Komunikacja bezprzewodowa w przemyśle
Wdrożenie w życie w zakładzie produkcyjnym, magazynie czy rozproszonym obiekcie przemysłowym, takim jak np. cementownia, idei Przemysłu 4.0 wymaga sprawnej komunikacji pomiędzy urządzeniami, maszynami i czujnikami. Ponieważ nie wszędzie jest możliwe lub opłacalne ze względów ekonomicznych układanie sieci kablowej, coraz częściej sięga się po rozwiązania bezprzewodowe. Na korzyść pozbycia się kabli przemawia również większa elastyczność systemów łączności bezprzewodowej.
Obecnie stosowane technologie bezprzewodowe dojrzały i są bezpieczne oraz niezawodne. Umożliwiają też realizację wielu zadań, które przy użyciu tradycyjnych technologii transmisji przewodowej mogą być nieefektywne, np. w wypadku mocno rozproszonej sieć przemysłowego Internetu rzeczy (IIot, Industrial Internet of Things), lub nie zapewniają wystarczającego poziomu bezpieczeństwa – np. istnieje niebezpieczeństwo przecięcia czy uszkodzenia przewodów. To dlatego korzyści dla zakładu produkcyjnego mogą być znaczące, a właściwie wykonana instalacja jest niemal bezobsługowa i praktycznie nie wymaga konserwacji, co też może być istotnym z punktu widzenia służb utrzymania ruchu.
Koszty i wygoda
Podstawowym argumentem za wdrożeniem komunikacji bezprzewodowej są koszty. Ceny przemysłowych modułów komunikacji bezprzewodowej na tyle zeszły w dół, że ten sam sprzęt, zarówno w wersji przewodowej, jaki i bezprzewodowej zapłacimy tyle samo. Mało tego, coraz częściej przemysłowy sprzęt komunikacyjny, taki jak np. routery, mostki, bramy czy konwertery, a także urządzenia końcowe i wykonawcze, takie jak czujniki czy nawet kontrolery PLC, wyposażane są standardowo w dwa interfejsy – przewodowy i bezprzewodowe. Dzięki temu nie tylko nie ponosimy dodatkowych kosztów, ale zyskujemy na elastyczności konfiguracji i możliwości wykorzystania sprzętu. Podstawową oszczędnością jest brak konieczności kładzenia dodatkowego okablowania, co w wielu wypadkach, na przykład doprowadzenia przewodu Ethernet do znajdujących się w odległości kilkuset metrów czujników może być bardzo kosztowne i kłopotliwe.
Z drugiej strony systemy bezprzewodowe są narażone na zagrożenia, które nie występują w tradycyjnych sieciach kablowych. Wymienić tu można pojawiające się okresowo zakłócenia, zaniki sygnału, interferencje, a nawet trudne do wychwycenia ataki hakerskie związane z podsłuchem przesyłanych drogą bezprzewodową danych, ale istnieje wiele metod ograniczających niekorzystny wpływ tych czynników.
Istotną zaletą sieci bezprzewodowych jest fakt, że tego typu rozwiązania pozwalają na decentralizację układów kontroli i sterowania. Zyskujemy również na mobilności. Urządzenia przemysłowe pracujące w sieci bezprzewodowej mogą być bowiem swobodnie przemieszczane, a nawet mogą stale znajdować się w ruchu, co jest szczególnie istotne w zautomatyzowanych systemach logistyki magazynowej i systemach zaopatrzenia produkcji takich jak np. suwnice, wózki widłowe itp. To samo dotyczy pracowników. Dzięki bezprzewodowej sieci mogą oni swobodnie korzystać np. z tabletów i za ich pomocą nadzorować zdalnie procesy, mając przy tym dostęp do wszelkich potrzebnych informacji, np. z systemu SCADA. Ponadto komunikacja bezprzewodowa ma łatwą rekonfigurację infrastruktury IT i systemów automatyki przemysłowej, modyfikację stanowisk pracy i linii technologicznych.
Warto jednak zauważyć, że mimo tego, iż instalacja sieci bezprzewodowej jest znacznie prostsza i szybsza w stosunku do tradycyjnych rozwiązań, to nie znaczy, że nie można ustrzec się błędów. Każda przemysłowa, i nie tylko, sieć bezprzewodowa powinna być wdrożona po uprzedniej analizie środowiska. Wydajność komunikacji bezprzewodowej zależy bowiem od wielu zewnętrznych czynników, takich jak tłumiące sygnał bariery (ściany w budynkach, istniejące okablowanie), zakłóceń elektromagnetycznych generowanych m.in. przez pracujące maszyny, wielkości infrastruktury, a nawet czynników atmosferycznych. Ponadto, aby komunikacja była efektywna, urządzenia muszą charakteryzować się jak najmniejszymi czasami opóźnień i wystarczającą szybkością transmisji, a co za tym idzie przepustowością łącza. Ważne są też kryteria związane z wyborem odpowiedniego standardu bezprzewodowej transmisji, który spełni nasze oczekiwania. Dobrze przygotowaną można będzie łatwo rozbudować i dołączać do sieci, coraz to nowe urządzenia, co potrafi znacznie obniżać koszty implementacji nowych narzędzi.
Standardy transmisji danych
Bezprzewodową transmisję danych wykorzystuje się nie tylko w systemach automatyki przemysłowej, ale również w mobilnym monitoringu, systemach oddalonych, urządzeniach współpracujących z siecią IT przedsiębiorstwa, komunikacji M2M (machine to machine), monitoringu pojazdów i flot oraz sieciach czujników, w tym sieciach zgodnych z przemysłowym Internetem rzeczy. Tradycyjna klasyfikacja technologii bezprzewodowych wykorzystywanych w przemyśle obejmuje podział bazujący na maksymalnej odległości transmisji.
W przypadku wymiany danych na krótkie dystanse, do 100 m dominuje tzw. komunikacja ISM (Industrial, Scientific, Medical). Komunikacja ta obejmuje pasmo radiowe początkowo przeznaczone dla zastosowań przemysłowych, naukowych i medycznych, stąd nazwa, a samo pasmo ISM z definicji jest pasmem nielicencjonowanym. ISM obejmuje takie standardy jak: Wi-Fi, ZigBee, bezprzewodową sieć o zasięgu osobistym WPAN (Wireless Personal Area Network), np. Wireless USB i Bluetooth, specjalizowany Wireless HART oraz różnego rodzaju technologie własne, rozwijane przez poszczególne firmy, takie jak np. Trusted Wireless firmy Phoenix Contact. Jeżeli chodzi o transmisję na duże odległości, to wykorzystywane są tu przede wszystkim sieci komórkowe GSM, w tym LTE i 5G, a do grupy tej zaliczana jest również coraz rzadziej stosowana komunikacja z wykorzystaniem radiomodemów. W przypadku sieci rozległych WAN (Wide Area Network) coraz bardziej popularne stają się takie rozwiązania jak LoRA czy WiMAX.
Jak można się domyślić, w przemyśle dominują obecnie dwa rozwiązania – GSM oraz Wi-Fi. Nieco mniej popularne są pozostałe technologie związane z komunikacją ISM. Tutaj prym wiodą przede wszystkim Bluetooth i ZigBee. Jeśli chodzi o łączność na dalsze odległości, to przedsiębiorcy coraz bardziej przychylnym okiem patrzą na rozwiązania LoRA, a wykorzystywane swego czasu masowo w kopalniach odkrywkowych, cementowniach czy energetyce radiomodemy powoli odchodzą w zapomnienie, choć oczywiście dalej spełniają swoje zadania.
Wśród zastosowań systemów łączności bezprzewodowej dominuje obecnie łączność w systemach automatyki, komunikacja M2M, monitoring i diagnostyka, w tym zbieranie danych z rozproszonej sieci czujników. Popularnymi zastosowania łączności bezprzewodowej są również zdalne sterowanie pracą oddalonych systemów oraz wykorzystanie łączności bezprzewodowej w systemach alarmowych i systemach bezpieczeństwa.
Zigbee Alliance
Dominacja Wireless LAN
Przegląd najważniejszych rozwiązań bezprzewodowej komunikacji bezprzewodowej zaczynamy od rozwiązań WLAN, popularnie nazwanych siecią Wi-Fi (od Wireless Fidelity). Pod nazwą WLAN (Wireless LAN, Wireless Local Area Network) kryją się lokalne sieci bezprzewodowe zgodne ze standardem IEEE 802.11. Są one kompatybilne z przewodową siecią Ethernet, dzięki czemu sieci WLAN „z definicji” zgodne są z wykorzystywanymi w systemach automatyki przemysłowej rozwiązaniami sieciowymi bazującymi na technologii Ethernet, takimi jak PROFINET RT, EtherNet/IP, CANopen czy Modbus/TCP. Tak więc, podłączenie do dotychczasowej infrastruktury przemysłowej sieci Wi-Fi nie wymaga modyfikacji protokołu przesyłanych pakietów.
Co ważne, Wireless LAN umożliwia łatwe bezprzewodowe zintegrowanie nowych urządzeń z istniejącym systemem automatyki przemysłowej i infrastrukturą IT działającą w firmie. Możliwe jest też bezproblemowe, bezpośrednie wpięcie urządzeń przemysłowych do Internetu, co ma wręcz kluczowe znaczenie w wypadku Przemysłowego Internetu Rzeczy i rozwiązań 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, dostępnym pasmem muszą podzielić się wszystkie urządzenia podłączone do sieci WLAN lub sprzęt korzystający z tych samych 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. Z punktu widzenia użytkownika, istotnym argumentem za przemysłową siecią Wi-Fi jest to, że zasięg sieci WLAN można w dowolnym momencie zwiększyć dodając do infrastruktury kolejne punkty dostępowe. Można też zastąpić standardowe anteny, antenami o wyższym zysku energetycznym lub antenami kierunkowymi.
Automatyczny roaming mobilnych urządzeń w sieci WLAN, źródło: Phoenix Contact
Standardy IEEE 802.11
W przemysłowych sieciach WLAN wykorzystuje się rodzinę standardów IEEE 802.11, która obecnie, ze względu na popularyzację w konsumenckich zastosowaniach IT. Warto w tym miejscu wspomnieć, że 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), będącą twórcą zestawu standardów IEEE 802.11 definiujących różne typy i sposoby funkcjonowania bezprzewodowych sieci Wi-Fi.
Pierwszym powszechnie przyjętym standardem Wi-Fi był 802.11b. Zgodne z nim urządzenia korzystały z obejmującego komunikację ISM pasma 2,4 GHz. Następnie pojawił się na rynku, również korzystający z pasma 2,4 GHz, sprzęt zgodny z kolejnymi standardy 802.11a, 802.11g, oraz 802.11n. Obecnie w warunkach przemysłowych wciąż najczęściej spotykaną siecią Wi-Fi, jest sieć LAN w standardzie „n”. Dzięki zaimplementowanej w tym standardzie 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.
Drugim wykorzystywanym w sieciach Wi-Fi pasmem jest pasmo 5 GHz. Pozwala ono uzyskać znaczne większe szybkości transmisji, umożliwia też jednoczesną pracę znacznie większej ilości urządzeń oraz oferuje mniejsze zakłócenia i interferencje. Niestety, pasmo to charakteryzuje się mniejszym zasięgiem i większym tłumieniem sygnału na przeszkodach. Tak więc, do pokrycia danego obszaru, wymagana jest większa liczbą urządzeń dostępowych.
Pierwszym standardem z rodziny 802.11, obejmującym transmisję w paśmie 5 GHz, był nieużywany w Europie standard 802.11a. Do upowszechnienia się częstotliwości 5 GHz przyczynił się zaś zatwierdzony w 2014 roku, a spopularyzowany w 2018 r., standard 802.11ac znany powszechnie pod nazwą Wi-Fi 5. Warto wspomnieć, że obecnie starszy sprzęt, zgodny ze standardem 802.11n, zastępowany jest pracującymi jednocześnie na dwóch częstotliwościach, 2,4 GHz i 5 GHz, dwupasmowymi urządzeniami. Jeśli chodzi o infrastrukturę IT, to proces ten już się praktycznie zakończył, natomiast w przemyśle dopiero się rozpoczyna. Jak można się domyślić, pasmo 2,4 GHz pozostawiono tu w celu zachowania kompatybilności ze sprzętem 802.11n.
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.
Wchodzącym od zeszłego roku na rynek standardem, na razie głównie w sieciach IT, jest znany jako Wi-Fi 6, standard 802.11ax. Jest on, co prawda, bardzo zbliżony do standardu 802.11ac, ale zawiera kilka elementów, które w znaczący sposób poprawiają działanie zbudowanej na jego bazie sieci bezprzewodowej. Wprowadzone ulepszenia pozwolą na osiągnięcie nominalnej przepustowości wynoszącej 10 Gb/s, co może mieć istotne znaczenie w wypadku kompleksowego wdrożenia w firmie założeń inteligentnej produkcji, cyfryzacji procesów i zgodności z Przemysłem 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. 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.
Z punktu widzenia użytkownika, a zwłaszcza systemów automatyki przemysłowej, najistotniejszym novum, które znalazło się w nowym standardzie, jest implementacja technologii SRT (Simultaneous Transmit/Receive). Dzięki niej, urządzenia pracujące w bezprzewodowej sieci mogą wysyłać i odbierać dane na tym samym kanale w tym samym czasie, co do tej pory nie było możliwe. W tym miejscu trzeba wspomnieć, że od tego roku producenci sprzętu sieciowego silnie zaczęli promować następcę standardu Wi-Fi 6, a mianowicie Wi-Wi 6E (IEEE 802.11ax), obejmującego pasmo 6 GHz – patrz: „Prawidłowa budowa i rozplanowanie sieci Wi-Fi na obiekcie przemysłowym.”
ComputerWorld
Komunikacja bliskiego zasięgu ISM
Przegląd pozostałych technologii ISM, warto zacząć od dobrze znanej z akcesoriów komputerowych i telefonów komórkowych technologii Bluetooth. Bluetooth bazuje na międzynarodowym standardzie IEEE 802.15.1 i pracuje, podobnie jak sieć Wi-Fi, 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. Co ważne, Bluetooth w wersji 5.1 pozwala na określenie położenia z dokładnością do kilkunastu centymetrów. Dzięki czemu można dość precyzyjnie wyznaczyć położenie odbiornika.
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.
Obszary przemysłowego zastosowania technologii Bluetooth są bardzo zróżnicowane. Najczęściej wykorzystuje się ją w sterowaniu i konserwacji maszyn, gdzie wymagana jest pewna komunikacja na niewielkim dystansie z wykorzystaniem protokołu Ethernet między inteligentnymi sterownikami, czujnikami i regulatorami napędów, które mogą być również zamontowane na ruchomych elementach maszyn. W ten sposób eliminuje się konieczność stosowania przewodów ślizgowych. Bluetooth wykorzystuje się też do odczytu danych z czujników na obszarach zatłoczonym pod względem radiowej komunikacji lub tam, gdzie występują duże zakłócenia elektromagnetyczne.
Klasyfikacja topologii urządzeń w sieci ZigBee, źródło:Tshwane University of Technology
ZigBee czyli coś do inteligentnego budynku
Drugim z popularnych standardów komunikacji ISM jest ZigBee. ZigBee jest to protokół transmisji danych w sieciach bezprzewodowych. Jego działanie można porównać do funkcjonowania sieci Wi-Fi, ale cechuje się niższym zużyciem energii, niewielkimi przepływnościami (do 250 kb/s) i charakteryzuje się zasięgiem nawet do 100 m. Komunikacja w ZigBee jest dwustronna, co oznacza, że każde urządzenie może odbierać i wysyłać sygnały lub w wypadku funkcjonalności mostka, przekazywać go dalej. Do istotnych zalet ZigBee z punktu widzenia systemów automatyki, należy również natychmiastowy dostęp do urządzenia, dlatego standard ten chętnie wykorzystywany jest w czujnikach ruchu.
Wśród zalet wymienić należy również ogromne wsparcie ze strony producentów, masową dostępność kompatybilnych produktów oraz łatwość w tworzeniu i rozbudowywaniu systemów. Co ważne, transmisja danych w systemach ZigBee jest uwierzytelniona, dzięki czemu mamy gwarancję, że do sieci nie podłączy się żadna przypadkowa osoba.
Technologia ZigBee jest rozwijana od 2002 roku przez organizację ZigBee Alliance. Zrzesza ona kilkaset firm z całego świata. Są to m.in.: Philips, Xiaomi, Siemens, Samsung, Amazon, Bosch czy Motorola. Najnowszą wersję specyfikacji ZigBee 3.0 zatwierdzono w 2016 r. Oprócz czujników w systemach automatyki przemysłowej, najpopularniejszym zastosowaniem ZigBee jest wszystkim automatyka domowa i monitorowanie (Smart Home, Surveillance). System ZigBee został stworzony specjalne z myślą o technologii Smart Home. Umożliwia on bowiem łatwe korzystanie z urządzeń takich jak: inteligentne gniazdka, dzwonki do drzwi, czujniki ruchu, czujki przeciwpożarowe oraz czujniki drzwi i okien.
WirelessHART
Trzecim powszechnie stosowanym w przemyśle systemem komunikacji radiowej, zaliczanym do grupy ISM, jest WirelessHART. Standard ten to bezprzewodowa odmiana protokołu komunikacyjnego sieci przemysłowych HART (Highway Addressable Remote Transducer). Transmisję radiową o mocy do 10 mW z użyciem protokołu WirelessHART, który opisany został w standardzie IEEE 802.15.4, stosować można wykorzystując, co oczywiste, dostępne bez licencji pasmo częstotliwości 2,4 GHz, a więc to samo, z którego korzysta Wi-Fi.
Protokół WirelessHART charakteryzuje się kilkoma istotnymi cechami, które dają 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 oraz stosowanie krótkich czasów transmisji i funkcji blacklisting, wykluczającej z użycia zajęte lub zakłócone bądź mocno obciążone innymi rodzajami transmisji (np. przez Wi-Fi lub Bluetooth) 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. W przypadku braku komunikacji urządzenia automatycznie przełączają się w tryb uśpienia, co pomaga oszczędzać energię.
W sieciach WirelessHART wyróżnia się trzy typy urządzeń – bramki, urządzenia pomiarowe oraz adaptery. Pierwsze z nich pełni funkcję punktu dostępowego, managera sieci i bramki spinającej sieć WirelessHART, a także odgrywają rolę routera zapewniającego dostęp do pozostałych elementów sieci automatyki czy Internetu. Bezprzewodowe urządzenia pomiarowe odpowiadają za pomiary, zaś adaptery pozwalają zintegrować tradycyjne, przewodowe urządzenia HART z siecią WirelessHART.
Transmisja na odległość
Trudno wyobrazić sobie realizację transmisji danych w instalacjach przemysłowych, które rozrzucone są na znacznym obszarze za pomocą sieci Wi-Fi czy dowolnej, innej technologii klasy ISM. Dlatego w sieciach energetycznych, farmach elektrowni wiatrowych, kopalniach odkrywkowych, rurociągach czy cementowniach stosuje się urządzenia współpracujące z sieciami operatorów telefonii komórkowej, systemy LoRA czy WiMAX.
Podstawowym urządzeniem pozwalającym na transmisję danych w komunikacji typu M2M oraz w rozproszonych systemach automatyki przemysłowej są modemy GSM. Nazwa ta nie jest do końca poprawna, gdyż dotyczy tak naprawdę transmisji w sieciach komórkowych drugiej generacji 2G, jednak dość powszechnie się przyjęła. Ostatnio, często spotykać się już można również terminologią modem LTE lub modem 5G, które to już w bardziej ścisły sposób definiują, z jakim typem sieci współpracuje dane urządzenie.
Modemy GSM to zwykle niewielkie, mobilne urządzenia oferujące dostęp do Internetu z wykorzystaniem publicznych nadajników sieci komórkowej. Modemy mogą być, i często są, wbudowane w router lub są bezpośrednio zintegrowane w danym urządzeniem systemu automatyki przemysłowej. Cechą charakterystyczną modemu GSM jest slot na kartę SIM operatora, która to karta pozwala zalogować się do sieci. Oczywiście, należy tu pamiętać, że podobnie jak w wypadku mobilnego Internetu w smartfonie, naliczane są tu również opłaty za transmisję danych. Przemysłowe modemy GSM znajdują zastosowanie głównie w systemach automatyce, monitoringu, meteorologii (transmisja danych ze stacji pogodowych) a także przy obsłudze sieci bankomatów.
Łączność piątej generacji 5G zapewnia transfer o szybkości 10 gigabitów na sekundę i opóźnienia wynoszące kilka milisekund, co ma istotne znaczenie w przypadku autonomicznych samochodów, systemów logistyki czy sterowania robotami działającymi w fabrykach. Istotną zaletą sieci 5G, zwłaszcza w porównaniu z sieciami 4G/LTE, jest to, że na obszarze kilometra kwadratowego są one w stanie obsłużyć do miliona urządzeń wymagających dostępu do sieci. Jest to więc technologia niezwykle istotna z perspektywy rozwoju przemysłowego Internetu rzeczy i Przemysłu 4.0. Obecnie technologia komunikacji bezprzewodowej 5G jest w stanie obsługiwać prędkości danych w przedziale 1–5 Gb/s, a docelowo ma ona urosnąć do 20 Gb/s. Tak więc, jest ona od 10 do 20 razy szybsza, niż transmisja danych w standardzie LTE.
Ciekawym rozwiązaniem jest również protokół i system komunikacji bezprzewodowej dalekiego zasięgu LoRA (Long Range) określany też nazwą LoRaWAN. Charakteryzuje się on niskim poborem mocy i zapewnia łączność na bardzo duże odległości dochodzące do 10‒15 km. Szybkość transmisji danych w systemach LoRa wynosi pod 0,3 kb/s do 37,5 kb/s, co wynika z konieczności minimalizacji zużycia energii. Urządzenia, zazwyczaj czujniki, pracujące w systemie LoRa cechują się długim czasem pracy na baterii i mogą być wspomagane niewielkimi ogniwami fotowoltaicznymi. Inną istotna zaletą jest to, ze korzystanie ze standardu LoRa nie wiąże się z opłatami licencyjnych za wykorzystywane. System ten pracuje bowiem na dostępnych publicznie pasmach 433, 868 i 915 MHz.
Na koniec warto kilka słów powiedzieć o łączności z wykorzystaniem systemów WiMAX. WiMAX, czyli Worldwide Interoperability for Microwave Access, to technika bezprzewodowej, radiowej transmisji danych bazująca na standardzie IEEE 802.16 i transmisji mikrofalowej. Technologia w swoim działaniu podobna jest do sieci Wi-Fi, ale zapewnia wysoką szybkość dostępu do sieci szerokopasmowych na dużych rozproszonych obszarach, tam gdzie nie można zapewnić komunikacji w standardzie Wi-Fi, a więc w kopalniach odkrywkowych czy w pobliży ciągnących sie setkami kilometrów po pustkowiach rurociągów lub linii energetycznych. Najważniejszą zaletą tej technologii jest zasięg dochodzący do 50 km. Obecnie w zastosowaniach przemysłowych, ze względu na wyższe koszty, WiMAX stosuje wyłącznie tam, gdzie nie można skorzystać z modemów GSM, czyli tam, gdzie ze względu na bardzo słabe zaludnienie operatorom nie opłaca się budować infrastruktury telefonii komórkowej.
| Prawidłowa budowa i rozplanowanie sieci Wi-Fi na obiekcie przemysłowym Pierwszym krokiem, związanym z zaprojektowaniem prawidłowo działającej bezprzewodowej sieci Wi-Fi jest dobranie odpowiedniej częstotliwości jej pracy (pasma 2,4 GHz, 5 GHz lub 6 GHz) oraz znalezienie w jej ramach kanałów z najmniejszymi zakłóceniami. W tym miejscu warto nadmienić, że urządzenia pracujące w paśmie o częstotliwość 2,4 GHz zgodne są ze standardami IEEE 802.11b/g/n, natomiast te pracujące w paśmie o częstotliwość 5 GHz z IEEE 802.11a/n/ac/ax. Obecnie na rynek wchodzą również urządzenia Wi-Fi 6E, które są kompatybilne z rozszerzoną specyfikacją IEEE 802.11ac (stąd w nazwie E od Extended) oznaczoną symbolem IEEE 802.11ax. Sprzęt ten pracuje wykorzystując pasmo 6 GHz czyli fizycznie działa na częstotliwościach od 5925 MHz do 7125 MHz. Jak wiadomo, wszystkie częstotliwości mają w swoim paśmie wydzielone kanały. I tak pasmo 2,4GHz posiada ich 14 (o szerokości 22MHz), ale tylko 3 z nich nie nachodzą na siebie. Oznacza to tyle, że tylko 3 kanały z 14 pozwolą nam na transmisję danych bez wzajemnych zakłóceń. W obszarach z dużą ilością urządzeń radiowych, częstotliwość 2,4GHz może stać się pewnego rodzaju ograniczeniem – tym bardziej jeśli w przyszłości planujemy rozbudowę naszej bezprzewodowej sieci. Jeżeli zatem planujemy, że w naszej sieci Wi-Fi pracować będzie znaczna liczba urządzeń, warto rozważyć jej budowę bezprzewodowej sieci wykorzystywaniem częstotliwości 5 GHz lub 6 GHz. W tych pasmach dostępne kanały nie nachodzą bowiem na siebie, co daje nam znacznie większą elastyczność. Analizując transmisję na danym kanałem warto zwrócić uwagę na fakt, że w komunikacja Wi-Fi przewiduje, że w danej chwili może nadawać tylko jeden klient. W sytuacji gdy jeden kanał będzie obsługiwał wiele urządzeń, może dojść do sytuacji „zapychania” się kanału, co spowoduje opóźnienia w transmisji danych. Tak więc planując sieć należy zidentyfikować również obszary o dużym zagęszczeniu użytkowników (klientów), np. takie gdzie znajduje się dużo sensorów Przemysłowego Internetu Rzeczy. Jednak w wypadku pasm 5 GHz i 6 GHz trzeba liczyć się z tym, że konsekwencją zwiększenia częstotliwości będzie zmniejszenie zasięgu propagacji fal, a sam sygnał będzie gorzej przenikał przez przeszkody. W efekcie może się to przełożyć się na konieczność zastosowanie większej ilości punktów dostępowych w sieci, co zwiększy nam koszty budowy sieci. Kolejnym krokiem przy budowie przemysłowej sieci Wi-Fi jest zwrócenie uwagi na występujące na terenie fabryki bariery fizyczne, takie jak ściany czy konstrukcje metalowe. Każda tego typu przeszkoda ma istotny wypływ na jakość sygnału i może powodować jego osłabienie. Warto mieć na uwadze również fakt, że przypadek ten nie dotyczy tylko sytuacji, gdy dana konstrukcja zasłania nam bezpośredni kierunek sygnału. Elementy metalowe będące nieopodal także mogą powodować np. interferencje fal czy ich odbijanie, co w rezultacie będzie prowadziło do pogorszenia się jakości odbieranego sygnału. W poniższej tabeli zestawiono wpływ przeszkód na moc sygnału w zależności od ich rodzaju.
Gdy dobraliśmy już odpowiednie kanały, znamy najbardziej zagęszczone obszary, a także zapoznaliśmy się z występującymi na obiekcie konstrukcyjnymi przeszkodami dla propagacji fal, możemy przystąpić do wstępnego rozlokowania punktów dostępowych. Pierwszym i najważniejszym krokiem jest ich zainstalowanie z możliwie jak najlepszym pokryciem urządzeń klien- Kolejną kwestią związaną z odpowiednim pokryciem urządzeń to wybór anteny nadawczej. Jeśli urządzenia klienckie są rozlokowane na stałym, szerokim obszarze bądź przemieszczają się w jego obrębie, to najlepszym rozwiązaniem jest tu zastosowanie anteny dookólnej. Z kolei w przypadku, gdy mamy do czynienia z urządzeniami pracującymi na wąskim obszarze bądź z wykorzystaniem transmisji punkt-punkt, to korzystniejszym rozwiązaniem może się okazać antena kierunkowa. W kontekście lokowania punktów dostępowych, istotnym jest również to, aby nie ograniczać się do ściśle wyznaczonego pierwotnym planem miejsca. Warto wykonać serię pomiarów siły sygnału w kilku lokalizacjach, w których możemy postawić punkt dostępowy i wybrać tę, w której sygnał będzie najsilniejszy. W wypadku przemieszczających się obiektów, np. samojezdnych wózków transportowych, należy zaimplementować w naszej sieci również technologię roamingu. Pozwoli ona na płynne przekazywanie połączenia pomiędzy kolejnymi punktami dostępowymi. Oprac. na podstawie materiałów firmy Elmark Automatyka
|
source: Automatyka 6/2021