Komunikacja bezprzewodowa w zastosowaniach przemysłowych

Technologie bezprzewodowe, obecnie już bezpieczne i niezawodne, umożliwiają realizację wielu zadań, które przy użyciu tradycyjnych technologii transmisji przewodowej były nieefektywne lub nie zapewniały bezpieczeństwa. Korzyści dla zakładu produkcyjnego mogą być znaczące, a właściwie wykonane instalacje niemal nie wymagają konserwacji.

Zalety instalacji bezprzewodowych

W rozległych instalacjach oraz w trudno dostępnych terenach korzystanie z układów automatyki było bardzo utrudnione. Natomiast w ostatnich 10 latach pojawiły się konkurujące ze sobą systemy sieci bezprzewodowych wykorzystujące inteligentne czujniki i przetworniki bezprzewodowe. Dzięki uzyskanej niezawodności nowych systemów sieciowych można je teraz stosować nawet tam, gdzie oprócz monitorowania procesu odbywa się również sterowanie urządzeniami automatyki. Urządzenia te muszą jednak spełniać wymagania dotyczące odpowiednio krótkiego czasu zwłoki oraz czasu na aktualizację programu użytkowego dla urządzeń oddalonych. Jednym z rodzajów sieci bezprzewodowych są sieci samoorganizujące się. Przy rozbudowywaniu sieci samoorganizującej się nowe urządzenia automatycznie dołączają się do istniejącej sieci, przesyłając dane bezpośrednio do bramy lub do innych zainstalowanych w pobliżu urządzeń, które mają dostęp do bramy. W takich systemach nie trzeba wstępnie sprawdzać możliwości instalacyjnych na obiekcie, gdyż urządzenie samo zainstaluje się w sieci, co znacznie obniża koszt instalacji. Taka sieć jest ponadto bardziej odporna na zakłócenia, gdyż przy wystąpieniu lokalnego zakłócenia uniemożliwiającego transmisję samoczynnie zmienia ona drogi komunikacji, zapewniając komunikację wszystkim urządzeniom. W instalacjach bezprzewodowych nie trzeba prowadzić kabla do każdego urządzenia i nie trzeba projektować złożonej struktury okablowania.

Bezpieczeństwo pracy sieci

Sieci bezprzewodowe narażone są jednak na szereg zagrożeń typu: podsłuchiwanie transmisji, podszywanie się pod użytkownika czy nieautoryzowane punkty dostępowe. Sieci radiowe są, jak wiadomo, wrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne. Wygenerowanie silnego sygnału elektromagnetycznego w pobliżu sieci może skutecznie zablokować transmisję w całej infrastrukturze. Podszywanie się polega na zdobyciu danych autoryzujących użytkownika. Z tego względu przy projektowaniu i wdrażaniu systemu należy dokonać oceny ryzyka. Analiza zagrożeń umożliwi zabezpieczenie instalacji przed przestojami. Należy również przewidzieć, jakie środki będą konieczne do zabezpieczenia systemu. Jednym z głównych parametrów umożliwiających ocenę pracy sieci bezprzewodowej jest dostępność. Testy muszą być wykonywane w określonych odstępach czasu, gdyż na wyniki mogą wpływać pojawiające się w terenie nowe źródła zakłóceń elektromagnetycznych. Czasem może okazać się konieczna zmiana kanału transmisji, by uniknąć zakłóceń.

Ważne parametry sieci

Zależnie od zakresu przewidywanej komunikacji mogą być stosowane różne technologie. Może to być zastąpienie przewodu między dwoma punktami, transmisja od czujników do sieci kablowej, komunikacja z wielu punktów do jednego punktu lub instalacja całej sieci przemysłowej. Po wybraniu zakresu należy rozważyć, która technologia będzie najlepsza. Na krótkich i średnich odległościach (od 10 m do 100 m) można wykorzystać technologię Bluetooth. Przy większych odległościach wykorzystywany może być system GSM.

W niektórych zastosowaniach może być potrzebnych kilka odczytów parametrów lub aktualizacji kilku wartości na sekundę. Tam, gdzie np. monitorowana jest temperatura lub poziom w zbiorniku, zwykle wystarcza aktualizacja danych co kilka minut. Jeżeli monitoruje się tylko sytuacje awaryjne, należy zastosować rozwiązanie właściwe dla transmisji informacji o zdarzeniach.

W niektórych aplikacjach doprowadzenie zasilania przewodami jest niemożliwe – dotyczy to szczególnie urządzeń mobilnych. Konieczne jest wtedy zastosowanie technologii, która może być zasilana bateryjnie. W bardziej skomplikowanych instalacjach badania polegają na pomiarze siły sygnałów transmisji oraz uzyskanie zezwoleń na zmiany drogi sygnału radiowego. Zmiany drogi muszą uwzględniać np. obecność pojazdów oraz możliwe przyszłe zmiany infrastruktury, a także wzrost drzew i krzewów, znajdujących się na drodze transmisji.

Stosowane technologie

Wireless LAN (WLAN)

Są to bezprzewodowe lokalne sieci zgodne ze standardem IEEE 802.11, który określa wymagania dla dwóch najniższych warstw modelu odniesienia ISO/OSI: warstwy fizycznej i warstwy łącza danych. Transmisja bezprzewodowa może odbywać się w paśmie 2,4 GHz oraz w podczerwieni przy długości fali od 850 nm do 950 nm. Ponadto norma określa warstwę MAC dostępu do medium transmisyjnego oraz warstwę fizyczną dla bezprzewodowej transmisji pomiędzy węzłami mobilnymi i stałymi w sieci lokalnej. Norma ma kilka wersji. IEEE 802.11a z dodatkowymi uzupełnieniami w 802.11h określa wymagania dla przesyłania mowy i danych o bardzo dużych szybkościach (do 54 Mb/s) na odległość około 50 m. IEEE 802.11b dotyczy przesyłania danych w paśmie od 2400 MHz do 2483,5 MHz z szybkością do 11 Mb/s. Stosuje technologię DSSS z ograniczeniem – tylko trzy niezależne systemy LAN mogą pracować na tym samym terenie. Zakres transmisji wynosi około 50 m wewnątrz budynku. IEEE 802.11g definiuje transmisje o szybkości 54 Mb/s w paśmie 2,4 GHz. Przyjęty został dla modulacji schemat OFDM z techniką modulacji CCK. System jest kompatybilny z poprzednio omawianą normą, ale ma też i jej słabości.

Sieci WLAN kiedyś stosowane były głównie w urządzeniach konsumenckich. Najczęściej występuje tu spontaniczne organizowanie się węzłów w sieci – tzw. ad hoc, gdy węzły te znajdą się w swoim zasięgu transmisji. Jednak obecnie używane są także na lotniskach, w szpitalach, w logistyce i transporcie, a także na liniach produkcyjnych. W zastosowaniach przemysłowych preferowana jest zwykle topologia gwiazdy z punktami dostępu do sieci przewodowej Ethernet.

Wi-Fi (Wireless Fidelity)

Jest to popularny system dostępu do internetu lansowany przez organizację Wi-Fi Alliance. Sieć Wi-Fi działa w darmowym paśmie częstotliwości od 2400 MHz do 2485 MHz i 5000 MHz. Do komunikacji za pomocą mikrofal wykorzystuje się pasmo 2,4 GHz (w standardzie 802.11b oraz 802.11g) lub też 5 GHz (w standardzie 802.11a). Pasmo 2,4 GHz podzielone jest na 14 kanałów w paśmie od 2,4 GHz do 2,5 GHz, które układają się co 5 MHz, od 2412 MHz do 2477 MHz. Każdy kanał ma swoją częstotliwość nośną, która jest modulowana przy przesyłaniu informacji. Szybkość przesyłania danych zależna jest od użytego standardu oraz odległości między użytymi urządzeniami i wynosi najczęściej 11 Mb/s, 22 Mb/s, 44 Mb/s, 54 Mb/s lub 108 Mb/s (przy transmisji w dwóch kanałach jednocześnie).

WPAN (Wireless Personal Area Networks)

Standard IEEE 802.15.1 określa sposób przesyłania danych w paśmie od 2400 MHz do 2483,5 MHz. Warstwa fizyczna i łącza danych jest zaadoptowana z technologii Bluetooth w wersji v1.1. Stosuje się technikę FHSS z 80 kanałami na różnych częstotliwościach nośnych z pasmem 1 MHz w każdym z nich. Węzły sieci dołączające się do działającej sieci potrzebują pewnego czasu na zsynchronizowanie się z nią. IEEE 802.15.3 definiuje przesyłanie danych z dużą szybkością – ponad 20 Mb/s w paśmie 2,4 GHz. IEEE 802.15.4 określa przesyłanie danych w paśmie od 868 MHz do 868,6 MHz w Europie i od 2400 MHz do 2483,5 MHz na całym świecie. Szybkość transmisji jest mała i może wynosić: 20 kb/s, 40 kb/s lub 250 kb/s.

Standard IEEE 802.15.1 stosowany jest w technologii Bluetooth i w sieci firmy ABB nazwanej WISA, która korzysta z warstwy fizycznej. Do zastosowań w automatyce wytwarzania stosuje jednak dodatkowe wymagania dla warstwy dostępu do medium, aby spełnić wymagania czasowe tej branży.

IEEE 802.15.4 zapewnia duże możliwości zastosowań przemysłowych. Korzystają z tego producenci aparatury przemysłowej, oferując systemy sieci typu mesh (sieć kratowa), stosujące liczne węzły małej mocy pokrywające razem dużą przestrzeń. Wykorzystywany jest protokół TSMP (Wireless HART).

Użytkownicy sieci WPAN organizują się w licznych stowarzyszeniach: Bluetooth Special Interest Group (SIG), ZigBee Allianz, Hart Communication Foundation (HCF), ISA-SP100 Wireless Systems for Automation działające pod patronatem ISA (Systems and Automation Society) i grupa WG12 Wireless Sensor Actor Networks ustanowiona przez User Organisation Profibus & Profinet International (PI). Wszystkie one pracują nad urządzeniami zgodnymi z IEEE 802.15.4.

Bluetooth

Technologia ta bazuje na normie IEEE 802.15.1 z wyższymi warstwami protokołu oraz profilami aplikacyjnymi określonymi przez organizację SIG. Zależnie od mocy nadawania zakres transmisji wynosi od 10 m do 100 m.

Stosowana jest topologia gwiazdy (Piconet) z jednym węzłem master i kilkoma (od 1 do 7) węzłami typu slave, synchronizowanymi przez węzeł master na bieżąco. W sieci może być jednocześnie do 256 węzłów w trybie oczekiwania „park”. W zastosowaniach przemysłowych szczególnie ważne są funkcje współpracy z sieciami WLAN (Adaptive Frequency Hopping) oraz zwiększanie szybkości przesyłania danych dzięki funkcji EDR (Enhanced Data Rate).

Obecnie technologia Bluetooth jest wykorzystywana w dużej liczbie urządzeń przeznaczonych do zastosowań domowych i biurowych, np. w kartach do komputerów PC, modemach RS-232 i pendrivach USB. Coraz częściej można spotykać zastosowania w palmtopach i telefonach komórkowych. Mogą one wtedy być wykorzystywane jako interfejsy do wprowadzania i odczytu danych (HMI). Dla systemów automatyki została opracowana przez różne firmy duża liczba modułów Bluetooth. Są to najczęściej modemy, bramy i oddalone We/Wy przeznaczone do różnych systemów sieci przemysłowych. Stale jest jednak brak specjalnych wymagań przedstawianych w tzw. profilach aplikacyjnych, koniecznych dla uzyskania szerokiego zastosowania tej technologii w automatyce przemysłowej.

ZigBee

Technologia ta bazuje na normie IEEE 02.15.4 z wyższymi warstwami protokołu oraz profilami aplikacyjnymi określonymi przez organizację ZigBee Allianz. Przeznaczona jest ona szczególnie do realizacji taniej komunikacji radiowej o małej mocy. Szybkość transmisji wynosi 250 kb/s w paśmie 2,4 GHz. Podobnie jak Bluetooth ma ona elementy łatwe do integrowania w urządzeniach automatyki, szczególnie jako modemy bezprzewodowe. Takie właściwości uzyskano dzięki dłuższym czasom uśpienia węzłów i skróceniu czasu aktywności węzłów. ZigBee umożliwia pracę w sieci typu mesh, a tym samym redundancję transmisji, zastępując jedne ścieżki transmisji innymi i dając pełne pokrycie transmisji w przestrzeni systemu. Na rynku konsumenckim są przewidywane jej podstawowe zastosowania w urządzeniach domowych i do obsługi budynków, ale na razie ich liczba nie jest znacząca.

GSM/GPRS/HSCSD, UMTS

GSM (Global System for Mobile Communication) jest uznawany za system drugiej generacji telefonii komórkowej. Pracuje na częstotliwościach 900 MHz i 1800 MHz. Jedno połączenie wykorzystuje jeden spośród zestawu kanałów FDMA i jeden slot czasowy z zestawu slotów TDMA. Maksymalna szybkość transmisji wynosi 9,6 kb/s. Można stosować technikę HSCSD pozwalającą na korzystanie z kilku kanałów i wielu slotów czasowych, co zapewnia szybkości 38,4 kb/s i 57,6 kb/s. W nowszej wersji tej technologii GPRS pakiety danych są transmitowane wtedy, gdy jest wolny slot czasowy z szybkością 53,6 kb/s.

Technologia UMTS jest uznawana za trzecią generację telefonii komórkowej i oferuje szybkość transmisji 144 kb/s dla poruszających się węzłów (z szybkością do 500 km/h) i 2 Mb/s dla węzłów stacjonarnych.

DECT/DPRS

System DECT stanowi system telefonii bezprzewodowej, który realizuje metodą radiową dostęp do sieci stałych na obszarach dużego natężenia ruchu telekomunikacyjnego, takich jak porty lotnicze, centra miast czy stacje kolejowe. Wykorzystuje zakres częstotliwości od 1,88 GHz do 1,90 GHz. System transmisji zawiera węzły typu stałego FP (Fixe Part) i do 12 przenośnych PP (Portable Parts). Maksymalna szybkość transmisji w jednym kanale wynosi 64 kb/s. Przy mocy nadawania 250 mW zakres transmisji to 50 m w budynkach i 300 m na zewnątrz. Przy zastosowaniu transmisji pakietowej DPRS osiągalna jest szybkość 553 kb/s, zastosowanie modulacji DQPSK zwiększa ją do 1,3 Mb/s, a wybranie wersji modulacji D8PSK do 2 Mb/s. DECT ma pewne zalety ważne w przypadku zastosowań przemysłowych.

WMAN (Wireless Metropolitan Networks)

WMAN to Bezprzewodowe Sieci Miejskie. Podstawowe zadanie tej technologii polega na podłączeniu użytkownika do szerokopasmowej sieci miejskiej z niezbędnej w mieście odległości „ostatniej mili” i umożliwieniu przesyłania głosu i sygnału wideo. Według normy IEEE 802.16 przewidziane są częstotliwości od 2 GHz do 11 GHz oraz od 10 GHz do 66 GHz. Oceniając realistycznie, można będzie uzyskać szybkość 20 Mb/s i zasięg 600 m.

Techniki transmisji bezprzewodowej z zastosowaniem niestandardowych protokołów transmisji

Stosowane są następujące pasma częstotliwości:

• od 443,05 MHz do 434,79 MHz – często stosowane w domowych aplikacjach, np. do wykrywania ruchu, w systemach immobilizerów, zestawach głowic Hi-Fi, systemach otwierania drzwi i stacjach badania pogody. Ten zakres jest rzadko stosowany w automatyce przemysłowej ze względu na dużą liczbę użytkowników i wynikającą stąd możliwość zakłóceń w transmisji. Maksymalna szybkość transmisji danych wynosi tylko kilka kb/s przy zakresie do 1,5 km.
• od 868 MHz do 870 MHz – zakres podzielono na kilka podzakresów o różnych wypełnieniach i różnej mocy nadawania. Dzięki temu uzyskano mniejsze wzajemne zakłócenia. Pasmo to jest stosowane w urządzenia systemów alarmowych. Podobnie jak poprzednio opisane pasmo ma ono niewielkie zastosowanie w przemyśle, podobną szybkość i zakres transmisji.
• od 2400 MHz do 2483,5 MHz – pasmo o znacznie większej szerokości i szybkości transmisji do 54 Mb/s. Natomiast zasięg transmisji jest znacznie mniejszy: 50 m w budynku i 300 m na zewnątrz przy mocy nadawania 100 mW. W tym paśmie popularne jest stosowanie technologii rozproszonego pasma FHSS i DSSS. Pozwalają one na stosowanie kilku systemów bezprzewodowej transmisji w tej samej przestrzeni, bez wzajemnego zakłócania się. Urządzenia muszą stosować wymagania normy IEEE 802.11, która określa warstwę fizyczną i warstwę łącza danych w protokole transmisji.
• od 5725 MHz do 5875 MHz – zastosowanie tego pasma jest niewielkie ze względu na jeszcze mniejszy zasięg niż w poprzednio opisanym paśmie i bardzo duże tłumienie tak dużej częstotliwości w przeszkodach z ciała stałego.

Najczęściej stosowane jest pasmo 868 MHz. Ze względu na brak wymagania uzyskania licencji powstało już wiele takich systemów, m.in. EnOcean, nanoNET, Z-Wave i Konnex, znane z zastosowań w budynkach i Cypress WirelessUSB 2,4 GHz. Powstały też dwie technologie: MDMA – w której kładzie się nacisk na dużą odporność na zakłócenia transmisji i wykorzystuje się wielościeżkowość transmisji oraz PSSS – uzyskująca dużą szybkość transmisji (1 Mb/s) przy małym poborze mocy.

Zestawienie parametrów urządzeń komunikacji bezprzewodowej zawarto w numerze PAR 6/2013. Zapraszamy do lektury!

Tadeusz Goszczyński
Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

źródło: PAR 6/2013; PIAP