a ich praca jest znacznie bardziej efektywna, i to stosunkowo niewielkim kosztem poniesionym na wdrożenie systemu.

Spore korzyści niesie ze sobą również stosowanie bezprzewodowych przenośnych terminali HMI, umożliwiających operatorom nadzór nad poszczególnymi etapami procesów technologicznych z dowolnego miejsca w fabryce czy sterowanie maszynami. Tego typu rozwiązania oferuje m.in. polski producent wycinarek plazmowych i gazowych, firma Stigal. Wdrażając bezprzewodowy dostęp do sterowania maszynami, automatyką, robotami czy do sieci SCADA użytkownicy nie są zmuszeni do wchodzenia w strefę pracy maszyn, co bezpośrednio przekłada się na zwiększenie bezpieczeństwa pracy.

W aplikacjach procesowych i infrastrukturalnych dzięki przemysłowym systemom radiowym można, o czym już wspomniano, odbierać też dane z odległych stacji, czujników czy i urządzeń obiektowych, które w inny sposób nie mogłyby być aktualizowane na bieżąco. Warto też podkreślić, że przemysłowe systemy radiowe otwierają nowe możliwości elastycznych i efektywnych rozwiązań automatyki przemysłowej – to tylko niektóre główne zalety wdrożenia bezprzewodowej, przemysłowej komunikacji.

Rodzaje przemysłowej komunikacji radiowej

W praktyce przemysłowej, technologie radiowe są wykorzystywane począwszy od przesyłania prostych informacji o wskazaniach czujnika po budowę skomplikowanych sieci w standardzie radiowego Ethernetu z setkami podłączonych do niej urządzeń. Z tego powodu korzysta się z różnych technologii radiowych, z czego najpopularniejsze są Wireless LAN, Bluetooth, WirelessHART, RFID i komunikacja w systemach GSM 3G/4G. Oprócz tego dostępne są rozwiązania własne różnych producentów, takie jak np. Trusted Wireless 2.0 firmy Phoenix Contact.

Systemy GSM i RFID to specyficzne technologie, wykorzystywane w ściśle określonych zastosowaniach i sytuacjach, dlatego omówione zostaną pozostałe rozwiązania spotykane w przemyśle, zaczynając od dobrze znanej z akcesoriów komputerowych i telefonów komórkowych technologii Bluetooth.

Jak wiadomo, Bluetooth bazuje na międzynarodowym standardzie IEEE 802.15.1 i pracuje w dostępnym na całym świecie bez koncesji i pozwoleń paśmie 2,4 GHz. Standard ten nadaje się doskonale do przesyłania danych Ethernet i Profinet lub sygnałów I/O do ruchomych lub wirujących elementów maszyn. Co ważne, pozwala też nawiązać niezawodne i odporne na zakłócenia, również w trudnych warunkach przemysłowych, połączenie radiowe na odległość do ok. 10 m. Dlatego chętnie wykorzystywane jest w sieciach automatyki przemysłowej.

Swoją odporność na zakłócenia Bluetooth zawdzięcza temu, że transmisja danych odbywa się z wykorzystaniem metody rozpraszania widma FHSS, polegającej na zmianie kanału transmisyjnego po każdym przesłaniu danych. Przeskok ten odbywa się nawet 1600 razy na sekundę. Dzięki takiej redundancji obejmującej nawet 79 kanałów transmisyjnych Bluetooth wyróżnia się doskonałą odpornością na zakłócenia w zatłoczonym paśmie częstotliwości 2,4 GHz. Dzięki temu za pomocą technologii Bluetooth można realizować niezawodne połączenia radiowe, które wymagane są m.in. do komunikacji w systemach bezpieczeństwa takich jak PROFIsafe czy SafetyBridge.

Standard Bluetooth obejmuje też skuteczny mechanizm koegzystencji, Adaptive Frequency Hopping (AFH), który niezawodnie wykrywa m.in. kanały wykorzystywane przez WLAN o zajętości od 10% do 15% i automatycznie pomija pasma zajęte przez inne urządzenia. Bluetooth nadaje się szczególnie do małych, statycznych sieci bezprzewodowych o niewielu urządzeniach. Typowymi sieciami Bluetooth są proste aplikacje P2P lub niewielkie sieci o topologii gwiazdy z maksymalnie kilkoma, zwykle do siedmiu–dziesięciu, urządzeniami, które mogą nadawać jednocześnie – tym różnią się m.in. od sieci WLAN, gdzie może pracować duża liczba urządzeń, ale nadają one sekwencyjnie, jedno po drugim.

Obszary zastosowania w przemyśle bezprzewodowej technologii Bluetooth są bardzo zróżnicowane. Najczęściej wykorzystuje się ją w sterowaniu i konserwacji maszyn, gdzie wymagana jest pewna komunikacja na krótkim dystansie z wykorzystaniem protokołu Ethernet między inteligentnymi sterownikami, czujnikami i regulatorami napędów, które mogą być zamontowane na ruchomych elementach maszyn. W ten sposób eliminuje się konieczność stosowania przewodów ślizgowych. Bluetooth wykorzystuje się też do sczytywania danych z czujników na obszarach zatłoczonym pod względem radiowej komunikacji lub tam, gdzie występują duże zakłócenia elektromagnetyczne.

Technologia MIMO Technologia MIMO (Multipe Input Multiple Output) i jej nowsza odmiana MU-MIMO (Multi User MIMO), to system wykorzystujący możliwość jednoczesnego wysyłania i odbierania wielu strumieni danych, co tu odpowiada wielu wiązkom radiowym między parą komunikujących się ze sobą urządzeń bezprzewodowych. Technologia ta weszła do użytku w sieciach Wi-Fi w 2007 r., wraz z pojawieniem się na rynku standardu IEEE 802.11n. Korzystający z technologii MIMO punkt dostępowy dzieli przekazywaną informacje na kilka strumieni danych, których liczba odpowiada liczbie wykorzystywanych do nadawania anten. Strumienie te wysyłane są za pomocą kilku anten pracujących na tym samym kanale. Urządzenie odbierające przechwytuje wszystkie składowe wiązki, a następnie, na podstawie dodanych podczas nadawania odpowiednich sygnatur, łączy ze sobą dane w całość. Każda z używanych w technologii MIMO anten podłączona jest do innego, działającego równolegle nadajnika lub odbiornika i transmituje bądź odbiera sygnał o nieco przesuniętej względem siebie częstotliwości, ale wciąż mieszczącej się w szerokości kanału (w sieciach Wi-Fi szerokość kanału wynosi 20 MHz). Innymi słowy, zamiast jednej transmisji na kanale o szerokości 20 MHz można, korzystając z dwóch anten, czyli systemu oznaczanego jako 2 × 2, stosując dwie anteny odbiorcze, dwie nadawcze, nadać dwa sygnały w pasmach o szerokości 10 MHz. Mając do dyspozycji cztery anteny (system 4 × 4), można nadać cztery sygnały po 5 MHz każdy itd. Wprowadzona wraz ze standardem 802.11ac technologia MU-MIMO, wykorzystuje dodatkowo technikę formowania wiązki, tzw. beamforming. Dzięki temu wiązki sygnałowe kierowane są bezpośrednio do bezprzewodowego odbiornika, a nie jak miało to miejsce w MIMO, dookolnie we wszystkie możliwe strony. W ten sposób sygnał jest efektywniej dystrybuowany i jednocześnie z punktem dostępowym może komunikować się kilka urządzeń.

WirelessHART

Drugim z powszechnie stosowanych radiowych standardów przemysłowych jest WirelessHART, będący bezprzewodową odmianą protokołu komunikacyjnego sieci przemysłowych HART (Highway Addressable Remote Transducer). Standard WirelessHART został stworzony w 2007 r. przez HART Foundation, aby umożliwić użytkownikom efektywne wykorzystanie urządzeń obsługujących standard HART w wersji 7.

W 1986 r. firma Rosemount wprowadziła na rynek tzw. inteligentne przetworniki pomiarowe, które poza generowaniem prądowego sygnału pomiarowego 4–20 mA, komunikowały się przy pomocy protokołu HART. Protokół ten umożliwiał zmianę zakresu pomiarowego, nastaw i diagnostykę urządzeń. Obecnie wykorzystywany jest do komunikacji inteligentnych urządzeń pomiarowych w przemyśle przez praktycznie wszystkich producentów aparatury pomiarowej. Znajdziemy go między innymi w oczadzeniach takich firm jak: Emerson, Yokogawa, ABB, MSA czy Endress+Hauser. Jak twierdzi HART Foundation, w aplikacjach na całym świecie jest zainstalowanych obecnie ponad 30 milionów urządzeń obsługujących protokół HART. Pełne możliwości są jednak wykorzystywane w zaledwie 10% urządzeń. Transmisję radiową z użyciem protokołu WirelessHART w postaci modułów radiowych IEEE 802.15.4 z transceiverem radiowym 10 mW można stosować na całym świecie w dostępnym bez licencji paśmie częstotliwości 2,4 GHz.

Protokół WirelessHART obsługuje cztery górne warstwy modelu OSI i ma kilka istotnych cech dających mu przewagę nad innymi systemami radiowej wymiany danych o niskim poborze mocy. Przede wszystkim wymienić tu należy możliwość równoległej pracy urządzeń z jednoczesnym zarządzaniem dostępnymi kanałami radiowymi. Dodatkową zaletą jest implementacja w nim metod rozpraszania widma DSSS i FHSS, techniki CCA (Clear Channel Assessment) oraz stosowanie krótkich czasów transmisji i funkcji blacklisting, wykluczającej z użycia zajęte lub zakłócone kanały.

Jednak główną cechą protokołu WirelessHART jest zdolność do samodzielnego, w pełni automatycznego tworzenia i konfiguracji sieci typu mesh. Dzięki temu każde urządzenie może komunikować się w sieci korzystając z kilku różnych ścieżek/dróg komunikacji, co eliminuje w znaczący sposób wpływ zakłóceń zewnętrznych. Zasięg sieci WirelessHART na wolnej przestrzeni to ok. 250 m, a w przestrzeni zabudowanej, np. na hali produkcyjnej to z reguły od 50 m do 100 m.

Co ważne, urządzenia w sieciach mesh mogą automatycznie wykrywać inne urządzenia, mierzyć siłę sygnału radiowego oraz śledzić parametry transmisji niezbędne do synchronizacji i ewentualnej zmiany częstotliwości. W zależności od potrzeb urządzenia mogą samodzielnie nawiązywać lub przerywać połączenia z innymi urządzeniami. Sama sieć, jak i pracujące w niej koncentratory, które zarządzają jej pracą charakteryzują się własnym numerem ID, dzięki czemu kilka sieci WirelessHART może pracować obok siebie bez ryzyka niezamierzonej wymiany danych lub nieprawidłowego przesłania sygnałów.

Decydującą kwestią we właściwym zarządzaniu kanałami radiowymi i tworzeniu sieci mesh jest precyzyjna czasowa synchronizacja transmisji danych. Sieci WirelessHART wykorzystują tu metodę wielodostępu z podziałem czasowym TDMA (Time Division Multiple Access). W metodzie tej dla każdej określonej precyzyjnie czasowo operacji transmisji jest udostępniona 10-milisekundowa szczelina czasowa oraz jeden z 15 wykorzystywanych w standardzie kanałów.

W przypadku braku komunikacji urządzenia automatycznie przełączają się w tryb uśpienia, co pomaga oszczędzać energię. Bezpieczeństwo komunikacji gwarantuje 128-bitowe kodowanie AES, a także zaimplementowane w standardzie metody uwierzytelniania i zabezpieczania nienaruszalności danych. Podczas uwierzytelniania na podstawie adresów źródłowych pakietu sprawdzana jest ważność tożsamości nadajnika. Adresy te są zabezpieczone tzw. 32-bitowymi kodami MIC (Message Integrity Code), które stanowią gwarancję przesyłania informacji w niezmienionej formie.

Aby zwiększyć bezpieczeństwo, wszystkie urządzenia muszą, logując się do sieci, dokonać uwierzytelnienia. W tym celu urządzenia sieciowe wysyłają i publikują regularnie informacje sieciowe w postaci pakietów danych, tzw. beaconów. Aby nowe urządzenie mogło połączyć się z siecią, musi najpierw odebrać jeden z tego typu pakietów, a następnie przesyłać zapytanie (z danymi uwierzytelniającymi) o możliwość połączenia do nadrzędnego managera sieci WirelessHART, który najczęściej jest jednocześnie koncentratorem. Po przesłaniu danych urządzenie jest połączone z siecią i może być wykorzystywane do przesyłania i publikowania danych.

W sieciach WirelessHART są trzy typy urządzeń WirelessHART – bramki, urządzenia pomiarowe oraz adaptery. Pierwsze z nich pełni funkcję punktu dostępowego, managera sieci i, co oczywiste, bramki spinającej sieć WirelessHART z kontrolerem automatyki przemysłowej. Bezprzewodowe urządzenia pomiarowe składają się z części pomiarowo-monitorującej i modułu radiowego, zaś adaptery pozwalają zintegrować tradycyjne, przewodowe urządzenia HART z siecią WirelessHART. Adapter można też podłączyć do istniejącego okablowania 4–20 mA, aby odbierał przesyłany tamtędy sygnał i transmitował go drogą radiową. Urządzenia WirelessHART mogą być zasilane za pomocą paneli słonecznych, z sieci z baterii lub z pętli prądowej.

Niezależnie od zalet łączności Bluetooth oraz bezprzewodowej sieci urządzeń pomiarowych WirelessHART, największą elastycznością w zastosowaniach przemysłowych cechują się bezprzewodowe sieci WLAN. Ich popularność związana jest z wieloma czynnikami, jednak najważniejszym jest ogromna uniwersalność i kompatybilność z rozwiązaniami wykorzystywanymi w standardowych sieciach IT.

Bezprzewodowe sieci WLAN

Wireless Local Area Network, w skrócie WLAN, to lokalne sieci bezprzewodowe zgodne ze standardem IEEE 802.11, popularnie nazwanym siecią Wi-Fi, i co najważniejsze, kompatybilne z przewodową siecią Ethernet. Dzięki temu sieci WLAN „z definicji” zgodne są z sieciami wykorzystywanymi w systemach automatyki przemysłowej, które bazują na technologii Ethernet, takich jak PROFINET RT, EtherNet/IP, CANopen czy Modbus/TCP, dzięki czemu podłączenie do nich sieci Wi-Fi nie wymaga modyfikacji protokołu przesyłanych pakietów.

Innymi słowy Wireless LAN umożliwia łatwe bezprzewodowe zintegrowanie nowych urządzeń z istniejącym systemem automatyki przemysłowej i infrastrukturą IT działającą w firmie. Co więcej, możliwe jest też bezproblemowe podłączenie urządzeń do Internetu, co ma wręcz kluczowe znaczenie w wypadku Przemysłowego Internetu Rzeczy IIoT (Industrial Internet of Things) i Przemysłu 4.0.

Wireless LAN charakteryzują się również tym, że, podobnie jak Ethernet, umożliwia tworzenie dużych sieci z wieloma urządzeniami, jednak w przeciwieństwie do kablowej sieci Ethernet, ze względu na swój radiowy charakter, jest to medium, którym muszą podzielić się wszystkie urządzenia podłączone do sieci lub działające na tym samym paśmie częstotliwości. Im więcej urządzeń jest podłączonych do sieci, tym dłuższe są czasy oczekiwania i wolniejsza transmisja danych. Fakt ten należy uwzględnić przy projektowaniu systemu automatyki, który musi działać zawsze w czasie rzeczywistym.

Szczególnym atutem sieci WLAN jest mobilność urządzeń podłączonych do tej sieci. Urządzenia mogą poruszać się swobodnie na dużej powierzchni w zasięgu sieci Wireless LAN i automatycznie przełączać między punktami dostępowymi, wybierając najbliższy lub taki, który zapewnia w danej chwili najlepszy sygnał radiowy. Operacja ta jest nazywana roamingiem.

Zasięg sieci WLAN można w dowolnym momencie zwiększyć dodając do infrastruktury kolejne punkty dostępowe lub korzystając z anten o wyższym zysku energetycznym lub tam, gdzie jest to wymagane, zanten kierunkowych. Ważne jest też to, że w wielu wypadkach, ale tylko tam gdzie pozwala na to rzeczywiście aplikacja, można posłużyć się standardowym sprzętem IT, a nie tylko charakteryzującym się większą odpornością na warunki zewnętrzne, ale przez to znacznie droższym sprzętem spełniającym wymagania przemysłowe.

Zalety przemysłowej komunikacji radiowej Wysoka elastyczność dzięki prostej i niezawodnej komunikacji z mobilnym lub trudno dostępnym osprzętem do automatyki przemysłowej Dostęp do zasobów sieciowych z dowolnego miejsca upraszcza serwisowanie maszyn, redukuje koszty utrzymania i skraca czasy przestoju Monitorowanie i sterowanie oddalonymi stacjami bez konieczności doprowadzania przewodów Niższe koszty instalacji i utrzymania oraz możliwość prostej rozbudowy sieci w porównaniu z instalacjami kablowymi Wyższa jakość procesu i produktu dzięki dodatkowym informacjom źródło: Phoenix Contact

Standardy z rodziny IEEE 802.11

W sieciach WLAN wykorzystuje się rodzinę standardów IEEE 802.11, która ze względu na popularyzację w zastosowaniach IT, w tym zastosowaniach konsumenckich, jest najbardziej znanym na świecie standardem komunikacji bezprzewodowej wykorzystywanym w przemyśle. Przez ostatnich kilkanaście lat wyewoluowało wiele różnych odmian sieci Wi-Fi. Za certyfikację urządzeń i ich standaryzację odpowiada przemysłowe stowarzyszenie Wi-Fi Alliance, które w sprawach opracowywania odpowiednich norm ściśle współpracuje z międzynarodową organizacją IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers – Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników), która przygotowała zestaw standardów IEEE 802.11 definiujących różne typy i sposoby funkcjonowania bezprzewodowych sieci Wi-Fi.

Pierwszym powszechnie przyjętym standardem był 802.11b, potem weszły odpowiednio 802.11a, 802.11g, oraz 802.11n. Standard „g” dotyczył urządzeń pracujących w paśmie 2,4 GHz i pozwalał na przesyłanie danych z szybkością do 54 Mb/s. Obecnie najczęściej spotyka się sieci Wi-Fi w standardzie „n”, który również korzysta z pasma 2,4 GHz. Dzięki m.in. technologii MIMO można osiągnąć tu prędkość transmisji dochodzącą do 150 Mb/s lub 300 Mb/s. Ta ostatnia, w dużym uproszczeniu, jest dostępną wówczas, gdy urządzenia nadawcze i odbiorcze mają po dwie anteny zamiast jednej. W ten sposób uzyskuje się też prędkość rzędu 450 Mb/s czy 600 Mb/s stosując odpowiednio trzy lub cztery anteny, a więc, innymi słowy, używając trzech bądź czterech radiowych strumieni transmitujących dane.

Pierwszym standardem z rodziny 802.11, wykorzystującym pasmo 5 GHz był, praktycznie nieużywany w Europie, 802.11a. Obecnie starszy sprzęt zgodny z 802.11n zastępowany jest pracującymi jednocześnie na dwóch częstotliwościach, 2,4 GHz i 5 GHz, dwupasmowymi urządzeniami 802.11ac – standard ten ostatecznie zatwierdzony został w 2014 r., jednak dopiero w 2018 r., gdy cena urządzeń istotnie spadła, zaczął się on upowszechniać. Jak można się domyślić, pasmo 2,4 GHz pozostawiono w celu zachowania kompatybilności ze sprzętem 802.11n. Częstotliwość 5 GHz pozwala zaś na transmisję danych z bardzo dużą szybkością .

Urządzenia 802.11ac pozwalają na jednoczesne korzystanie z ośmiu kanałów w trybie MIMO, co gwarantuje teoretyczną, maksymalną prędkość transmisji na poziomie 3,5 Gb/s (po 433 Mb/s na kanał). Oczywiście, w rzeczywistych warunkach przemysłowych, podobnie jak i w innych, niższych standardach, nie da się uzyskać tak wysokiej teoretycznej prędkości maksymalnej, a jedynie ok. 50–60% prędkości teoretycznej.

Nadchodzi Wi-Fi 6

Najnowszym, wchodzącym dopiero na rynek standardem jest 802.11ax, który znany jest też jako Wi-Fi 6. Jest on, co prawda, bardzo zbliżony do standardu 802.11ac, ale zawiera kilka elementów, które w znaczący sposób poprawiają działanie zbudowanej na jego bazie bezprzewodowej, w tym przemysłowej sieci Wi-Fi. Wprowadzone ulepszenia pozwolą na osiągnięcie nominalnej przepustowości wynoszącej 10 Gb/s, co może mieć istotne znaczenie w wypadku kompleksowego wdrożenia w firmie procedur zgodnych z założeniami Przemysłu 4.0. Minimalna szybkość łącza przy wykorzystaniu jednego kanału radiowego wynosi tu 800 Mb/s. Co ważne, standard zapewnia niezakłóconą transmisję i bardziej niezawodną obsługę wielu połączeń w środowisku o dużej liczbie użytkowników. Wprowadzono też automatyzację połączeń i transmisji danych z urządzeniami IoT.

Nowa specyfikacja 802.11ax przewiduje wykorzystanie, podobnie jak w standardzie 802.11ac dwóch dostępnych publicznie pasm 2,4 GHz i 5 GHz, z tym, że do nawiązania szybkiej transmisji wykorzystywane będzie wyłącznie pasmo 5 GHz z szerokością kanału 80 MHz lub 160 MHz. W standardzie przewidziano również możliwość zmiany wykorzystywanych pasm podstawowych w zakresie od 1 GHz do 6 GHz, co pozwoli uniknąć zakłóceń, zwłaszcza w warunkach przemysłowych. Jednak trzeba pamiętać, że z opcji można korzystać tylko tam, gdzie pozwalają na to obowiązujące przepisy telekomunikacyjne.

Podobnie jak w przypadku 802.11ac, Wi-Fi 6 korzysta maksymalnie z ośmiu strumieni MIMO, jednak w odróżnieniu od poprzednika, wprowadzono tu mechanizmy dynamicznego łączenia, w trakcie transmisji, kanałów i dynamicznej fragmentacji danych – w standardzie „ac” oba procesy odbywają się jedynie w sposób statyczny. W ten sposób zwiększono szybkość i niezawodność transmisji. W operacjach tych pomocne są nowe, niedostępne w poprzednim standardzie zaawansowane technologie bezprzewodowe. Chodzi tu przede wszystkim o mechanizm STR (Simultaneous Transmit/Receive), technologię DSC (Dynamic Sensitivity Control), pomocną przy komunikacji z urzadzeniami IoT technikę HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) oraz dynamiczne CCA (Clear Channel Assessment).

Z punktu widzenia użytkownika, a zwłaszcza systemów automatyki przemysłowej, najistotniejsze jest to, że dzięki technologii SRT urządzenia mogą wysyłać i odbierać dane na tym samym kanale w tym samym czasie, co do tej pory nie było możliwe. Z kolei dynamiczne CCA odpowiada za wykrywanie innych sygnałów zgodnych ze specyfikacjami 802.11 i dynamicznie reaguje, podobnie jak sieć WirelessHART, na ruch w sieci tak, aby zapewnić zawsze poprawną transmisję. We wcześniejszych systemach Wi-Fi wykorzystywany był jedynie statyczny system CCA, który pozwalał tylko minimalizować liczbę kolizji pakietów, ale im nie zapobiegał. W zatłoczonym eterze pakiety musiały więc być wysyłane powtórnie, co spowalniało transmisję.

Antena Jednym z często niedocenianych elementów, który decyduje o zasięgu i stabilności sygnału radiowego jest antena. Współczesne bezprzewodowe routery i punkty dostępowe zgodne ze specyfikacją 802.11ac korzystają z dwóch, trzech lub czterech dwupolaryzacyjnych, dwupasmowych (2,4 i 5 GHz) anten pracujących w konfiguracji 2 × 2, 3 × 3 lub 4 × 4. Taki układ pozwala na jednoczesne nadawanie i odbiór danych. Oczywiście, dostępne są modele z sześcioma czy ośmioma dwupasmowymi antenami , które pozwalają uzyskać lepszą sumaryczną prędkość transmisji oraz lepszy zasięg, ale są też znacznie droższe. Jeśli chodzi o samą antenę, to mogą być one usytuowane zarówno na zewnątrz urządzenia jak i w jego wnętrzu, co ma znaczenie w wypadku urządzeń przemysłowych, które muszą stanowić zwartą całość. na płytce drukowanej. Każda antena, niezależnie od tego, czy jest to antena zewnętrzna, czy wewnętrzna, podłączona jest do swojego własnego wzmacniacza antenowego, nazywanego też wzmacniaczem RF (RF Amplifier). Moduł ten bezpośrednio wzmacnia sygnał radiowy, który wysyłany jest do anteny lub z niej odbierany. Przygotowaniem nadawanego sygnału i jego modulacją zajmuje się natomiast układ nadawczo-odbiorczy (transceiver). Oczywiście, w wypadku, gdy sygnał radiowy jest odbierany, wówczas ten dwufunkcyjny moduł odpowiada za „rozkodowanie” przysłanych informacji. W urządzeniach przemysłowych stosuje się dwa rodzaje anten – anteny dookolne i anteny kierunkowe. Standardowo wykorzystywane są anteny dookólne, które pozwalają komunikować się z urządzeniami WLAN, które znajdują się w różnych miejscach względem punktu dostępowego/routera lub są ruchome. Jednak ze względu na niewielki zysk kierunkowy, anteny te nadają się do krótkich i średnich dystansów. Wewnątrz pomieszczeń, gdzie występują odbicia, w razie braku widoczności sygnał może dotrzeć z nadajnika do odbiornika po odbiciu się od przeszkody. Anteny dookólnej nie należy zatem montować bezpośrednio tuż obok odbijających fale, metalicznych powierzchni, gdyż zmniejszy to zasięg i niezawodność działania sieci Wi-Fi. Idealnym miejscem na montaż jest szczyt masztu lub szafa sterownicza tak, aby antena miała możliwie jak najwięcej przestrzeni do propagacji fal radiowych we wszystkich kierunkach. Anteny kierunkowe stosuje się do komunikacji na dużych dystansach przy niezakłóconej widoczności – np. do komunikacji z rozmieszczonymi na otwartym terenie czujnikami. Anteny kierunkowe emitują moc nadawczą w wybranym przez nas kierunku. Zwiększa to zasięg i zmniejsza prawdopodobieństwo zakłóceń powodowanych przez inne urządzenia działające poza obszarem propagacji fal radiowych. Warto pamiętać, że im większy uzysk anteny kierunkowej, tym mniejszy obszar promieniowania (kąt otwarcia). Wymaga to bardzo precyzyjnego ustawienia anten.

Systemy bezprzewodowe przyszłości

Oczywiście standard 802.11ax, to nie jedyne rozwiązanie technologiczne, nad którym pracują inżynierowie i firmy zrzeszone w organizacji IEEE. Obecnie trwa certyfikacja urządzeń, które kompatybilne ze standardem Wi-Fi WGig 802.11ad. WiGig to skrót od zrzeszenia producentów Wireless Gigabit Alliance, którzy rozpoczęli pracę nad tą technologią, a obecnie rozwiązanie to włączone zostało do specyfikacji IEEE. Technologia WiGig korzysta z milimetrowego pasma 60 GHz i pozwala na transmisję danych z szybkością dochodząca do 7 Gb/s.

Trzeba jednak pamiętać, że fale radiowe w paśmie milimetrowym mają odmienną propagację niż w paśmie 5 GHz, to dlatego technologia WiGig pozwala na ustanowienie bezprzewodowego połączenia na dystansie zaledwie do 10 m. Standard ten świetnie radził sobie w dużych, mało zastawionych pomieszczeniach, a wśród głównych jego zastosowań wymienia się transmisję danych między drobnymi urządzeniami IIoT.

Inną technologią, na którą warto zwrócić uwagę z punktu widzenia systemów automatyki, jest zatwierdzona w grudniu 2016 r. specyfikacja 802.11ah, która obejmuje łączność Wi-Fi w paśmie 900 MHz. Pozwala ona na bardzo dobrą, niezakłóconą komunikację przez mury czy inne przeszkody, ale jest stosunkowo wolna. Maksymalna określona w specyfikacji prędkość to 347 Mb/s, dlatego też uważa się, że jest to alternatywa przede wszystkim dla energooszczędnego standardu Bluetooth, która pozwoli osiągnąć jednak znacznie większe zasięgi łączności, które nieograniczone są przeszkodami takimi jak mury czy meble. Jak można się domyślić, najważniejszym przewidywanym zastosowaniem standardu 802.11ah to komunikacja z urządzeniami automatyki przemysłowej, automatyki domowej, różnego rodzaju sensorami, a także do łączności M2M (machine-to-machine).

Bezpieczeństwo sieci Wi-Fi Sieci Wi-Fi, to sieci bezprzewodowe, w których do przesyłania danych wykorzystuje się fale radiowe. Zjawiska fizyczne związane z dookólnym, otwartym rozchodzeniem się fal radiowych wymuszają stosowanie specyficznych zasad postępowania i algorytmów bezpieczeństwa związanych z prowadzoną w ten sposób bezprzewodową transmisją danych. W przeciwnym razie, można nie tylko podsłuchać transmitowane dane, ale łatwo włamać się do przemysłowej sieci Wi-Fi. Warto dodać, że sieć Wi-Fi może zostać skonfigurowana bez zabezpieczeń. Taka sieć nazywa się otwartą i może się do niej przyłączyć dowolne urządzenie będące w jej zasięgu. W przypadku sieci bezprzewodowych podstawowym elementem zabezpieczenia transmisji danych, opisanym w standardzie 802.11, jest szyfrowanie transmisji. Obecnie dostępne są trzy standardy – WEP (Wired Equivalent Privacy), WPA (WiFi Protected Access) oraz WPA2. WEP to pierwszy, najstarszy i podstawowy algorytm zabezpieczania transmisji w sieciach Wi-Fi. Zapewnia on szyfrowanie za pomocą algorytmu RC4 z wykorzystaniem klucza o długości 64, 128 lub 256 bitów, niestety jest on obecnie bardzo podatny na złamanie i nie należy z niego korzystać w warunkach przemysłowych. Większe bezpieczeństwo oferuje standard WPA. Co prawda, również i on podatny jest na złamanie, ale wymaga ono dość długiego czasu nasłuchu. WPA wykorzystuje protokoły TKIP oraz uwierzytelnienie EAP (Extensible Authentification Protocol). TKIP do szyfrowania nadal wykorzystuje algorytm RC4, ale znacznie utrudniono jego odczytanie wprowadzając haszowanie jego wartości oraz wymuszono generowanie nowych kluczy po każdych dziesięciu tysiącach przesłanych pakietów danych. W praktyce nie pozwala to intruzowi na zebranie wystarczającej ilości danych do jego złamania lub wymusza wielodniowy nasłuch niezbędny do zebrania wystarczającej ilości informacji. Z kolei protokół EAP służy do dodatkowego autoryzowania użytkowników sieci bezprzewodowej. Najpewniejszym, standardowym zabezpieczeniem sieci Wi-Fi jest standard WPA2. Dodano w nim protokół CCMP (Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol), który jest podstawą specyfikacji 802.11i. Podobnie jak protokół TKIP zapewnia integralność i poufność danych ale stosuje silniejszy algorytm szyfrowania AES (Advanced Encryption Standard), który na potrzeby protokołu CCMP wykorzystuje 128-bitowe klucze. Zastosowanie silnego algorytmu szyfrowania AES sprawiło, że nie ma już potrzeby tworzenia oddzielnego unikatowego klucza dla każdego pakietu lub grupy pakietów. CCMP wykorzystuje ten sam klucz zarówno dla szyfrowania danych jak i tworzenia sumy kontrolnej. Zabezpieczenia WPA oraz WPA2 przewiduje możliwość skonfigurowania klucza do pracy w jednym z dwóch trybów – Personal oraz Enterprise. W wariancie Personal do zabezpieczenia transmisji wykorzystywany jest jeden współdzielony klucz, który używany przez wszystkich użytkowników, którzy przyłączają się do naszej sieci Wi-Fi. W wariancie Enterprise nie używa się jednego klucza współdzielonego, którego ujawnienie wymusza od razu jego zmianę na wszystkich urządzeniach pracujących w sieci Wi-Fi. Tutaj klucze szyfrowania przydzielane są indywidualnie każdemu użytkownikowi z osobna przez serwer RADIUS.

Sprzęt do zastosowań przemysłowych

Na koniec warto poświęcić kilka słów na temat sprzętu Wi-Fi dostępnego na rynku do zastosowań przemysłowych. Pod względem rodzajów, funkcjonalności, bezpieczeństwa i sterowania nim, w niczym nie różni się od standardowego sprzętu IT. Różnice występują natomiast w budowie i niezawodności.

Pierwszą zauważalną różnicą są wykonane z metalu, solidne obudowy. Wynika to stąd, że sprzęt ten dostosowany jest do pracy w ciężkich warunkach przemysłowych – wyższych lub niskich temperaturach (od –20 °C do +70 °C), dużej wilgotności (powyżej 60%) i zapyleniu. Musi więc spełniać normy IP dotyczące odporności na wilgoć, czy zalanie i pracę w dużym zapyleniu. Dostępne są też modele zgodne z restrykcyjnymi normami ATEX dotyczącymi pracy urządzeń w strefach zagrożonych wybuchem.

Innym elementem rzucającym się w oczy jest dostosowanie urządzeń przemysłowych do montażu w szafkach sterowniczych na szynie DIN, czego nie spotyka się w standardowych urządzeniach IT. Często spotkać się też można z wyprowadzonymi dodatkowymi złączami cyfrowymi i analogowymi pozwalającymi np. podłączyć do routera czy punktu dostępowego sygnalizację alarmową, np. syrenę, bądź spiąć go bezpośrednio z czujnikiem temperatury, otwarcia szafki czy sondą wilgotności.

Warto też wspomnieć, że pod względem budowy wewnętrznej, urządzenia przemysłowe są znacznie bardziej odporne na zakłócenia elektromagnetyczne i elektryczne pochodzące z sieci energetycznej. Zbudowane są też na bazie najlepszych komponentów przemysłowych i charakteryzują się optymalizacją do krótkich czasów oczekiwania niezbędnych w sieciach automatyki przemysłowej. Oczywiście sprzęt ten może też bez problemu pracować 24 godziny na dobę przez siedem dni w tygodniu, nawet przy pełnym obciążeniu. 

source: Automatyka 7-8/2019