Rozwiązania Moxa dla systemów logistyki magazynowej AGV i AS/RS
Automatyczne systemy składowania i pobierania – AS/RS (Automated Storage and Retrieval System) to systemy znajdujące coraz szersze zastosowanie w nowoczesnych magazynach. Automatyczne magazynowanie pozwala firmom przede wszystkim zoptymalizować koszty i maksymalnie wykorzystać powierzchnie produkcyjne.
Duże magazyny oraz zakłady produkcyjne wymagają również odpowiednich systemów transportowania zasobów. Dla ciągłości produkcji oraz dostaw bardzo ważne jest, aby szybko i bezproblemowo znaleźć dany produkt czy surowiec i za pomocą odpowiednich urządzeń dostarczyć go na miejsce przeznaczenia. Zwykle używa się do tego celu wózków widłowych wymagających sterowania przez odpowiednio przeszkolonych ludzi. Obecnie, w dobie powszechnej automatyzacji przemysłu, coraz częściej wózki widłowe zastępowane są pojazdami samojezdnymi – AGV (Automated Guided Vehicle). Pojazdy AGV są najczęściej sterowane na odległość z wykorzystaniem transmisji bezprzewodowej Wi-Fi. Ciągłość procesów zachodzących w magazynach wymaga niezawodności i odpowiednio przystosowanej infrastruktury sieciowej, której zadaniem jest zapewnienie komunikacji między wykorzystywanymi urządzeniami a systemem kontroli i nadzoru. W artykule przedstawiamy rozwiązania producenta Moxa, które idealnie odpowiadają wymaganiom stawianym systemom AS/RS i pojazdom AGV.
Wyzwania i problemy, które najczęściej spotyka się przy wdrażaniu technologii bezprzewodowej w obiektach przemysłowych to:
- problem z adresacją urządzeń,
- trudne warunki środowiskowe,
- zapewnienie odpowiedniej przepustowości łącza,
- utrata sygnału podczas przełączania między kolejnymi Access Pointami,
- monitorowanie, zarządzanie i konfiguracja urządzeń.
Adresacja urządzeń sieciowych z wykorzystaniem NAT
Częstym problemem, który występuje w sieciach przemysłowych, jest dobranie odpowiedniej adresacji urządzeń. Zdarza się, że na obiekcie znajdują się osobne podsieci o takiej samej adresacji, a w obrębie przemysłowej sieci LAN wyodrębnione są podsieci, w których znajdują się urządzenia o tych samych adresach IP – występuje tutaj tzw. duplikacja adresów IP. W systemach AGV taka sytuacja może nastąpić, gdy wózki wyposażone są w urządzenia (np. kamery, switche), które mają domyślne adresy IP. Aby uniknąć zmian adresów IP i zapewnienia unikalnych adresów IP wszystkim urządzeniom, można wykorzystać NAT (Network Address Translation). Urządzenia MOXA serii AWK-A, pracując w trybie Client Router wspierają translację adresów NAT. Dodatkowo, znacznie zmniejsza się liczba wykorzystanych adresów IP.
Wymagające warunki środowiskowe
Zewnętrzne zakłócenia często mają wpływ na jakość połączeń bezprzewodowych. Są to zarówno zakłócenia pochodzące od przeszkód fizycznych, takich jak np. metalowe konstrukcje, zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) pochodzące np. z silników DC czy falowników, jak również urządzeń wykorzystujących do komunikacji tę samą częstotliwość 2,4 GHz. Ignorowanie zagrożeń powodujących wyładowania elektrostatyczne może doprowadzić do utraty produktywności, generować dodatkowe koszty konserwacyjne oraz zwiększać całkowite koszty procesu technologicznego.
Urządzenia serii AWK-A mają 500 V ochronę portów zasilania, a także zapewniają ochronę anten Level 5 ESD. Ta unikalna wbudowana konstrukcja nie tylko chroni urządzenie przed uszkodzeniami wynikającymi z czynników środowiskowych (fot. 1), ale też znacznie ułatwia instalację w terenie, redukując liczbę akcesoriów.
W zależności od tego, gdzie zainstalowane są urządzenia bezprzewodowe, mogą być one narażone na silne wibracje pochodzące z otaczających maszyn i urządzeń. Przykładem może być zamontowanie urządzeń bezprzewodowych w systemach AS/RS lub pojazdach samojezdnych AGV. Podczas montażu urządzenia narażone są na ciągłe wibracje, które powodują odłączenie lub poluzowanie wewnętrznych elementów i złączy. Aby temu zapobiec, seria produktów Moxa AWK została zaprojektowana zgodnie z wymaganiami normy IEC 60068-2-6 w zakresie tłumienia drgań.
W większości środowisk przemysłowych nie ma klimatyzacji, co oznacza, że temperatury mogą wahać się od skrajnie niskich do bardzo wysokich. W celu obniżenia temperatury pracujących urządzeń konstruktorzy często wyposażają je w dodatkowe wentylatory, na których gromadzą się cząsteczki kurzu. Może to prowadzić do awarii tego elementu, a w efekcie do przegrzania całego urządzenia. W tym aspekcie niewątpliwą zaletą urządzeń Moxa jest ich pasywne (bezwentylatorowe) chłodzenie. Urządzenia bezprzewodowe Moxa są w stanie wytrzymywać ekstremalne temperatury od –40 °C do +70 °C. dzięki czemu mogą być stosowane np. w chłodniach i nie wymagają dodatkowych materiałów chroniących przed niską temperaturą.
Fot. 1. Podwójna izolacja w serii AWK-A gwarantuje kompleksową ochronę, która zapewnia stabilne napięcie zasilania oraz ochronę anten przed wyładowaniami elektrostatycznymi
Wzrost przepustowości łącza – technologia MIMO
Jak powszechnie wiadomo, sieci bezprzewodowe wykorzystują do transmisji danych fale radiowe, w związku z czym istotną kwestią jest dobranie odpowiedniej częstotliwości pracy (2,4 GHz lub 5 GHz) oraz jej kanałów wewnętrznych w obrębie tej częstotliwości. Standard IEEE 802.11b/g definiuje pracę w zakresie ~2,4 GHz, natomiast standard IEEE 802.11a/n w zakresie ~5 GHz. W obszarach, w których mamy do czynienia z dużą liczbą urządzeń radiowych, częstotliwość 2,4 GHz może stanowić pewnego rodzaju ograniczenie (ze względu na nakładanie się kanałów radiowych), tym bardziej jeśli w przyszłości planujemy rozbudowę sieci. Natomiast korzystając z częstotliwości 5 GHz, trzeba liczyć się z tym, że konsekwencją zwiększenia częstotliwości będzie zmniejszenie propagacji fal, a sygnał będzie gorzej przenikał przez przeszkody, co w efekcie końcowym przekłada się na konieczność zastosowania większej liczby AP w sieci.
W przypadku stosowania standardu 802.11n rozwiązaniem problemu jest zastosowanie w urządzeniach technologii MIMO, bazującej na transmisji wieloantenowej zarówno po stronie nadawczej, jak i odbiorczej. Głównymi korzyściami takiego rozwiązania są zysk dywersyfikacji, a zatem wzrost niezawodności łącza, a także zysk multipleksacji, czyli wzrost przepustowości łącza.
Seria AWK-A wyposażona jest w dwie anteny, które pracują w technologii
2 × 2 MIMO (fot. 2). Wykorzystanie technologii MIMO oraz standardu 802.11n pozwala znacząco zwiększyć pojemność, przepustowość oraz niezawodność sieci WLAN.
Fot. 2. Przykład wykorzystania dwóch anten pracujących w technologii MIMO 2x2 w pojeździe AGV
Obiekty w ruchu – wykorzystanie technologii Turbo Roaming
Roaming polega na przełączaniu się urządzeń typu client między kolejnymi punktami dostępu. W przypadku standardowej sytuacji poziom sygnału nie jest aktywnie monitorowany, co może doprowadzić do nagłej utraty sygnału. Odbudowanie połączenia jest możliwe po ponownym włączeniu połączenia Wi-Fi. Standardowe przełączenie trwa zatem około kilku sekund, co
w środowisku przemysłowym zazwyczaj nie jest wystarczające. Rozwiązaniem problemu jest wykorzystanie technologii Turbo Roaming, która zapewnia przełączanie urządzeń typu client między kolejnymi punktami dostępu w czasie krótszym niż 150 ms (fot. 3). Co bardzo ważne, nie wymaga żadnej konfiguracji po stronie punktów dostępowych – nie jest konieczne ingerowanie w dotychczasową infrastrukturę – urządzenie pracujące jako client musi jedynie mieć odpowiednią konfigurację.
Fot. 3. Turbo Roaming pozwala na szybkie przełączanie się ruchomego urządzenia typu client między poszczególnymi punktami dostępowymi w czasie krótszym niż 150 ms
Przełączanie do kolejnego Access Pointa odbywa się na podstawie porównania mocy sygnału. Zastosowanie tej technologii umożliwia znacznie dokładniejsze sterowanie obiektami w ruchu czy przesyłanie danych z kamer wideo umieszczonych na pojeździe do zdalnego rejestratora wideo. Turbo Roaming pozwala zachować płynny obraz przy przesyłaniu wideo z ruchomego pojazdu.
Nieodzownym elementem systemów bezprzewodowych jest pozostała infrastruktura sieciowa. Sieć szkieletowa, składająca się z przewodów miedzianych czy światłowodowych, wymaga redundancji. Przestoje wynikające z awarii są niepożądane i generują straty. Niezawodność i redundancja są kluczowe we współczesnym przemyśle. Z pomocą przychodzi rozwiązanie Moxa, polegające na wykorzystaniu redundantnych protokołów Turbo Ring oraz Turbo Chain (fot. 4), które zapewniają rekonfigurację sieci w czasie krótszym niż 20 ms (dla prędkości 100 Mb/s) oraz 50 ms (dla prędkości 1 Gb/s), pomagając tym samym skrócić do minimum czas braku połączenia oraz niemal natychmiast przywrócić komunikację alternatywną ścieżką.
Fot. 4. Protokoły redundantne Turbo Ring i Turbo Chain zapewniają rekonfigurację sieci w czasie krótszym niż 20 ms
Zarządzanie siecią bezprzewodową
Dobranie odpowiednich parametrów zapewniających niezawodną wymianę danych między urządzeniami z wykorzystaniem bezprzewodowych sieci Wi-Fi możemy z pewnością zaliczyć do procesów pracochłonnych i czasochłonnych.
Moxa AeroMag to rozwiązanie, które ułatwia proces zestawiania połączeń bezprzewodowych Wi-Fi między urządzeniami bez stosowania jakiegokolwiek zewnętrznego kontrolera sieci Wi-Fi. Urządzenia automatycznie dopasują podstawowe ustawienia sieciowe, takie jak SSID, WPA2 hasło, częstotliwość i kanały.
W przypadku większej liczby urządzeń sieciowych w masowej konfiguracji oraz monitorowaniu w czasie rzeczywistym idealnie sprawdzi się pakiet dedykowanego oprogramowania firmy Moxa – MXstudio (fot. 5). Dzięki niemu inżynierowie mogą w sposób scentralizowany zarządzać siecią w całym cyklu jej życia, od instalacji i uruchomienia, przez późniejsze utrzymanie i monitoring, na diagnostyce problemów kończąc.
Fot. 5. Wykorzystanie pakietu MXstudio pozwala ograniczyć czas konfiguracji urządzeń, a także umożliwia zdalne monitorowanie sieci
Podsumowanie
Systemy automatyczne odgrywają bardzo ważną rolę w logistyce wewnętrznej, ponieważ są bardzo wydajnym rozwiązaniem pozwalającym na przemieszczanie towarów i surowców w różne miejsca w obrębie magazynu. Umożliwiają również szybkie znalezienie i załadowanie towarów, które mają zostać wywiezione poza pomieszczenie, w którym są obecnie składowane. Automatyczne wózki samojezdne AGV mogą nie tylko działać samodzielnie, ale możliwe jest także ich łączenie z innymi urządzeniami transportującymi i załadowczymi w celu tworzenia systemów cechujących się wysoką wydajnością oraz szybkością działania. W przypadku, gdy priorytetem jest transfer dużej ilości danych w krótkim czasie i na względnie niewielkie odległości, najlepszym wyborem sieci bezprzewodowej może być użycie Wi-Fi.
Budowanie sieci na obiektach przemysłowych opiera się również na podejmowaniu innych ważnych decyzji. Musimy wiedzieć, jakie dane są w naszej sieci przesyłane, na ile są one krytyczne w odniesieniu do działania systemu i w zależności od tego m.in. dobrać protokoły komunikacyjne i odpowiednią prędkość łącza czy skonfigurować protokoły redundancji sieci. W standardowych aplikacjach komunikacji bezprzewodowej utrata części danych, np. w momencie chwilowej przerwy w łączności, bywa akceptowana. W przemyśle najczęściej jednak nie jest to tolerowane, m.in. ze względów bezpieczeństwa. Dlatego należy wykorzystywać takie urządzenia, które potrafią sprostać trudnym wyzwaniom, a urządzenia Moxa niewątpliwie idealnie sprawdzają się w aplikacjach przemysłowych.
Zapraszamy na stronę bloga technicznego www.moxa.elmark.com.pl, gdzie można znaleźć szczegółowe informacje o sposobach konfiguracji wspomnianych urządzeń i technologii.
ELMARK AUTOMATYKA Sp. z o.o.
ul. Niemcewicza 76, 05-075 Warszawa-Wesoła
tel. 22 773 79 37, 22 778 99 25
fax 22 773 79 36
e-mail: elmark@elmark.com.pl
www.elmark.com.pl
source: Automatyka 7/8 2019