Aktuální vydání

celé číslo

03

2024

Automatizační technika v energetice a teplárenství, úspory energie

Snímače teploty

celé číslo

Spolehlivá bezdrátová komunikace už není oxymorón

Do jaké míry se mohou inženýři, automatizační technici a manažeři spolehnout na bezdrátovou komunikaci? Tento článek pojednává o klíčových faktorech, které ovlivňují spolehlivost bezdrátových komunikačních sítí, ať jde o vliv vlastní komunikační techniky nebo okolního prostředí. Ukazuje, jak se vypořádat s problémy, které se při využívání bezdrátových sítí mohou vyskytovat, a uvádí příklady ilustrující, že za určitých okolností je bezdrátová komunikační síť spolehlivější než klasická síť využívající kabely s měděnými vodiči.
 
Článek vznikl jako záznam přednášky Kevina Zamzowa přednesené na semináři Budoucnost bezdrátové komunikace v průmyslové automatizaci, který uspořádala společnost Frost & Sullivan v únoru 2009 ve Frankfurtu nad Mohanem (SRN).
 
Snížení nákladů, úspora času, jednoduchá implementace, snadná údržba, flexibilita, velká rychlost, to jsou argumenty, které mnozí uživatelé uvádějí ve prospěch bezdrátových komunikačních sítí pracujících ve frekvenčních pásmech 2,4 a 5 GHz. Někteří z nich dokonce tvrdí, že díky bezdrátovým sítím jsou provozní data přenášena bezpečněji a spolehlivěji než v komunikačních sítích využívajících kabely. Zvýšená spolehlivost komunikace vede nejen ke snížení frekvence a zkrácení doby odstávek výrobních zařízení, ale také k výraznému zmenšení nákladů na údržbu. Podívejme se nyní blíže, jak dosáhnout toho, aby bezdrátové sítě opravdu přinášely uživatelům všechny zmíněné výhody.
 

Spolehlivost bezdrátových sítí

 
Je spolehlivá bezdrátová síť oxymorón, nebo nikoliv? Spolehlivost bezdrátových sítí v průmyslových podmínkách ovlivňuje mnoho faktorů. Především je to technická vyspělost bezdrátové komunikační techniky, která s sebou nese míru spolehlivosti jednotlivých komponent. Mimořádně důležitý je správný výběr prvků bezdrátové komunikační sítě podle požadavků projektu. Je třeba brát ohled zejména na tato kritéria:
  • možnost přenosu daných průmyslových protokolů,
  • podpora požadované rychlosti komunikace,
  • vliv jiných rádiových sítí,
  • vzdálenost mezi stanicemi,
  • zabezpečení přenášených informací.
V průmyslové praxi je možné najít mnoho příkladů, v nichž je bezdrátová komunikace spolehlivější než komunikace prostřednictvím kabelových sítí. V dalším textu bude popsáno několik příkladů úspěšných implementací bezdrátových komunikačních sítí v průmyslovém prostředí a bude u nich uvedeno, jaká opatření vedou k dosažení potřebné spolehlivosti komunikace.
 

„Průmyslové“ bezdrátové komunikační sítě musí být vhodné pro přenos „průmyslových“ protokolů

 
První průmyslové protokoly se objevily v druhé polovině sedmdesátých let 20. století, současně se začátkem používání digitálních řídicích systémů založených na počítačové technice (obr. 1). Byly to převážně protokoly vycházející z kódování ASCII. Z historického hlediska byl prvním průmyslovým protokolem, který se stal standardem, Modbus. Je pozoruhodné, že tento protokol se stále používá a stále přibývají nové instalace, a dokonce je často přenášen prostřednictvím bezdrátových sítí!
 
Při pohledu na současný trh průmyslových komunikačních prostředků je zřejmé, že stále populárnější jsou protokoly využívající Ethernet. Obecně řečeno jsou to protokoly, které jako fyzickou vrstvu využívají Ethernet a jako transportní vrstvu nejčastěji TCP/IP. To zjednodušuje propojení automatizačních systémů s informačními systémy založenými na běžné výpočetní technice. Současně tyto protokoly podporují pravidla pro přenos dat, která vycházejí z průmyslových komunikačních protokolů a odpovídají požadavkům běžným v průmyslových automatizačních systémech. To jsou také omezující podmínky pro bezdrátové komunikační systémy určené pro použití v průmyslu. Ne všechny jsou totiž schopny plně podporovat tyto průmyslové ethernetové protokoly. Ve skutečnosti musí mít bezdrátové komunikační systémy vhodné pro průmyslové použití kromě „průmyslového“ hardwaru také specifické algoritmy pro zpracování dat. K tomuto bodu se později ještě vrátíme.
 
V průmyslové automatizaci se nezřídka používají bezdrátové komunikační systémy, které jsou specifické pro dané protokoly. Příslušné standardy byly publikovány a na trhu se objevují první produkty. Jde o standardy WirelessHART a ISA 100.11a, oba určené pro procesní výrobu (chemie, petrochemie atd.).
 

„Průmyslové“ bezdrátové komunikační systémy musí být vhodné pro „průmyslové“ úlohy

 
V oblasti kancelářských informačních systémů nebo domácí výpočetní techniky neustále roste propustnost komunikačních kanálů, resp. rychlost, jakou lze přenášet data. My jako jejich uživatelé to patřičně oceňujeme.
 
V průmyslové automatizaci je to jinak. Skutečnost, že bezdrátové sítě nabízejí stále větší datovou propustnost, je v některých průmyslových úlohách vítaná, nebo dokonce nezbytná, ale naproti tomu je mnoho případů, kde je dostačující datová propustnost v desítkách kilobitů za sekundu. Protože požadavky v různých úlohách v automatizaci jsou různé, existuje také mnoho různých typů bezdrátových sítí, které v průmyslu vzájemně koexistují (obr. 2).
 
Například v systémech SCADA je třeba přenášet data na velké vzdálenosti, spojení musí být nepřetržité, ale postačuje rychlost přenosu 19,2 kb/s. Zde je preferovaným typem komunikace proprietární rádiová síť v licencovaném pásmu. Naproti tomu v automatizaci strojů je nezřídka potřebná rychlost až 300 Mb/s a více než 10 000 datových paketů za sekundu. V tomto případě je na místě řešení založené na standardu bezdrátového Ethernetu podle normy 802.11n. Možností je mnohem více: v průmyslu se používají sítě, které pro zvýšení odolnosti proti přeslechům a rušení využívají metodu FHSS, dále sítě založené na standardu 802.15.4, sítě GSM/GPRS a mnohé další – prostě proto, že také spektrum úloh je nesmírně široké.
 
V kancelářích, domácnostech nebo hotelích se dosah bezdrátových sítí pohybuje nejvýše v desítkách metrů, v průmyslu jsou to v budovách desítky nebo stovky metrů, mimo budovy až desítky kilometrů. Proto je třeba věnovat pozornost výběru vhodné antény, neboť ta významně ovlivňuje kvalitu přenosu dat. Mezi účastníky komunikace se mnohdy vyskytují překážky nepropustné pro rádiový signál. Řešením jsou opakovače signálu. Tam, kde není k dispozici síťové napájení, používají účastníci komunikace napájení z baterií. Jaké jsou nejčastější úlohy, v nichž se v průmyslu používají bezdrátové přenosy dat? Z velkého množství je možné jmenovat např. komunikaci mezi řídicím systémem a mobilními pracovníky, kteří systém uvádějí do provozu, programují nebo vykonávají jeho údržbu, dále spojení mezi vzdálenými subsystémy, ať na různých strojích, nebo dokonce v různých budovách, připojení vzdálených účastníků do řídicího systému, nahrazení pohyblivých kabelových přívodů u jeřábů nebo robotů, náhradu sběrných kroužků u rotačních pohybů atd. Z hlediska plošného rozsahu jde o sítě PAN, LAN nebo WAN. Mnohdy musí na jednom místě bez vzájemného rušení pracovat několik bezdrátových sítí.
 
Rádiové rušení způsobené vysíláním několika sítí na jednom místě je jedním z faktorů, které mohou negativně ovlivnit spolehlivost rádiových sítí. Například sítě podle IEEE 802.11b mají k dispozici třináct (v některých zemích jedenáct) kanálů, ale ve stejný okamžik bez vzájemného rušení mohou být využívány pouze tři. Ve zkratce, některé sítě jsou pro koexistenci několika sítí v jednom prostoru vhodnější než jiné, a je proto velmi důležité vybrat vhodný typ sítě podle toho, s jakými bezdrátovými sítěmi bude muset v daném místě koexistovat (nyní i v budoucnu). U sítí v provozu je dobré průběžně sledovat jejich rušení a při případných změnách včas přijmout opatření k zachování jejich spolehlivosti.
 
Průmyslová rádiová síť také může rušit... sebe samu! Rádiové vlny se odrážejí od kovových předmětů, a mohou se tak od vysílače k přijímači šířit několika různými cestami. Mezi signály, které k přijímači tímto způsobem dorazí, je časový a fázový posuv. V průmyslovém prostředí je kovových povrchů, kde se rádiové vlny mohou odrážet, velmi mnoho: jsou to stroje, kovové skříně rozváděčů, budovy samy, ale také pohybující se manipulační vozíky, jeřáby a jimi převážené kovové součásti, kovové polotovary nebo nástroje přenášené obsluhou apod. O tom, jaký je vliv odrazů na kvalitu rádiového příjmu, je možné dlouze teoreticky diskutovat, ale zkráceně lze říci, že průmyslové komunikační sítě potřebují ke spolehlivému příjmu speciální algoritmy zpracování signálů, které se dokážou s vlivem odrazů vypořádat. Zkušenosti z praxe dokládají, že to dokážou velmi účinně.
 

Rádiové sítě v průmyslových provozech

 
Jak se mohu na bezdrátové spojení spolehnout? Bude k dispozici právě v okamžiku, kdy potřebuji přenášet data? Může být přenos ovlivněn vzájemnými interferencemi mezi různými sítěmi? Bude mít síť při dané vzdálenosti mezi stanicemi přijatelnou datovou propustnost? Může ta či ona bezdrátová síť přenášet průmyslové komunikační protokoly, které používám? A jak?
 
Odpovědi na tyto otázky je možné hledat také prostřednictvím ukázkových projektů a zkušeností uživatelů. Těch, kteří bezdrátovou komunikační technikou nahradili vlečné kabely u manipulačních zařízení nebo sběrné kroužky u rotačních pohybů či sběrače a vodivé dráhy u výrobní linky se zavěšenými manipulačními vozíky a nebo staré, dosluhující kabelové rozvody v čističce odpadních vod. A těch, kteří při tom využívají protokoly Modbus TCP/IP, EtherNet/IP, Profibus a další.
 
Výhody, které uživatelé zvláště zdůrazňují, jsou tyto: možnost realizovat projekt v případech, kdy jiný typ komunikace z technických nebo ekonomických důvodů není možný, flexibilita (jednotlivá zařízení lze snadno přidávat i odebírat) a velmi často také snížení nákladů (jak investičních, tak provozních).
 
Ve zkratce, přejít na bezdrátovou komunikaci zpravidla znamená, že není třeba uvažovat o nákladech na projektování a instalování kabelových tras, o upevnění „girland“ datových kabelů, o životnosti kabelů ve vztahu k počtu pohybů vykonaných zařízením, o nutnosti vyměnit poškozený kabel, o nutnosti udržovat a měnit kontaktní kroužky nebo sběrače pohyblivých vozíků apod. Úspory jsou v desítkách a stovkách tisíc korun.
 
V mnoha případech navíc bezdrátová varianta komunikace přináší větší spolehlivost zařízení. Jde např. o ty případy, kdy bezdrátová komunikace umožní dosáhnout větší datové propustnosti než např. sběrače a vodivé dráhy nebo sběrné kroužky. Pohony pohyblivých součástí potom mohou na pokyny řídicího systému reagovat rychleji; tím se snižuje riziko kolize pohybujících se součástí. Konkrétní zkušenosti z projektů jsou již k dispozici a mohou být vhodným námětem na několik dalších článků.
Kevin Zamzow, Bruno Forgue,
 
Obr. 1. Existuje mnoho druhů průmyslových komunikačních protokolů, ale možnosti jejich přenosu danou bezdrátovou sítí musí v konkrétním případě posoudit odborník; pro mnohé protokoly existuje metodika použití v bezdrátových sítích, jsou k dispozici ukázkové příklady řešených úloh i technická podpora
Obr. 2. Výběr bezdrátových sítí pro použití v průmyslové automatizaci je široký; liší se použitou frekvencí, dosahem, odolností proti rušení a technickou vyspělostí
Obr. 3. Komponenty pro průmyslové prostředí se vyznačují velkou odolností: na obrázku je komunikační brána určená pro přenos ethernetových protokolů v pásmu 2,4 GHz s využitím metody FHSS; zařízení určené pro montáž na lištu DIN je v odolném hliníkovém pouzdru a rozsah pracovních teplot je –40 až +70 °C
Obr. 4. K dispozici jsou i zařízení určená pro venkovní použití: průmyslový hotspot pro WiFi s krytím IP66 odolává prachu i stříkající vodě
 

Bezdrátový

Slovo „bezdrátový“ zde znamená nejen bez drátů, ale bez jakýchkoliv vodičů (elektrických či optických). V souvislosti s průmyslovou automatizací se bezdrátovou komunikační sítí již několik desetiletí rozumí nejčastěji komunikační síť pracující v pásmu UHF nebo VHF. Tyto sítě bývají označovány také jako rádiové a jsou určeny zpravidla pro přenos krátkých datových paketů na velké vzdálenosti.
 
Jinou možností je přenos dat prostřednictvím sítí operátorů mobilních telefonů (GSM). V sítích GSM je k dispozici mnoho způsobů, jak přenášet data i na extrémně velké vzdálenosti.
 
V průmyslové automatizaci se používá také přenos dat infračerveným paprskem. Tento přenos je možný jen na krátké vzdálenosti, zpravidla pouze v budovách, a je velmi citlivý na prach, kouř a pohyblivé překážky. Přesto najde uplatnění, zejména při nastavování parametrů zařízení a jejich uvádění do provozu.
 
V současné době se pod pojmem bezdrátová komunikační síť často rozumí sítě podle normy 802.11, které pracují v pásmu gigahertzových vln. Propagátoři těchto sítí, označovaných obchodní značkou WiFi, dokázali, že slova „mobilita“ a „flexibilita“ pronikla do každodenního slovníku.
 
Také tento článek se věnuje z větší části právě těmto sítím.
 

Bezpečnost, zabezpečení a spolehlivost?

Hovoří-li se o integritě přenášených dat, lze mít na mysli jejich zabezpečení stejně jako spolehlivost jejich přenosu.
 
Spolehlivost (reliability) znamená, že žádná data nejsou při přenosu ztracena ani poškozena; každý programovatelný automat, operátorský panel i všechna ostatní automatizační zařízení obdrží správná data ve správný čas. Věřte, že množství instalovaných bezdrátových sítí, používaných např. pro přenos dat ve vysokorychlostním manipulačních zařízeních, jeřábech s velkou nosností, systémech pro detekci požáru a výbuchu, nebo dokonce v bezpečnostních systémech automatizovaných technologií, je dostatečným důkazem jejich spolehlivosti, která je mnohdy lepší než u klasických kabelových sítí.
 
Zabezpečení (security) znamená odolnost sítě proti narušení: uživatel nechce, aby se někdo nepovolaný mohl připojit do jeho sítě, číst jeho data, měnit je nebo kopírovat jeho programy.
 
Bezpečnost (safety) je spojena s provozem strojů a strojních zařízení.
 
Tento článek se zabývá spolehlivostí komunikačních sítí. Jejich zabezpečení a využití v bezpečnostních systémech může být námětem dalšího článku.
 

Oxymorón

 
Oxymorón - česky protimluv, z řeckého oxys, ostrý, a moros, tupý; spojení slov, jejichž význam se navzájem vylučuje, např. ohlušující ticho, svítání na západě (O. Březina). Při striktním výkladu by oxymorón tvořil logický spor, paradox. Oxymorón se používá jako básnický prostředek, mimo to se tento výraz někdy používá k označení těch vyjádření, která kritik považuje za chybná, popř. tím sdělí svůj názor na věc (např. tím, že spojení „poctivý politik“ označí za oxymorón, chce dát najevo, že všechny politiky považuje za nepoctivé).
Zdroj: © Wipikedie, otevřená encyklopedie (http://cs.wikipedia.org)