Porównanie protokołów bezprzewodowych stosowanych w automatyce przemysłowej

Czwarta rewolucja przemysłowa (przemysł 4.0) przyniosła maszynom większą inteligencję, a zautomatyzowanym zakładom większą wydajność i elastyczność. Coraz bardziej złożone systemy przyczyniły się do przyjęcia komunikacji bezprzewodowej w warunkach przemysłowych. Inteligentne maszyny przemysłu 4.0 i automatyzację modułową definiuje się przez:

• bezpieczną i elastyczną łączność sterowania
• gromadzenie i ciągłe dostosowywanie parametrów procesu produkcyjnego
• monitorowanie stanu maszyn w ramach procedur konserwacji predykcyjnej
• tworzenie sieci pozwalających na analizę big-data

Technologie bezprzewodowe obsługujące wspomniane funkcje są oparte na standardach i protokołach komórkowych, Wi-Fi, Bluetooth oraz IEEE 802.15.4. Jest tak po części dlatego, że inżynierowie-projektanci oczekują kompatybilności komponentów od różnych dostawców - co z definicji wymaga łączności za pośrednictwem interfejsów zgodnych ze standardami branżowymi, a nie interfejsów własnych. W rzeczywistości kompatybilność to tylko jeden z aspektów przemysłu 4.0.

Ilustracja 1: łączność bezprzewodowa ma kluczowe znaczenie dla koordynacji obsługi materiałów i wspólnych zadań robotów. (Źródło ilustracji: Getty Images)

Poszczególne urządzenia wykorzystujące komunikację bezprzewodową są zazwyczaj droższe niż sieci przewodowe. Jednak ten zwiększony koszt początkowy zwraca się na kilka sposobów, a urządzenia bezprzewodowe często okazują się najbardziej opłacalną opcją na dłuższą metę. Dzieje się tak, ponieważ koszt prowadzenia okablowania w obszarze produkcyjnym może być znaczny. Planowanie przebiegu kabli i ich złączy wymaga wysiłku. Oprócz tego kable wymagają zabezpieczeń i fizycznego podparcia w postaci tac kablowych lub wsporników, a także puszek połączeniowych i innych akcesoriów. Planowanie, zamawianie i instalowanie mocowań powiązanych z okablowaniem wydłuża czas potrzebny do wdrożenia sieci.

Standardy automatyki oparte na Wi-Fi

Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE) wprowadził w 1997 r. standard 802.11 określający znormalizowane wdrożenie bezprzewodowych sieci lokalnych (LAN). Aby rynek w pełni wykorzystał ten standard, wkrótce powołano konsorcjum branżowe Wi-Fi Alliance - na czele z firmami zajmującymi się urządzeniami bezprzewodowymi, zainteresowanymi realizacją programów testowania i certyfikacji w celu utrzymania wzajemnej kompatybilności produktów między dostawcami. Obecnie standard Wi-Fi zdefiniowany przez IEEE 802.11 jest uzupełniony o dodatkową standaryzację Wi-Fi Alliance w celu zapewnienia wyjątkowo niezawodnej kompatybilności urządzeń zgodnych z wymaganiami.

Ilustracja 2: przemysł 4.0 (zwany również przemysłowym Internetem rzeczy lub IIoT) jest nierozerwalnie związany z przyjęciem technologii bezprzewodowych. W ustandaryzowanych technologiach bezprzewodowych służących do ustanawiania łączności między różnymi urządzeniami i systemami komputerowymi wykorzystuje się urządzenia mobilne używane jako interfejsy człowiek-maszyna (HMI) (jak pokazano tutaj), a także niezliczone inne bezprzewodowe komponenty obiektowe przekazujące stan maszyny. (Źródło ilustracji: Getty Images)

Podczas gdy Wi-Fi jest całkiem przydatne do monitorowania aplikacji i łączenia maszyn z systemami na poziomie przedsiębiorstwa, problemy z szybkością, latencją i stabilnością połączenia Wi-Fi ograniczyły jego użycie w wymagających zastosowaniach z zakresu automatyki przemysłowej związanych ze sterowaniem maszynami. Oznacza to, że Wi-Fi w przemyśle jest obecnie ograniczone głównie do zastosowań o dość luźnych wymaganiach. Są to między innymi:

• Skanery kodów kreskowych, które przekazują dane do systemów realizacji produkcji (MES), w przypadku których sekunda lub dwie opóźnienia nie robią różnicy
• Czujniki ruchu niezaangażowane w funkcje sterowania w czasie rzeczywistym
• Długoterminowe monitorowanie stanu maszyny za pomocą czujników, takich jak przyspieszeniomierze (do śledzenia generowania drgań w czasie), a także czujniki temperatury, ciśnienia, wilgotności i stężenia gazu do monitorowania wydajności i stanu technicznego sprzętu

Ilustracja 3: chociaż technologia Wi-Fi nie nadaje się do sterowania maszynami, jest przydatna w zastosowaniach związanych z monitorowaniem maszyn i podłączaniu hal fabrycznych z systemami zakładowymi. (Źródło ilustracji: The Wi-Fi Alliance)

Podjęto kilka prób dostosowania technologii Wi-Fi do przemysłowych zastosowań sterowania, ale zakończyły się one wątpliwym sukcesem. Jedynym protokołem, który odniósł sukces w przemysłowym Internecie rzeczy (IIoT), jest sieć bezprzewodowa dla automatyki przemysłowej i automatyzacji procesów (WIA-PA) - chiński przemysłowy standard komunikacji bezprzewodowej.

Technologia Wi-Fi działa oczywiście z częstotliwością 2,4 lub 5GHz, przy czym wyższe częstotliwości umożliwiają szybszy transfer danych, ale zapewniają zmniejszony zasięg ze względu na to, że wyższe częstotliwości są łatwiej rozpraszane podczas przechodzenia przez ściany i inne ciała stałe. W standardach specjalistycznych wykorzystano inne pasma częstotliwości. Na przykład Wi-Fi o małej wielkości strumienia danych zgodne z normą IEEE 802.11ah (HaLow Wi-Fi) działa z częstotliwością około 900MHz - i jest zwykle stosowane w czujnikach wymagających zwiększonego zasięgu i bardzo niskiego zużycia energii. Z drugiej strony standard Wi-Fi IEEE 802.11ad (WiGig) działa z częstotliwością około 60GHz, zapewniając bardzo szybki transfer danych.

Standardy bezprzewodowe oparte na IEEE 802.15.4

Inne opcje bezprzewodowe to bezprzewodowe sieci osobiste o niskiej przepustowości czy też LR-WPAN zgodnie ze standardem IEEE 802.15.4. Technologie LR-WPAN przedkładają niski koszt i niski pobór mocy nad szybkość i zasięg. Dzięki podstawowej specyfikacji umożliwiającej transfer danych z szybkością do 250kbit/s i zasięgiem do 10m, technologie wykorzystujące łączność LR-WPAN mają umożliwiać komunikację między niedrogimi urządzeniami bez dodatkowej infrastruktury komunikacyjnej. Preferowanymi protokołami w przemysłowym Internecie rzeczy (IIoT) szybko stają się protokoły oparte na standardzie IEEE 802.15.4, takie jak 6LoWPAN, WirelessHART i ZigBee.

1. WirelessHART: jednym z protokołów opartych na standardzie 802.15.4 obsługiwanym przez fundację HART Communications Foundation , ABB, Siemens i inne podmioty, jest protokół WirelessHART. Jest to szeroko wspierany i solidny standard dla zastosowań z zakresu automatyki przemysłowej. Niezawodność sieci jest zapewniana dzięki sieci kratowej z sekwencyjną zmianą częstotliwości i synchronizacją czasu. Z kolei większość protokołów komunikacji bezprzewodowej opartych na Wi-Fi i technologiach komórkowych wykorzystuje mniej niezawodną topologię sieci w kształcie gwiazdy, która wymaga połączenia wszystkich urządzeń z urządzeniem centralnym. Cała komunikacja jest szyfrowana przy użyciu 128-bitowego algorytmu AES, a uprawnienia użytkownika można ściśle kontrolować.

Ilustracja 4: menedżer sieci SmartMeshLTP5903-WHR obsługuje bramki WirelessHART zasilane z linii, aby umożliwić inżynierom integrację opartej na standardach sieci czujników bezprzewodowych w celu uzyskania skalowalnej komunikacji dwukierunkowej. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Ponieważ protokół WirelessHART wykorzystuje topologię kratową, dane mogą być kierowane bezpośrednio między urządzeniami. Może to zwiększyć zasięg sieci i utworzyć redundantne ścieżki komunikacyjne. W ten sposób, jeśli jedna ścieżka ulegnie awarii, nadawca automatycznie przełączy się na ścieżkę redundantną. Sekwencyjna zmiana częstotliwości pozwala również w przypadku stosowania protokołu WirelessHART uniknąć problemów z zakłóceniami.

2. 6LoWPAN: protokół IPv6 w bezprzewodowych sieciach osobistych o niskim poborze mocy (powszechnie nazywany 6LoWPAN) to protokół, który umożliwia przesyłanie pakietów IPv6 przez sieć opartą na standardzie IEEE 802.15.4. Oznacza to, że urządzenia o bardzo niskiej mocy mogą łączyć się z Internetem, dzięki czemu doskonale nadają się do czujników IoT i innych urządzeń o niskim poborze mocy.

3. ZigBee: technologia ZigBee utrzymywana przez Zigbee Alliance i najczęściej używana w inteligentnych domach i aplikacjach automatyki budynków jest prawdopodobnie najpopularniejszym protokołem opartym na IEEE 802.15.4. Pozwala węzłom pozostać w trybie uśpienia przez większość czasu, aby znacznie wydłużyć czas pracy baterii. Technologia ZigBee zazwyczaj działa w paśmie 2,4GHz i ma stałą szybkość przesyłania danych 250kbit/s. Może obsługiwać sieci o różnych topologiach, w tym gwiazdy, drzewa i kraty. Topologie drzewa i kraty rozszerzają zasięg sieci.

Ilustracja 5: protokół Zigbee jest przydatny (między innymi) w przypadku czujników ruchu, drgań, wilgotności, temperatury i obecności w zastosowaniach przemysłowych. (Źródło ilustracji: Zigbee Alliance)

Bluetooth LE i komórkowy Internet rzeczy (IoT) w automatyce przemysłowej

Bluetooth Low Energy (BLE) jest alternatywą dla IEEE 802.15.4, w której najwyższy priorytet mają niski koszt i niski pobór mocy, a prędkość i zasięg są drugorzędne. Technologia ta działa na tej samej częstotliwości (2,4GHz), co standardowy Bluetooth. Największą zaletą Bluetooth LE jest to, że jest natywnie obsługiwany przez mobilne systemy operacyjne, takie jak Android firmy Open Handset Alliance, iOS firmy Apple i różne wersje Microsoft Windows. To oraz fakt, że duzi dostawcy elektroniki, tacy jak Logitech Corp. zainwestowali najwięcej w badania i rozwój, sprawiają, że technologia Bluetooth LE jest nadal przede wszystkim opcją łączności bezprzewodowej dla urządzeń konsumenckich. Przeciwnie do technologii WirelessHART, która koncentrowała się i nadal koncentruje się głównie na zastosowaniach w przemysłowym Internecie rzeczy (IIoT).

Ilustracja 6: standard Bluetooth Low Energy (BLE) ma profil portu szeregowego, który systemy rozpoznają jako pełny port szeregowy - przydatny do zastępowania urządzeń przewodowych aktualizacjami podłączonymi przez BLE. (Źródło ilustracji: Bluetooth Special Interest Group)

Koniec końców, w ciągu ostatnich kilku lat świat został zalany czujnikami, pilotami zdalnego sterowania, zamkami i urządzeniami przenośnymi wykorzystującymi technologię Bluetooth LE do zadań automatyki przemysłowej. Ten trend prawdopodobnie będzie się nasilał w nadchodzących latach.

W przeciwieństwie do protokołów opartych na technologiach BLE oraz IEEE 802.15.4 do komunikacji krótkiego zasięgu o małej mocy, technologie komórkowe są komunikacją bezprzewodową dalekiego zasięgu. Protokół komórkowy 2G GSM został w większości wyparty przez szybkie protokoły komórkowe 3G i 4G, powszechnie już stosowane w telefonach komórkowych i urządzeniach IoT. Problem polega na tym, że w komunikacji komórkowej zużywana jest duża ilość energii, więc w zastosowaniach przemysłowych (szczególnie w przypadku takiej łączności w maszynach) system jest podłączony do zasilania przewodowego. W sieciach LTE kat. 0 i 1 uzyskuje się maksymalne szybkości przesyłania danych - choć kosztem wyższego zużycia energii. Sieci LTE kat. 0 i 1 są odpowiednie dla urządzeń IoT. Natomiast LTE-M jest protokołem komórkowym o niskim poborze mocy, zaprojektowanym specjalnie dla zastosowań maszyna-maszyna i IoT.

W przeciwieństwie do stosunkowo powszechnego zastosowania w telefonach komórkowych, przemysłowe zastosowania 5G są mniej dojrzałe. Dzieje się tak, ponieważ konsumenci priorytetowo traktują prędkość pobierania (tak więc szybko przyjęli pierwsze urządzenia 5G), a inżynierowie systemów IIoT priorytetowo traktują niskie latencje i powszechne pokrycie. W rzeczywistości w automatyce przemysłowej kluczowe znaczenie ma niska latencja. To prawda, że pierwsze sieci 5G charakteryzują się latencją poniżej 30ms, ale podejmuje się wysiłki, aby zmniejszyć ją do zaledwie 1ms. To wystarczająco szybkie rozwiązanie dla wymagających zastosowań w zakresie sterowania przemysłowego w czasie rzeczywistym (nie tylko monitorowania) - np. przesyłania sygnałów sprzężenia zwrotnego w obrabiarkach.

Jednym ze sposobów, w jaki technologia 5G zmniejsza latencję, jest tzw. fragmentowanie sieci (network slicing). Ta technika sieciowa dzieli przepustowość sieci na różne wirtualne tory, którymi następnie zarządza się indywidualnie. Niektóre tory są zarezerwowane dla transmisji o niskiej latencji - większość ruchu nie może korzystać z tych torów. Wtedy tylko te zastosowania sterowania przemysłowego, które wymagają najszybszej transmisji, mogą korzystać z tych zarezerwowanych szybkich pasów.

Rozwój protokołu bezprzewodowego LoRA

Modulacja rozległej sieci dalekiego zasięgu (LoRA) jest niedrogim protokołem bezprzewodowym, preferowanym w zastosowaniach zdalnych i morskich w energetyce odnawialnej, górnictwie i logistyce. Jest to technologia bezprzewodowa niskiej mocy, która pozwala na komunikację na bardzo duże odległości - nawet powyżej 10km - działając na jednej baterii nawet przez 10 lat. Krótko mówiąc, LoRA to technologia niekomórkowa działająca w pasmach częstotliwości nieobjętych licencją. Wykorzystuje pasma częstotliwości poniżej 1GHz, takie jak 433 i 915MHz, oraz modulację o widmie rozproszonym opartą na świergotowej modulacji o widmie rozproszonym (CSS). To sprawia, że bardzo dobrze nadaje się do urządzeń Internetu rzeczy (IoT) ustawionych w odległych lokalizacjach, które wymagają jedynie niewielkich szybkości przesyłania danych. Technologia LoRA oferuje również 128-bitowe szyfrowanie i kontrolę uwierzytelniania. Inną przydatną funkcją (szczególnie w przypadku czujników w zastosowaniach IIoT) jest geolokalizacja wykorzystująca trilaterację między urządzeniami.

Rozległa sieć dalekiego zasięgu (LoRA) wykorzystuje autorskie technologie opracowane przez firmę Semtech Corp., jednak zawiera szeroki wachlarz elementów otwartoźródłowych. Jest obsługiwana (i zapewnia wzajemną kompatybilność urządzeń) przez LoRa Alliance - duże stowarzyszenie, w skład którego wchodzą IBM, Cisco, TATA, Bosch, Swisscom i Semtech.

Podsumowanie

Istnieje wiele protokołów bezprzewodowej łączności w automatyce przemysłowej. Każdy jest dostosowany do określonych zastosowań. Przy zastosowaniach, które wymagają niskiego zużycia energii i pozwalają na transmisje bliskiego zasięgu, często łączność zapewnia się przez wdrożenie technologii ZigBee i Bluetooth LE. Bardziej wymagające aplikacje przemysłowe, które wymagają niezawodnej komunikacji, mogą wymagać urządzeń z połączeniami bezprzewodowymi WirelessHART. Zastosowania wymagające transmisji na duże odległości i z wysoką szybkością przesyłania danych narzucają konieczność wykorzystania sieci komórkowej. W tym miejscu szansą na rewolucję w komunikacji bezprzewodowej jest technologia 5G. Natomiast przekazywanie danych na bardzo duże odległości (przy minimalnym zużyciu energii) jest często najlepsze przy zastosowaniu technologii LoRa.