GOSZCZYNSKI 25 11.indd - Pomiary Automatyka Robotyka

Pomiary Automatyka Robotyka 12/2008
Nowe możliwości zastosowań komunikacji
bezprzewodowej w przemyśle
Tadeusz Goszczyński
Szybki rozwój technologii transmisji bezprzewodowej w kilku ostatnich
latach doprowadził do powstania wielu nowych rozwiązań w dziedzinie
systemów i elementów, a także usług korzystających z kilkunastu bezprzewodowych technologii stosowanych w automatyce. Obecnie, dzięki
odpowiedniej jakości i niezawodności, bezprzewodowe systemy komunikacji są stosowane do automatyzacji w przemyśle. Przemysłowe instalacje bezprzewodowe mogą być niezawodne, bezpieczne i łatwe do wdrożenia, pod warunkiem poczynienia odpowiednich przygotowań.
przemyśle znane były dwie
podstawowe grupy zastosowań bezprzewodowej technologii
radiowej: transmisja sygnałów monitorowania do systemu automatyki (najczęściej stosowany znany
system Bluetooth) oraz rozbudowane systemy sieci Wireless LAN.
Do niedawna technologia bezprzewodowa była dość rzadko stosowana z powodu niewystarczającej
niezawodności opartych na niej
systemów. Nie spełniała ona wymagań dotyczących bezpieczeństwa
urządzeń przemysłowych, a oferta
bezprzewodowych elementów auPunkt dostępowy do bezprzewodowej sieci SCALANCE firmy SIEMENS
tomatyki była niewielka. Dopiero
obiekcie, gdyż urządzenie samo skonfiguruje się w siew ciągu ostatnich 3 lat pojawiły się konkurujące ze sobą
ci, co znacznie obniża koszt montażu. Taka sieć jest
systemy sieci bezprzewodowych stosujące inteligentponadto bardziej odporna na zakłócenia, gdyż przy
ne czujniki i przetworniki bezprzewodowe. Uzyskany
wystąpieniu lokalnego zakłócenia uniemożliwiającepoziom niezawodności nowych systemów sieciowych
go przesyłanie danych, samoczynnie zmienia drogi
sprawia, że można je stosować nawet tam, gdzie oprócz
transmisji, zapewniając komunikację wszystkim urząmonitorowania procesu odbywa się również sterowadzeniom.
nie urządzeniami automatyki. Systemy te muszą jednak
spełniać wymagania dotyczące odpowiednio krótkiego czasu zwłoki oraz czasu na aktualizację programu
Specjalne wymagania dla zastosowań
użytkowego dla urządzeń oddalonych. Dlatego techprzemysłowych
nologie bezprzewodowe najczęściej są stosowane do
łączenia urządzeń z regulacją w otwartej pętli, a także
Bezpieczeństwo
do układów pomocniczych.
Bezpieczeństwo pracy sieci bezprzewodowej jest
Popularnym rodzajem sieci bezprzewodowych są
w przemysłowych zastosowaniach najważniejszym
sieci samoorganizujące się. Podczas rozbudowy takiej
problemem. Administrator sieci musi mieć dostęp
sieci, nowe urządzenia dołączają się do niej automaz jednej ze stacji do systemu konfiguracji sieci i możtycznie, przesyłając dane bezpośrednio do bramy lub
liwość aktualizacji oprogramowania firmowego.
do innych zainstalowanych w pobliżu urządzeń, które
Czynność ta nie może narazić instalacji na niebezmają dostęp do bramy. W takich systemach nie trzepieczeństwo. Natomiast w wypadku awarii punktu
ba wstępnie sprawdzać możliwości instalacyjnych na
dostępowego, sąsiednie punkty muszą przejąć jego
zadania. Aby punkty dostępowe nie zakłócały się wzajemnie, muszą mieć możliwość automatycznego wy mgr inż. Tadeusz Goszczyński – Przemysłowy
Instytut Automatyki i Pomiarów
boru kanału transmisyjnego. Musi być także zapewniona alternatywna droga komunikacji.
5
Pomiary Automatyka Robotyka 12/2008
większych odległościach wykorzystywany może być
system GSM. Ostatnio dla zastosowań przemysłowych
oferowanych jest coraz więcej nowych technologii.
Ilość przesyłanych danych
W niektórych zastosowaniach koniecznych jest kilka
aktualizacji zmiennych procesowych na sekundę, tam
gdzie np. monitorowana jest temperatura lub poziom
medium w zbiorniku, zwykle wystarcza aktualizacja
danych co kilka minut. Jeżeli monitoruje się tylko sytuacje awaryjne, można zastosować rozwiązanie właściwe dla transmisji informacji o zdarzeniach.
Zasilanie
System z bezpieczną rozległą instalacją wykorzystujący punkty
dostępowe firmy LANCOM
Sieci bezprzewodowe narażone są na szereg zagrożeń takich, jak m.in. ataki terrorystyczne, podsłuchiwanie transmisji, podszywanie się pod użytkownika,
nieautoryzowane punkty dostępowe. W celu uniemożliwienia podsłuchiwania transmisji niektóre sieci
umożliwiają szyfrowanie danych. Nie są to jednak jeszcze zadawalające systemy, gdyż mogą zostać złamane
w ciągu kilku godzin pracy systemu. Ataki destabilizujące pracę sieci są niestety dosyć łatwe do wykonania.
Wygenerowanie silnego sygnału elektromagnetycznego w pobliżu sieci może skutecznie zablokować transmisję w całej sieci. Podszywanie się polega na zdobyciu
danych autoryzujących użytkownika. W tym celu może
być uruchomiony punkt dostępowy, który przekierowuje połączenia na fałszywą, stworzoną przez atakującego stronę autoryzacyjną, umożliwiając mu kradzież
haseł użytkowników sieci.
Dlatego przy projektowaniu i wdrażaniu systemu należy dokonać oceny ryzyka. Analiza zagrożeń powinna wskazać środki konieczne do zabezpieczenia systemu. Jednym z głównych parametrów umożliwiających
ocenę pracy sieci bezprzewodowej jest dostępność.
Pierwsze sprawdzenia powinny być wykonane na etapie projektowania instalacji. Następnie należy stworzyć
mapę zasięgu sieci oraz poziomu sygnałów w poszczególnych miejscach przedsiębiorstwa lub instalacji w terenie. Testy muszą być powtarzane w określonych odstępach czasu, gdyż na wyniki mogą wpływać pojawiające
się w terenie nowe źródła zakłóceń elektromagnetycznych. Czasem może okazać się konieczna zmiana kanału transmisji, by uniknąć zakłóceń. Ocena dostępności
przeprowadzana okresowo pozwala na utrzymanie niezawodnego działania sieci bezprzewodowej.
W niektórych aplikacjach nie da się doprowadzić zasilania przewodami, dotyczy to szczególnie urządzeń
mobilnych. Konieczne jest wtedy wykorzystanie technologii, w której może być zastosowane zasilanie bateryjne. Od kilku lat znane są rozwiązania urządzeń
z własnymi miniaturowymi generatorami prądu.
Otoczenie
W najprostszych zastosowaniach wystarczy sprawdzenie, czy pomiędzy danymi lokalizacjami istnieje tzw.
linia widzenia oraz wyznaczenie mocy sygnału radiowego nadajników i czułości odbiorników. W bardziej
skomplikowanych – badania obejmują pomiary mocy
sygnałów transmisji oraz uzyskanie zezwoleń na zmiany
drogi sygnału radiowego. Zmiany toru muszą uwzględniać np. obecność pojazdów oraz możliwe w przyszłości zmiany infrastruktury, a także zmiany drzewostanu
znajdującego się na drodze transmisji.
Najczęściej stosowane technologie
Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych ETSI
ustala w Europie reguły dopuszczenia do stosowania
bezprzewodowej transmisji dotyczące zakresu pasma
częstotliwości i stosowanych protokołów transmisji.
WirelessLAN czyli WLAN
Są to bezprzewodowe lokalne sieci zgodne ze standardem IEEE 802.11, który określa wymagania dla
dwóch najniższych warstw sieciowych według modelu ISO/OSI: warstwy fizycznej i warstwy łącza da-
Odległości
Różne rodzaje technologii bezprzewodowych mogą być
stosowane zależnie od zasięgu przewidywanej komunikacji. Może to być zastąpienie przewodu pomiędzy
dwoma punktami, transmisja od czujników do sieci kablowej, komunikacja z wielu punktów do jednego punktu lub instalacja całej sieci przemysłowej. Po wybraniu
zakresu należy rozważyć, która technologia będzie najlepsza. Na krótkich i średnich odległościach (od 10 m do
100 m) można wykorzystać technologię Bluetooth. Przy
6
Przenośne interfejsy HMI z komunikacją przez sieć WLAN typu
Simatic Mobile Panel 277
Pomiary Automatyka Robotyka 12/2008
nych. Transmisja bezprzewodowa może odbywać się
w paśmie 2,4 GHz oraz w podczerwieni przy długości
fali od 850 nm do 950 nm. Ponadto standard określa
warstwę MAC dostępu do medium transmisyjnego
oraz warstwę fizyczną dla bezprzewodowej transmisji
pomiędzy węzłami mobilnymi i stałymi w sieci lokalnej. Najważniejsze standardy z grupy 802.11 opisano
w poniższym zestawieniu.
IEEE 802.11a z dodatkowymi uzupełnieniami
w 802.11h określa wymagania dla przesyłania sygnału
o bardzo dużych szybkościach (do 54 Mbit/s) na odległość około 50 m. Stosowana do niedawna tylko w USA
do normalizacji amatorskich systemów radiowych
i wojskowych systemów radarowych została ostatnio
dopuszczona także w Europie z ograniczeniami dotyczącymi mocy nadawania.
IEEE 802.11b określa przesyłanie danych w paśmie
od 2400 MHz do 2483,5 MHz z szybkością do 11 Mbit/s.
Stosuje technologię DSSS z ograniczeniem - tylko 3 niezależne systemy LAN mogą pracować na tym samym terenie. Zakres transmisji wynosi około 50 m wewnątrz
budynku. Ze względu na to, że także systemy z prywatnymi protokołami mogą być stosowane w tym paśmie,
nie ma pewności co do jakości transmisji danych.
IEEE 802.11g definiuje przesyłanie transmisji o szybkości 54 Mbit/s w paśmie 2,4 GHz. Przyjęty został dla
modulacji schemat OFDM z techniką modulacji CCK.
System jest kompatybilny z poprzednio omawianym
standardem ale ma też i jego słabości.
IEEE 802.11n – trwają prace nad tym standardem.
Przez równoczesne stosowanie wielu anten nadawczych i odbiorczych, odbicia będą wykorzystywane
do poprawy jakości transmisji. Norma ta, której wydanie ma nastąpić w 2009 roku, przewiduje szybkość
transmisji do 600 Mbit/s.
Sieć WLAN stosowana była na początku głównie
w urządzeniach konsumenckich. Może być w niej
stosowane spontaniczne organizowanie się węzłów
w tzw. sieci ad-hoc, wtedy, gdy poszczególne węzły
znajdą się w swoim zasięgu transmisji. Obecnie WLAN
ma liczne zastosowania na lotniskach, w szpitalach i w
logistyce transportu, a także w liniach produkcyjnych.
W zastosowaniach przemysłowych sieci te stosują zwykle topologię gwiazdy z punktami dostępowymi do
sieci przewodowej Ethernet. Z powodu wzrostu liczby zastosowań przemysłowych wersji Ethernet (takich
jak sieć Profinet), spodziewany jest wzrost zastosowań
także elementów sieci WLAN. Ostatnio jest oferowanych coraz więcej produktów WLAN w tzw. wersji
OEM przeznaczonych do zintegrowania we własnym
urządzeniu. Pozwala to niewielkim firmom oferować
elementy automatyki kompatybilne z WLAN.
Wi-Fi – Wireless Fidelity
Jest to popularny system dostępu urządzeń WLAN do
Internetu lansowany przez organizację Wi-Fi Alliance.
Sieć Wi-Fi działa w darmowym paśmie częstotliwości
od 2400 MHz do 2485 MHz i 5000 MHz. Do komunikacji za pomocą mikrofal wykorzystuje się pasmo 2,4 GHz
(w standardzie 802.11b oraz 802.11g) lub też 5 GHz
Modemy do realizacji sieci bezprzewodowych - firma ELPRO
TECHNOLOGIES (w tym modem industrial Wi-Fi)
(w standardzie 802.11a). Pasmo 2,4 GHz podzielone jest
na 14 kanałów w paśmie 2,4–2,5 GHz, które układają
się co 5 MHz od 2412 MHz do 2477 MHz. Każdy kanał
ma swoją częstotliwość nośną, która jest modulowana przy przesyłaniu informacji. Szybkość przesyłania
danych zależna jest od standardu i odległości między
użytymi urządzeniami i wynosi najczęściej 11, 22, 44,
54 lub 108 Mbit/s (przy transmisji w dwóch kanałach
jednocześnie). Wi-Fi umożliwia łatwy bezprzewodowy
dostęp do Internetu, np. przenośnych komputerów wyposażonych w elementy WLAN. Ze względu na stosowanie protokołu internetowego, nie ma dodatkowych
wymagań dla wyższych warstw protokołu (jak w przypadku systemu Bluetooth). Dlatego dla użytkowników
urządzeń domowych i biurowych łączonych do Internetu certyfikacja Wi-Fi jest bardzo wygodna, natomiast
w środowisku przemysłowym stosować trzeba industrial Wi-Fi, gdyż protokół Internetu przemysłowego
jest inny niż jego standardowa wersja.
WPAN – Wireless Personal Area Networks
Są to bezprzewodowe lokalne sieci zgodne z IEEE 802.15
określającym wymagania dla sieci w bliskim otoczeniu
człowieka. Nazwa sieci jest historyczna i obecnie jej zasięg transmisji nie różni się od zasięgu sieci WLAN.
IEEE 802.15.1 określa przesyłanie danych w paśmie
od 2400 MHz do 2483,5 MHz. Warstwa fizyczna i łącza
danych są zaadoptowane z technologii Bluetooth w wersji v1.1. Stosuje się technikę FHSS z 80 kanałami na różnych częstotliwościach nośnych z pasmem 1 MHz w każdym z nich. Węzły dołączające się do działającej sieci
potrzebują pewnego czasu na zsynchronizowanie się
z siecią.
IEEE 802.15.3 określa przesyłanie danych z dużą
szybkością – ponad 20 Mbit/s w paśmie 2,4 GHz.
IEEE 802.15.4 określa przesyłanie danych w paśmie
od 868 MHz do 868,6 MHz w Europie i od 2400 MHz
7
Pomiary Automatyka Robotyka 12/2008
do 2483,5 MHz na całym świecie. Szybkość transmisji jest mała i może wynosić: 20 Kbit/s, 40 Kbit/s lub
250 Kbit/s. Produkty spełniające w pełni jej parametry
są bardzo rzadko używane.
Są już osiągalne i stosowane elementy zgodne z IEEE
802.15.3. Ostatnio pojawia się także wiele elementów
spełniających wymagania normy IEEE 802.15.4. Niski
pobór mocy i niskie ceny spowodowały, że są już liczne aplikacje stosujące protokół stosu ZigBee lub protokół transmisji z warstwami wyższymi od warstwy
łącza danych ZigBee.
IEEE 802.15.1 stosowany jest przez Bluetooth i sieć
firmy ABB nazwaną WISA, która korzysta z warstwy
fizycznej tego standardu. Do zastosowań w automatyce wytwarzania stosuje jednak dodatkowe wymagania
dla warstwy dostępu do medium, aby spełnić ograniczenia czasowe.
Niewątpliwie IEEE 802.15.4 sprzyja zastosowaniom
przemysłowym. Wykorzystują to producenci aparatury
przemysłowej, oferując systemy sieci typu mesh (sieć
kratowa) z licznymi węzłami małej mocy pokrywającymi dużą przestrzeń. Wykorzystywany jest protokół
TSMP opracowany przez firmę Dust Networks i korzystający z rozwiązania warstwy fizycznej stosowanego
w sieci Wireless HART.
Istnieje wiele organizacji użytkowników sieci
WPAN: Bluetooth Special Interest Group – SIG, ZigBee Allianz, Hart Communication Foundation – HCF,
ISA-SP100 “Wireless Systems for Automation” działająca pod patronatem ISA (The Instrumentation, Systems and Automation Society) i grupa WG12 „Wireless Sensor Actor Networks” ustanowiona przez User
Organisation PROFIBUS & PROFINET International
(PI). Wszystkie one pracują nad urządzeniami zgodnymi z IEEE 802.15.4. Przewiduje się, że wkrótce prace te
zaczną być synchronizowane przez zewnętrzną organizację użytkowników.
Bluetooth
Technologia ta wykorzystuje standard IEEE 802.15.1
z wyższymi warstwami protokołu oraz profilami aplikacyjnymi określonymi przez organizację SIG. Zależnie od mocy nadawania, zakres transmisji wynosi od
10 m do 100 m. Stosowana jest topologia gwiazdy (Piconet) z jednym węzłem master i kilkoma (od 1 do 7)
węzłami slave synchronizowanymi na bieżąco przez
węzeł master. W sieci może być jednocześnie do 256
węzłów w trybie oczekiwania „park”. W zastosowaniach przemysłowych szczególnie ważne są funkcje
współpracy z sieciami WLAN (Adaptive Frequency
Hopping) oraz zwiększanie szybkości przesyłania danych dzięki funkcji EDR (Enhanced Data Rate).
Obecnie z technologii Bluetooth korzysta dużo urządzeń przeznaczonych do zastosowań domowych i biurowych np. karty do komputerów PC, modemy RS-232
i pendrive USB. Coraz częściej są spotykane zastosowania w palmtopach i telefonach komórkowych, które
mogą być wykorzystywane jako interfejsy do wprowadzania i odczytu danych z systemu automatyki (HMI).
Dla systemów automatyki istnieje duża liczba modu-
8
łów Bluetooth opracowanych przez różne firmy. Są to
najczęściej modemy, bramy i oddalone wejścia/wyjścia
przeznaczone do różnych systemów sieci przemysłowych. Stale brak jest jednak zdefiniowanych wymagań
przedstawianych w tzw. profilach aplikacyjnych koniecznych do uzyskania szerokiego zastosowania tej
technologii w automatyce przemysłowej.
ZigBee
Technologia ta jest oparta na standardzie IEEE 802.15.4
z wyższymi warstwami protokołu oraz profilami aplikacyjnymi określonymi przez organizację ZigBee Allianz. Przeznaczona jest do taniej komunikacji radiowej
o małej mocy. Szybkość transmisji wynosi 250 Kbit/s
w paśmie 2,4 GHz. Uzyskano takie właściwości dzięki
dłuższym czasom uśpienia węzłów i skróceniu czasu
ich aktywności. Ma, podobnie jak Bluetooth, elementy łatwe do integrowania w urządzeniach automatyki,
szczególnie jako modemy bezprzewodowe. ZigBee ma
także możliwości pracy w sieci typu mesh, co umożliwia redundancję transmisji, zastępując jedne ścieżki transmisji innymi i pokrywając w pełni przestrzeń
objętą systemem.
Gotowe elementy sieci bezprzewodowej przeznaczone do wbudowania w urządzenia automatyki – firma FORMOSA
Sieci typu mesh mają już swoją grupę roboczą, która
pracuje nad normalizacją. Ostateczne zatwierdzenie
IEEE 802.11s ma nastąpić w 2009 r.
GSM/GPRS/HSCSD, UMTS
GSM (Global System for Mobile Communication) jest
uznawany za system drugiej generacji telefonii komórkowej. System pracuje na częstotliwościach 900 MHz
i 1800 MHz. Jedno połączenie wykorzystuje jeden spośród zestawu kanałów FDMA i jeden slot czasowy z zestawu slotów TDMA. Maksymalna szybkość transmisji
wynosi 9,6 Kbit/s. Można stosować technikę HSCSD
pozwalającą na korzystanie z kilku kanałów i wielu
slotów czasowych, co zapewnia szybkości 38,4 Kbit/s
i 57,6 Kbit/s. W nowszej wersji technologii – GPRS –
pakiety danych są transmitowane wtedy, gdy jest wolny
slot czasowy z szybkością 53,6 Kbit/s.
Technologia UMTS jest uznawana za trzecią generację telefonii komórkowej i oferuje szybkość transmisji
144 Kbit/s dla poruszających się węzłów (z szybkością
do 500 km/h) i 2 MBit/s dla węzłów stacjonarnych.
Pomiary Automatyka Robotyka 12/2008
Modem GPRS, firmy Phoenix Contact zapewnia dostęp do danych procesu z dowolnego miejsca
za pomocą bezpiecznego połączenia typu VPN umożliwiając poprzez protokół TCP/IP dołączenie dowolnego sterownika z interfejsem szeregowym. W modemie zintegrowano dwa wejścia
dwustanowe umożliwiając wysyłanie przesyłek alarmowych, w przypadku zmiany stanu tych
wejść, za pomocą SMS lub e-mail.
Wadą tych technologii jest pełna zależność techniczna i ekonomiczna od dostawcy
usług. Są jednak liczne
ich zastosowania w instalacjach przemysłowych. Większość dotyczy zdalnego monitorowania i sterowania w systemach wodociągowych. Przewiduje się,
że za 10 lat technologia UMTS zastąpi systemy GSM.
DECT/DPRS
System DECT stanowi system telefonii bezprzewodowej, który realizuje metodą radiową dostęp do sieci
stałych na obszarach dużego natężenia ruchu telekomunikacyjnego takich, jak porty lotnicze, centra
miast czy stacje kolejowe. Wykorzystuje zakres częstotliwości od 1,88 GHz do 1,90 GHz. System transmisji zawiera węzły typu stałego FP (Fixed Parts) i do 12
przenośnych PP (Portable Parts). Maksymalna szybkość transmisji w jednym kanale wynosi 64 Kbit/s.
Przy mocy nadawania 250 mW zakres transmisji wynosi 50 m w budynkach i 300 m na zewnątrz. Przy zastosowaniu transmisji pakietowej DPRS osiągana jest
szybkość 553 Kbit/s, zastosowanie modulacji DQPSK
zwiększa ją do 1,3 MBit/s, a wybranie wersji modulacji D8PSK do 2 MBit/s. DECT ma pewne zalety ważne
dla zastosowań przemysłowych. Ma zarezerwowaną
częstotliwość, a standaryzacja jej jest zakończona
i niezmienna. W Europie nie jest wymagana licencja
na jej stosowanie. Technologia ta jest ogólnie uznana za pewną i będzie wykorzystywana jeszcze przez
wiele lat, gdyż jest stosowana w telefonii bezprzewodowej, gdzie nie ma innych rywalizujących z nią konkurentów. Są już gotowe urządzenia pracujące w tej
technologii, ale niewiele firm je stosuje.
WMAN – Wireless Metropolitan Networks
WMAN to bezprzewodowe sieci miejskie. Podstawowe zadanie tej technologii to przyłączenie użytkownika do szerokopasmowej sieci miejskiej z niezbędnej w mieście odległości „ostatniej mili” i umożliwienie przesyłania głosu i sygnału wideo. Według
IEEE 802.16 są przewidziane częstotliwości od 2 GHz
do 11 GHZ oraz od 10 GHz do 66 GHz. Realnie patrząc, można będzie uzyskać szybkość 20 Mbit/s i zasięg 600 m. W drugim wariancie IEEE 802.20 celem
jest łączenie urządzeń z poruszającego się z szybkością
250 km/h pojazdu do sieci stacjonarnej. Przydzielono
tu częstotliwość 3,5 GHz i oczekuje się szybkości transmisji 1 Mbit/s na odległość do 15 km.
WiMax Forum to organizacja użytkowników mająca na celu umożliwienie współpracy różnym urządzeniom wykorzystującym tę technologię np. komputerom przenośnym.
Technologie te potencjalnie mogą być wykorzystywane w nowych koncepcjach automatyzacji. Obecnie
koszt stacji bazowej wynosi około 10 000 USD, a elementów do laptopa – 100 USD.
UWB – Ultra-Wideband
Jest to technologia wykorzystująca nadzwyczaj szerokie pasmo transmisji – ponad 500 MHz lub co najmniej 20 % średniej wartości częstotliwości nośnej,
która dla Europy wynosi od 3,1 GHz do 10,6 GHz. Podstawowe zastosowania tej sieci to radio o małym zasięgu. Istnieją dwa nurty w UWB. DS-UWB (Direct
Sequence UWB) wykorzystuje modulację impulsów,
oferując zakres transmisji 100 m przy szybkości transmisji 110 Mbit/s i 1 m przy szybkości 480 Mbit/s. Drugi
nurt, MB-OFDM czyli Multi-Band, stosuje przełączanie
częstotliwości oraz modulację BPSK lub DQPSK. Uzyskuje się tu zakres transmisji od 1 m do 10 m przy szybkości transmisji do 622 Mbit/s. W przeciwieństwie do
USA, w Europie nie wydaje się jeszcze licencji na to
pasmo. Z tego powodu oraz braku zatwierdzenia IEEE
802.15.3a, nie ma jak dotąd znanych zastosowań. Organizacje użytkowników UWB Forum i WiMedia Alliance pracują nad zastosowaniami tych sieci w elektronice powszechnego użytku, urządzeniach przenośnych
i komputerach PC. W przygotowaniu jest technologia Certified Wireless USB – pojawiły się już do niej
układy scalone i pierwsze produkty je wykorzystujące. Technologia ta może być w przyszłości bardzo
atrakcyjna do zastosowań przemysłowych.
Techniki transmisji bezprzewodowej
z zastosowaniem niestandardowych
protokołów transmisji
Ogólnym warunkiem korzystania z systemów transmisji radiowej jest stosowanie w nich częstotliwości
zgodnych z przydzielonymi przez odpowiednie urzędy oraz ograniczeń dotyczących przede wszystkim
maksymalnej mocy.
Poza wymienionymi już standardami transmisji
bezprzewodowej w grupie zastosowań dotyczących
układów automatyki przemysłowej jest dopuszczone
także stosowanie niestandardowych – firmowych –
protokołów transmisji. W grupie tej określonej jako
Non-specific Short Range Devices nie jest wymagane
stosowanie żadnych norm. Nieokreślone SRD to za-
9
Pomiary Automatyka Robotyka 12/2008
stosowania krótkiego zasięgu doropy naftowej, w kopalniach, patyczące niepublicznych, przenopierniach, zakładach energetyczśnych urządzeń przeznaczonych
nych, ściekowych i wodnych.
do zdalnego sterowania, alarmoNajczęstsze sposoby zastosowawania i przesyłania danych a taknia to bezprzewodowe połączeże, w ograniczonym zakresie, przenie punktowe pomiędzy dwoma
syłania sygnałów audio i wideo.
urządzeniami kablowej sieci
Urządzenia działające w tych paprzemysłowej przesyłającej dane
smach nie wymagają uzyskiwania
oraz małe stacje zbierania danych
licencji oraz ponoszenia kosztów
z wejściami analogowymi i cyfrooperacyjnych związanych z korzywymi. Najczęściej stosowane jest
staniem z nich. Dlatego są wykopasmo 868 MHz.
rzystywane przez wiele firm, które
Ze względu na brak wymagaoferują liczne urządzenia z firmo- System Wtrans firmy JUMO stosuje firmowy nia uzyskania licencji powstało
wymi protokołami transmisji.
już wiele takich systemów, m.in.
protokół w paśmie transmisji 868 MHz do
Stosowane są następujące pasma przesyłania danych z wielu czujników tempe- EnOcean, nanoNET, Z-Wave i Konratury
częstotliwości:
nex, znane z zastosowań w budynod 443,05 MHz do 434,79 MHz –
kach, i WirelessUSB 2,4 GHz opraczęsto stosowane w domowych aplikacjach takich
cowany przez Cypress Semiconductor. Powstały też
jak: wykrywanie ruchu, systemy immobilizerów, zedwie technologie: MDMA – kładąca nacisk na dużą odstawy głowic HiFi, systemy otwierania drzwi i staporność na zakłócenia transmisji i wykorzystująca wiecje badania pogody. Ten zakres jest rzadko stosolościeżkowość transmisji oraz PSSS – uzyskująca dużą
wany w automatyce przemysłowej ze względu na
szybkość transmisji (1 Mbit/s), przy małym poborze
dużą liczbę użytkowników i stąd możliwość zakłómocy. Wymienione pasma częstotliwości używane są
ceń w transmisji. Ponadto maksymalna szybkość
także do innych zastosowań. Najważniejsze z nich to
transmisji danych wynosi tylko kilka Kbit/s przy
identyfikacja za pomocą technologii RFID, której został
zakresie do 1,5 km.
poświęcony oddzielny artykuł w tym numerze PAR.
od 868 MHz do 870 MHz – zakres podzielony na
Przykład firmowego rozwiązania
kilka podzakresów o różnych wypełnieniach i różsieci bezprzewodowych
nej mocy nadawania. Dzięki temu uzyskano mniejProtokół WirelessHART Communication to pierwszy
sze zakłócenia wzajemne. Pasmo to jest stosowane
w pełni otwarty standard przeznaczony dla zakładów
przez urządzenia w systemach alarmowych. Podobprzemysłowych i oparty na protokole HART, który ma
nie jak poprzednio opisane pasmo, ma małe zastoobecnie najwięcej praktycznych zastosowań w systesowanie w przemyśle, podobną szybkość i zakres
mach sterowania procesami przemysłowymi. Prototransmisji.
od 2400 MHz do 2483,5 MHz – pasmo o znaczkół ten ma między innymi tę zaletę, że jego nowsze
nie większej szerokości i szybkości transmisji do
wersje są zawsze kompatybilne ze starszymi pracują54 MBit/s. Zasięg transmisji jest znacznie mniejszy:
cymi już w wielu fabrykach. Jego podstawowe zalety
tylko 50 m w budynku i 300 m na zewnątrz przy
to niski koszt eksploatacji i proste zasady instalowania
mocy nadawania 100 mW. W tym paśmie popuoraz duża pewność i bezpieczeństwo systemu. Dzięki
larne jest stosowanie technologii rozproszonego
temu opłaca się go instalować w tych oddalonych instapasma FHSS i DSSS. Pozwalają one na stosowanie
lacjach, dla których tradycyjne systemy komunikacyjne
kilku systemów bezprzewodowej transmisji w tej
samej przestrzeni bez wzajemnego zakłócania się.
Urządzenia muszą spełniać wymagania IEEE 802.11,
gdzie określono warstwę fizyczną i warstwę łącza
danych w protokole transmisji.
od 5725 MHz do 5875 MHz – zastosowanie tego
pasma jest niewielkie ze względu na jeszcze mniejszy zasięg niż w poprzednio opisanym paśmie i bardzo duże tłumienie tak dużej częstotliwości w przeszkodach z ciała stałego.
Liczba urządzeń stosujących własne protokoły transmisji w wymienionych pasmach częstotliwości rośnie.
Stopień bezpieczeństwa i zakres temperatury pracy
odpowiadają wymaganiom przemysłowym. Są nawet
rozwiązania przeznaczone do stref zagrożonych wybuchem i dla systemów bezpieczeństwa. Uzyskiwane
Firma Pepperl+Fuchs oferuje bramę systemu WirelessHART oraz
adaptery do transmisji radiowej dla zainstalowanych wcześniej
są czasy reakcji zbliżone do 100 ms. Znane są zastoprzetworników pomiarowych
sowania w przemyśle gazowniczym i przetwórstwa
10
Pomiary Automatyka Robotyka 12/2008
były nieopłacalne lub trudne do realizacji. Użytkownicy systemu zrzeszeni są w organizacji Hart Communication Fundation, która jest międzynarodową organizacją typu non-profit zrzeszającą ponad 200 firm
światowych (w tym ABB, Siemens, Endress+Hauser, Emerson i Phoenix
Contact) i kontrolującą rozwój tej technologii oraz jej standaryzację.
Sieć oferuje obecnie protokół HART 7 – najnowszą wersję protokołu zawierającą także rozwiązania dla bezprzewodowej komunikacji.
Stosowane są w niej trzy podstawowe rodzaje elementów sieci:
bezprzewodowe urządzenia pomiarowe
bramy – pełniące jednocześnie rolę urządzenia zarządzającego
siecią
oprogramowanie do zarządzania siecią Network Manager, które
może być zainstalowane w bramach lub w specjalnym sterowniku
przeznaczonym do sterowania procesem.
Urządzenia pomiarowe typu wireless lub tradycyjne przetworniki
z przystawkami do komunikacji bezprzewodowej połączone są drogą
radiową z bramami bezpośrednio lub, przy większej odległości, poprzez sąsiadujące urządzenia wireless. Oprogramowanie Network Manager jest odpowiedzialne za nieprzerwaną transmisję w sieci i wybiera w tym celu optymalne trasy do przesyłania wiadomości. Transmisja
odbywa się w nielicencjonowanym paśmie 2,4 GHz. Ma to swoje zalety, ale mogłoby też być powodem zakłóceń od innych systemów pracujących w tym samym paśmie. Dlatego sieć WirelessHART stosuje
technikę FHSS, czyli skakanie po 16 kanałach zgodnie ze standardem
IEEE 802.15.4. Urządzenia pracujące w tym systemie mają zasięg do
300 m. Wymiana informacji odbywa się w ściśle określonych oknach
czasowych. Zmniejsza to pobór mocy urządzeń i zwiększa odporność
na zakłócenia przez inne systemy, ale wymaga synchronizacji czasowej urządzeń. Protokół transmisji zapewnia poświadczanie odbioru
przesyłek i kodowanie w celu uniemożliwienia odczytu przez niepowołane osoby.
Zakończenie
Nowością ostatnich lat
je st u n ieza le ż n ia n ie
urządzeń nadawczych
od zawodnych źródeł
zasilania przez w yposażanie ich we własne,
wewnętrzne i bezobsługowe generatory energii
elektrycznej. Wykorzystuje się do tego miniaturowe przet worniki
energii mechanicznej,
Elementy systemu EnOcean z własnym zasilaniem
wykonane jako elementy typu OEM do wbudowasłonecznej lub cieplnej
nia w różne produkowane urządzenia
zależnie od wersji urządzenia i jego możliwości
uzyskania energii z zewnątrz. Wiele firm stosuje już w swoich produktach takie rozwiązanie autorstwa firmy EnOcean. Na przykład
nadajniki monitorujące pracę mechanicznych przełączników, kontrolujących pozycję ruchomych części maszyn, oferuje firma .steute.
Zastosowano w nich generatory elektrodynamiczne wykorzystujące
ruch przełącznika do uzyskania energii elektrycznej potrzebnej do
wysłania sygnału radiowego.
Różnorodność rozwiązań technicznych w transmisji bezprzewodowej stwarza potrzebę dalszej ich standaryzacji. Szczególnie dla
instalacji przemysłowych ważne jest, aby urządzenia różnych firm
i różnych systemów były licznie wykorzystywane i mogły współpracować ze sobą.
11