Aktuální vydání

celé číslo

12

2020

Systémy DCS pro kontinuální a dávkové výrobní procesy

Provozní analytická technika

celé číslo

Bezdrátový Ethernet v průmyslovém prostředí

číslo 11/2003

Bezdrátový Ethernet v průmyslovém prostředí

Jde to i bez drátů

V kanceláři i na cestách lidé digitálního věku stále hledají způsoby, jak být trvale spojeni s digitální sítí a nebýt při tom obtěžováni dráty a kabely. Dobrá zpráva: dnes již mohou využít spoustu technických prostředků, které jim to usnadní, jako např. mobilní telefony, PDA nebo pagery.

Jak roste popularita bezdrátových komunikací, začínají tyto prostředky pronikat i do oblasti, která je pro ně nová – do průmyslových aplikací. Klíčovým hráčem tohoto průniku je Ethernet. Ačkoliv je v průmyslových aplikacích používán již mnoho let, v současné době se pohled na jeho místo a úkoly v průmyslovém řízení mění.

Bezdrátový Ethernet si v průmyslových podnicích brzy po svém představení našel místo především v „kancelářských“ aplikacích. Firmy jej instalovaly proto, aby jejich zaměstnanci byli mobilní a mohli využívat přenosné počítače připojené na firemní informační síť bez omezení kabelovým připojením.

Naneštěstí se průmyslové prostředí výrobních hal a bezprostřední okolí technologických zařízení ukázaly být pro bezdrátový Ethernet opravdu tvrdým oříškem. Ačkoliv se pracovníci v kancelářích mohli se svými přenosnými počítači pohybovat celkem libovolně, jakmile vkročili do výrobní haly, spojení bylo ztraceno. Aby manažeři s notebooky mohli vstoupit i tam, bylo nutné zajistit jim v tomto prostředí dostatečně silný a kvalitní signál. Tak začalo přátelství bezdrátového Ethernetu s průmyslovým prostředím.

Bezdrátový Ethernet přenáší data podobně jako jeho kabelový předchůdce – jenže k tomu místo kabelového rozvodu používá rádiový signál. Běžný uživatel, který by si nevšiml, že z jeho notebooku nevede kabel, by rozdíl možná ani nepoznal. Přestože jsou si oba způsoby komunikace podobné, jsou mezi nimi při podrobnějším pohledu některé patrné rozdíly. Pro bezdrátový Ethernet jsou běžné delší doby odezvy a jejich větší časová nejistota. To ovšem uživatele ve většině případů nijak výrazně neomezí.

Nový impuls přišel s 802.11b

Jak postupoval vývoj a jednotlivé společnosti zaváděly svoje vlastní implementace bezdrátového Ethernetu, jako houby po dešti vyrostlo množství proprietárních, firemních protokolů. Pro to, aby byla tomuto zmatku učiněna přítrž, vytvořilo sdružení IEEE (Institute for Electrical and Electronics Engineers) normu 802.11b, standard pro bezdrátový Ethernet s přenosovou rychlostí 11 Mb/s v pásmu 2,4 GHz. Firmy tento standard, vhodný i pro průmyslové prostředí, rychle přijaly.

Proč norma 802.11b získala tak širokou podporu? Základní důvod je, že používá princip rozprostje „rozmítána“ a přenášena na několika frekvencích. To je zvláště v průmyslovém prostředí velmi výhodné, protože množství kovových konstrukcí způsobuje, že se v něm rádiový signál mnohonásobně odráží. Kdyby byla použita jedna nosná frekvence, mohlo by dojít k simultánnímu příjmu původního a odraženého, fázově posunutého signálu, které by navzájem interferovaly. Protože podle 802.11b se používá svazek nosných frekvencí, je informace i v tomto případě v pořádku doručena. Metoda rozprostPopularita 802.11b je příčinou zlepšování interoperability mezi bezdrátovými zařízeními od různých dodavatelů. V kombinaci s dalšími výhodami aplikace této normy to zpětně působí na výrobce, aby ještě více protežovali techniku, která splňuje požadavky této normy.

Navzdory vší podpoře, která se normě 802.11b dostává, se stále používají i proprietární řešení bezdrátového Ethernetu. Mnohé z nich se však dostávají na okraj zájmu a velké společnosti se od nich odvracejí směrem k 802.11b.

Jedno z řešení bezdrátových sítí, kterému je věnována značná pozornost, je Bluetooth. Je určeno pro omezený počet účastníků. Zatímco většina bezdrátové techniky dává při řízení komunikace přednost příjmu před vysíláním, Bluetooth upřednostňuje přenos před příjmem.

Základní důvod, proč se lidé zajímají o Bluetooth, je cena tohoto řešení, která by měla být nižší než u 802.11b. Systém byl navrhován s tím, že cena bude přibližně pět amerických dolarů za čipovou sadu. Ačkoliv ceny prudce klesly z padesáti na současných patnáct dolarů za čipovou sadu, stále je to podstatně více, než byl výchozí odhad (pozn. red.: ceny jsou z léta 2002). To je cena srovnatelná s 802.11b. Přidá-li se k tomu omezení počtu účastníků v síti, výsledkem je slábnoucí zájem o Bluetooth v průmyslových aplikacích.

Bezdrátově: proč ano, proč ne?

Ačkoliv bezdrátová zařízení jsou již realitou, jejich místo v průmyslovém prostředí ještě není stabilní. Uživatelé je přijímají nebo odmítají z nejrůznějších příčin.

Zřetelnou výhodou bezdrátových zařízení je to, že poskytují volnost pohybu. Tam, kde by kabelové rozvody byly samy o sobě problematické, ať už z technických příčin, nebo pro jejich cenu či pro vysoké náklady na údržbu, je přínos bezdrátových zařízení nesporný. Bezdrátový Ethernet je jako „ušitý na míru“ např. pro jeřáby. Kabelové rozvody jeřábů a podobných manipulačních zařízení se značným rozsahem pohybu jsou častým zdrojem poruch, které způsobují prostoje, a náklady na údržbu dlouhých pohyblivých kabelů jsou vysoké.

Bezdrátová komunikace je přínosem také pro zařízení, která jsou umístěna mimo vlastní závod. Komunikační a napájecí kabelové rozvody jsou v tom případě vystaveny nepříznivým vlivům povětrnosti. Bezdrátové sítě omezují množství kabelů, a tím i náklady na jejich údržbu. Také připojení nového vzdáleného technologického zařízení je s bezdrátovou sítí jednodušší.

Ale i bezdrátové sítě mají zásadní nevýhody. Především je to nezaručená rychlost komunikace. Obecně lze říci, že modem pracuje s nejvyšší přenosovou rychlostí, která je za daných podmínek možná. Ta se ale podstatně mění se vzdáleností zařízení od přístupového bodu a s úrovní rušení. Bezdrátová zařízení také do komunikace vnášejí časovou nestabilitu. Jestliže aplikace vyžaduje zaručené doby odezev, nebývá bezdrátová síť tou nejlepší volbou.

Dalším kamenem úrazu je kapacita sítě. Je-li v dané oblasti mnoho bezdrátových zařízení, jejich komunikace se vzájemně ovlivňuje. Je-li navíc pro každé ze zařízení k dispozici jen úzké spektrum přenosových frekvencí, může dojít k situaci, že nebude možné vůbec žádný přenos dat uskutečnit.

Poslední věc, kterou je třeba mít na mysli, je ta, že průmyslová zařízení, nehledě na všechna uvedená plus a minus bezdrátové komunikace, téměř vždy potřebují přívod napájení.

Z těchto úvah vyplývá, že kompletně bezdrátový průmyslový podnik zatím není v praxi realizovatelný.

Hledání aplikací pro bezdrátové komunikace

Inženýři a projektanti průmyslových systémů sledují možnosti moderní bezdrátové techniky a hledají aplikace, v nichž ji lze s výhodou použít. Většina prvních aplikací souvisela s programováním a monitorováním činnosti zařízení. Tam, kde je instalován bezdrátový Ethernet, může operátor vzít laptop a pohybovat se ve výrobní hale a přitom má přehled o činnosti všech strojů, aniž by se musel kamkoliv připojovat kabelem.

Jiná kategorie přístrojů, kde se používají bezdrátové komunikace, jsou operátorské panely. Tam, kde jeden operátor obsluhuje větší počet strojů, může být výhodné místo operátorského panelu na každém stroji použít mobilní operátorský panel. Operátor tak může nosit svůj vlastní operátorský panel a komunikovat jeho prostřednictvím s tím strojem, se kterým právě komunikovat potřebuje.

Další oblast, v níž bezdrátové komunikace naleznou uplatnění, jsou zařízení, kde se počítá s častou změnou konfigurace nebo častou modernizací. Doba a náklady potřebné k demontáži starých a montáži nových kabelových rozvodů mohou být tak velké, že se vyplatí v takové technologii instalovat bezdrátový Ethernet.

Je důležité poznamenat, že ve většině aplikací se bezdrátové komunikace používají spíše k monitorování činnosti strojů než bezprostředně k jejich řízení. Vzhledem k problémům s výkonem sítě a její bezpečností se firmy zatím stále zdráhají předat řídicí úkoly bezdrátovému Ethernetu.

Jaká je budoucnost bezdrátového Ethernetu?

Představte si, že jste vedoucí provozu, kde probíhá dynamický a složitý výrobní proces s mnoha postupnými operacemi. Místo budíku vás vzbudí zpráva o noční činnosti provozu. Zatímco pijete ranní kávu, na PDA si přečtete pár e-mailů od obchodního oddělení, podíváte se na videozánam, zda je v provozu vše v pořádku, a když je PDA připojen on-line, můžete udělat několik drobných změn v nastavení strojů. Dříve, než vkročíte do výrobní haly, máte k dispozici vše, abyste se mohl chopit denních úkolů.

Je to vzdálená budoucnost? Nová technika pomáhá tento sen uskutečnit.

Podporu získávají i standardy podobné 802.11b. Například 802.11a je velmi podobný standard, ale definuje komunikaci přenosovou rychlostí 54 Mb/s v pásmu 5 GHz. Výhodou je, že umožňuje používat větší šířku pásma a větší přenosovou rychlost. Uživatel se také dostává z frekvenčního pásma 2,4 GHz, v němž začíná být s rozšiřujícím se počtem bezdrátových zařízení poněkud těsno.

802.11a se v průmyslových aplikacích objeví pravděpodobně za tři roky až pět let. Souvisí to s cenami, které jsou dosud vysoké, a s dostupností potřebných zařízení. Až se ceny dostanou na přijatelnou úroveň, objeví se první zařízení používající 802.11a nejprve v aplikacích, kde je nutná velká šířka přenosového pásma. Postupně, se snižováním cen až na úroveň 802.11b, bude aplikací přibývat.

Další faktor, který pomůže rozšiřování zařízení kompatibilních s 802.11a, je přenosová rychlost. Tak jako u kabelového Ethernetu lze pozorovat migraci z přenosové rychlosti 10 Mb/s na 100 Mb/s, u bezdrátového budou zařízení s přenosovou rychlostí 11 Mb/s nahrazována zařízeními s rychlostí 54 Mb/s. Bude se rozšiřovat počet aplikací pro operátorská rozhraní a jiných programů, které budou podporovat bezdrátový Ethernet.

Vzhledem k tomu, že bezdrátové komunikace jsou novinkou, automatizace k nim teprve hledá cestu. To je také důvod, proč uživatelé požadují od firem, které poskytují výrobky a služby v tomto oboru, obsáhlé konzultace, průzkumy, posudky a kompletní řešení, zvláště pro průmyslové aplikace. Tyto služby pomáhají uživatelům, aby jim aplikace bezdrátových komunikací přinášely co největší užitek.

Jak se budou stávat bezdrátové komunikace běžnými, dodavatelé a výrobci budou stále více počítat s těmi řešeními, která se osvědčí, jako s komerčně dostupnými variantami. Potom se vyjasní i dopady bezdrátového Ethernetu na průmyslové aplikace.

Doug McEdowney,
Strategic Marketing Manager,
Ken Hall,
Vicepresident of Architecture and System Technology,
Rockwell Automation

Inzerce zpět