Bezdrátové komunikační systémy založené na IEEE 802.15.4 v automatizaci (2. část)

 

 

ISA 100.11a je norma pro bezdrátovou ko­munikaci prosazovaná organizací ISA (Inter­national Society of Automation) [6]. Cílové oblasti jsou monitorování (kromě kritických dat), přenos alarmů, nadřazené řízení a auto­matizace procesní výroby. Úlohy využívající ISA 100.11a by měly být schopny tolerovat ko­munikační zpoždění v řádu stovek milisekund. V rámci normy je definován komunikační mo­del, správa systému a zabezpečení. Norma je orientována na protokol IP a díky adaptaci specifikace 6LoWPAN na síťové vrstvě umožňuje využít adresování IPv6.

 

Základní architektura odpovídá konfigu­raci, kdy jsou bezdrátové přístroje připoje­ny k provozním přístrojům a komunikují směrem „nahoru“ prostřednictvím páteřní sítě (backbone network) s nadřazenými systémy. Páteřní síť je v architektuře ISA 100.11a důležitým prvkem, který umož­ňuje propojení bezdrátových sítí i připojení bezdrátové sítě k technologii. Norma ne­předpokládá žádnou konkrétní variantu pá­teřní sítě a umožňuje využít Ethernet i prů­myslové provozní sběrnice. Logické role za­řízení v síti lze rozdělit do několika skupin: provozní přístroje (zdroje nebo konzumenti dat, nepodporují směrování), bezdrátové směrovače (směrování v rámci bezdrátové podsítě), páteřní směrovače (směrují data přes páteřní síť), správce sítě (spravuje kon­figuraci a řídí celou síť), správce zabezpeče­ní (spravuje konfiguraci a kryptografické klí­če), brána (zajišťuje rozhraní mezi sítí ISA 100.11a a dalšími systémy). Provozní pří­stroje (zařízení bez směrovací funkce), mo­hou odesílat data v jednom slotu současně na několik směrovačů (duocast), čímž se zvýší spolehlivost přenosu. Na obrázku ar­chitektury ISA 100.11a (obr. 5) je to znázor­něno slabými linkami mezi provozním pří­strojem a několika směrovači.

 

ISA 100.11a definuje linkovou vrstvu a aplikační vrstvu. Obdobně jako WirelessHART využívá fyzickou vrstvu standardu IEEE 802.15.4-2006 pro rádiovou komunika­ci v pásmu ISM 2,4 GHz a na linkové vrstvě specifikuje vlastní řešení, které je kombina­cí přístupů TDMA a CSMA k médiu s dyna­mickou změnou kanálu. Přístup k médiu je rozdělen na časové sloty s volitelnou délkou (typicky 10 až 14 ms). S délkou slotu souvi­sí i rychlost přeskakování mezi kanály. Pro krátké vyhrazené sloty určené pro pravidel­nou komunikaci je využíváno rychlé přeska­kování mezi kanály (slotted hopping), kdy každý časový slot odpovídá jiné komunikační frekvenci a přístup je založen čistě na meto­dě TDMA. Dlouhé sdílené časové sloty pou­žívají pomalou změnu kanálů (slow hopping) sloučením několika slotů do jednoho bloku (typicky 10 až 25) se stejnou komunikační frekvencí. Pro dlou­hé sloty je využívána přístupo­vá metoda CSMA-CA převzatá z linkové vrstvy IEEE 802.15.4. Třetí možnost je kombinace obou předchozích metod, kdy se použí­vají jak krátké, tak dlouhé časo­vé sloty. Fungování těchto metod je naznačeno na obr. 6. Sekven­ce kanálů využívaných pro ko­munikaci je centrálně stanove­na správcem sítě. Pořadí kaná­lů je na rozdíl od ostatních zde popisovaných metod bezdrátové komunikace takové, že dva po sobě jdoucí kanály jsou od sebe odděleny minimálně třemi kaná­ly (15 MHz). Tím by mělo být zajištěno, že po sobě následu­jící sloty nebudou ve frekvenč­ním pásmu téhož kanálu Wi-Fi. Správce sítě za provozu sleduje kvalitu každého z kanálů (pod­le počtu opakování, neobdrže­ných potvrzení a počtu pokusů o odeslání dat) a na základě nasbíraných dat dočasně vyřazuje kanály s malou kvalitou ze sekvence. Kromě centralizovaného plánová­ní mohou i samotná zařízení optimalizovat využití jednotlivých kanálů. Každé zařízení si udržuje statistiku kvality spojení se svými sousedy (pro každou linku a kanál) a na jejím základě může vynechat kanály s horší spolehlivostí přenosu při komunikaci s kon­krétními sousedy. Tato technika je v termino­logii ISA 100.11a označována jako „adapti­ve hopping“.

 

Linková vrstva ISA 100.11a dále zajišťuje směrování paketů uvnitř své podsítě, založe­né na algoritmu směrování v grafu. Směro­vací algoritmus realizuje linková vrstva podle tabulky nastavené správcem sítě. Správ­ce sítě na základě konfigurace a aktuálního stavu komunikace vytváří sadu orientova­ných grafů pro různé typy dat a komunikují­cích zařízení. Každý graf (resp. komunikač­ní cesta) je potom označen „identifikátorem kontraktu“ (contract ID), který je využíván linkovou vrstvou k předávání paketů nesou­cích stejný identifikátor. Cesta pro posílá­ní dat mezi dvěma uzly tedy může být růz­ná podle typu dat, požadované šířky pásma a dalších parametrů. Výhodou tohoto řešení je větší spolehlivost daná využitím redun­dantních cest, které berou ohled na aktuál­ní stav komunikačních linek a kanálů, při­čemž výpočetní zátěž zůstává na správci sítě.

Na síťové úrovni využívá ISA 100.11a protokol 6LoWPAN [7]. Tento protokol byl specifikován pracovní skupinou IETF jako RFC 4944. Název 6LoWPAN je zkrat­ka, která znamená IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks (vyslovu­je se „Six-Low-PAN“). Smyslem této spe­cifikace je umožnit internetovou konektivi­tu zařízení s bezdrátovou komunikací podle IEEE 802.15.4. Přenos paketů IP v6 přes sítě WPAN naráží na několik problé­mů, jako je maximální velikost rámce a příliš velká délka adres a hlaviček protokolů IPv6. Tyto problémy jsou řešeny pomocí adaptační vrstvy, která zajišťuje přenos paketů IPv6 v rámcích IEEE 802.15.4 a řeší fragmenta­ci, kompresi hlaviček, interpre­taci adres a směrování v rámci WPAN na linkové vrstvě. Tyto funkce jsou v ISA 100.11a řeše­ny linkovou vrstvou. Pakety jsou na úrovni linkové vrstvy směro­vány pouze za využití zkrácené­ho adresování, kompletní adre­sa IPv6 je interpretována vrst­vou 6LoWPAN, až když paket dosáhne svého cíle nebo když dorazí ke směrovači. Přeposílá­ní na linkové vrstvě je transpa­rentní k vyšším vrstvám, kterým se díky tomu celá bezdrátová podsíť jeví jako sdílené médium (broadcast).

 

Na úrovni transportní vrstvy využívá ISA 100.11a protokol UDP, tedy nespojovanou službu bez záruky doručení. Aplikač­ní vrstva určuje objektově ori­entovanou podvrst­vu pro podporu uži­vatelských aplikací běžících jako proce­sy. Poskytuje služby pro aplikace v pro­vozních přístrojích a pro připojení brány do nadřa­zeného systému. K podpoře dal­ších protokolů (Profibus, HART, FF, Modbus) se používá tunelo­vání a mapování protokolů po­mocí objektů na aplikační vrstvě. Samotný překlad protokolů není v ISA 100.11a definován, popsán je pouze jeho mechanismus.

 

První verzi normy, označova­nou jako ISA 100.11a-2009, vyda­la ISA v roce 2009. Norma v této verzi ale neprošla schválením IEC a byla vrá­cena k přepracování. Nová verze byla očeká­vána v roce 2010, nicméně pro připomínky ko­mise ISA 100 zatím vydána nebyla a čeká se na vydání verze ISA 100.11a-2011 [8].

 

Zatímco práce na protokolu WirelessHART byly organizací HCF zahájeny v roce 2004 a protokol byl formálně dokončen v roce 2007 (schválen IEC v roce 2008), vývoj protokolu WIA-PA byl zahájen v roce 2007 a na podzim 2008 byl již schválen jako veřejně přístupná specifikace IEC pod označením IEC/PAS 62601. Standard WIA-PA (Wireless network for Industrial Automation – Process Automation) byl vyvinut čínskou organizací CIWA (Chinese Industrial Wireless Alliance) pro úče­ly procesní automatizace [9]. Využívá obdob­né principy jako WirelessHART a ISA 100.11a, je také založen na normě IEEE 802.15.4-2006, ale na rozdíl od předchozích protokolů zacho­vává plnou kompatibilitu s normou IEEE 802.15.4 i na přístupové vrstvě a definuje pou­ze rozšíření na dalších vrstvách.

 

WIA-PA rozlišuje pět fyzických typů zaří­zení v síti WIA-PA. Jde o (1) nadřazený po­čítač (rozhraní pro přístup ke správě sítě), (2) bránu (gateway; propojuje síť WIA-PA s dalšími průmyslovými protokoly), (3) smě­rovač (router, je určen k propojení částí sítí WIA-PA), (4) provozní přístroj (field devi­ce, zařízení připojené k provoznímu sníma­či nebo akčnímu členu) a (5) přenosný přístroj (handheld, zařízení pro konfiguraci a monitorování). Navíc jsou definována dvě logická zařízení správce sítě (network ma­nager) a správce bezpečnosti (security ma­nager). Příklad topologie sítě WIA-PA je na obr. 7. Správce sítě je zodpovědný za udržo­vání konfigurace sítě, plánování komunika­ce mezi směrovači (routery), údržbu směro­vacích tabulek a monitorování provozu sítě. Správce bezpečnosti udržuje konfiguraci, spravuje kryptografické klíče a autentizuje zařízení v síti (směrovače a přístroje).

 

Protokol je založen na vrstvovém mode­lu, ze kterého stanovuje linkovou podvrstvu, síťovou a aplikační vrstvu. Na fyzické a lin­kové vrstvě používá normu IEEE 802.15.4--2006 pro rádiovou komunikaci v pásmu ISM 2,4 GHz. Na linkové úrovni využívá režim IEEE 802.15.4 s tzv. superframe-strukturou, kterou doplňuje vlastní linkovou podvrstvou. Zařízení se synchronizují pomocí majáku (be­acon), pravidelně vysílaného koordinátorem sítě, který funguje jako začátek každého superframe. Podle IEEE 802.15.4 se superfra­me skládá z aktivní a neaktivní části. Komu­nikace probíhají v aktivní části, která je roz­dělena na šestnáct časových slotů. V první fázi probíhá náhodný přístup (CAP), ve dru­hé fázi aktivní části může být až sedm ča­sových slotů určeno pro vyhrazenou komu­nikaci s přístupem TDMA (CFP). Standard WIA-PA rozšiřuje tuto strukturu přidáním dalších dvou komunikačních fází, které ne­jsou definovány v IEEE 802.15.4, do neaktiv­ní části superframe. Tyto dvě fáze jsou využí­vány ke komunikaci uvnitř clusterů a ke ko­munikaci mezi clustery navzájem. Zbývající část superframe-struktury zůstává neaktivní a může být využita pro spánkový režim zaří­zení v síti. Struktura WIA-PA superframe je znázorněna na obr. 8.

 

Síť WIA-PA využívá současně více kaná­lů, aby byla zajištěna koexistence několika clusterů na stejném místě a ve stejném čase (přístup FDMA – Frequency Division Multi­ple Access). Aby síť poskytla odolnost pro­ti úzkopásmovému rušení, umožňuje navíc dynamickou změnu kanálu pro různé části superframe. V aktivní části superframe, kte­rá odpovídá normě IEEE 802.15.4, zůstává frekvence po celou dobu trvání stejná, mění se pouze mezi jednotlivými rámci super­frame. Fáze s náhodným přístupem (CAP) aktivní části slouží k připojování nových zaří­zení a správě clusteru a využívá přístup k mé­diu CSMA-CA. Fáze s vyhrazeným přístu­pem (CFP) je určena ke komunikaci přenos­ných zařízení se správcem clusteru a využívá přístup k médiu TDMA podle mechanismu GTS (Guaranteed Time Slots), definovaného v IEEE 802.15.4.

 

V neaktivní části superframe probíhá fáze komunikace uvnitř clusteru (Intra-cluster), která je využívána ke komunikaci mezi pro­vozními přístroji a směrovačem v rámci jed­noho clusteru. Přístup k médiu je založen na TDMA. Komunikační kanál se může měnit mezi jednotlivými sloty na základě aktuál­ního stavu. Dále v neaktivní části superfra­me následuje fáze komunikace mezi cluste­ry (Inter-cluster), kde probíhá výměna dat na úrovni směrovačů. Přístup k médiu je založen na TDMA v kombinaci s pravidelnou změnou komunikačního kanálu. Celkem tak vzniká kombinace různých metod FDMA s přístu­py CSMA a TDMA k médiu.

 

Topologie sítě odpovídá IEEE 802.15.4. Směrovače, zařízení FFD ve smyslu IEEE 802.15.4, tvoří mezi sebou síť mesh propoju­jící jednotlivé clustery. Přístroje jsou napro­ti tomu zařízení RFD schopná komunikovat pouze se směrovačem, ke kterému jsou při­pojena. Výsledná topologie je označována jako hybridní topologie hvězda-mesh: každý směrovač se svými přístroji připojenými do hvězdy tvoří jeden cluster sítě WIA-PA (PAN v terminologii IEEE 802.15.4), přičemž smě­rovač zastává funkci správce clusteru (cluster head). Směrování mezi jednotlivými clustery je řešeno statickými algoritmy pro hledání cesty v grafu.

 

Na aplikační úrovni může v jednom za­řízení existovat několik aplikačních objek­tů, které mezi sebou mohou komunikovat. K podpoře dalších průmyslových protokolů (Profibus, FF, HART, Modbus) je využíváno virtuální zařízení. Přímá podpora vyšších ko­munikačních protokolů nebo komunikačních profilů není definována.

 

Standard WIA-PA je poměrně složitá kon­strukce, přesto byl jeho vývoj rychlý a byl úspěšně schválen jako norma IEC 62601. Certifikaci výrobků zajišťuje CIWA.

Literatura k druhé části:

[6] ISA100 Wireless Compliance Institute: The Technology Behind the ISA 100.11a Standard – An Exploration. [online]. 2010 [cit. 2011-03-02]. Dostupné na <http://www.isa100wci.org/Documents/PDF/The-Technology-Behind-ISA100-11a-v-3_pptx.aspx>.

[7] SHELBY, Z. – BORMANN, C.: 6LoWPAN: The Wireless Embedded Internet. Wiley, 2009. 244 s., ISBN 0470747994.

[8] BOYES, W.: Convergence Fail – ISA100 editors reject convergence again. In: ControlGlobal.com [online]. 2011 [cit. 2011-03-02]. Dostupné na <http://community.controlglobal.com/content/convergence-fail-isa100-editovrs-reject-conver­gence-again-pauto-wireless-isa100-wirelesshart>.

[9] LIANG, W. et al.: Survey and experiments of WIA-PA specification of industrial wireless ne­twork. In: Wireless Communications and Mobile Computing [online]. Wiley, 2010 [cit. 2011-03-02]. Dostupné na <http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/wcm.976/abstract>.

 

 

ústav automatizace a měřicí techniky

FEKT VUT v Brně

 

Obr. 6. Příklad metody přístupu k médiu pro ISA 100.11a s přeskakováním kanálu: a) slotted hopping, b) slow hop­ping, c) kombinace slotted a slow hopping