Przemysłowe sieci WLAN umożliwiają również

AUTOMATYKA PRZEMYSŁOWA
Przemysłowe sieci WLAN
umożliwiają również niezawodną
komunikację z realizacją
zadań w czasie rzeczywistym
technicznych. Z drugiej strony należy
dostosować sprzęt do pracy w specjalnych warunkach przemysłowych (ilustr. 8).
Ponieważ tu komunikacja przez sieć
WLAN odbywa się nie tylko z bezpośrednimi użytkownikami końcowymi,
jak laptopy, tablety, czy smartfony, lecz
często także z małymi, przenośnymi
sieciami z wieloma urządzeniami, które
są kablowo podłączone z modułem
klienta sieci Wireless LAN.
Bezprzewodowo z otoczenia sieciowego w świat
– bezpieczna komunikacja bezprzewodowa w środowisku
automatyzacji; część 2
Biurowa sieć WLAN nie sprawdza
się w sieciach przemysłowych
Jens Grebner, Sander Rotmensen, Roswitha Skowronek *)
Obecnie już nie można sobie wyobrazić
życia codziennego bez komunikacji
bezprzewodowej. Oczywistością stało
się sprawdzanie informacji przez
Internet w dowolnym momencie oraz
w każdym miejscu na świecie.
Korzyści wynikające z tego stanu
rzeczy mogą zostać wykorzystane
przez użytkowników w technikach
automatyzacji. Wspomniane technologie można bez problemu zastosować celem wsparcia zarządzania
współpracą; WirelessHart zapewnia
transmisję danych z płaszczyzny
urządzeń sieciowych do płaszczyzny
sterowania, przemysłowa sieć Wireless
LAN przejmuje bezprzewodowo skomunikowanie płaszczyzny sterowania,
a telefonia komórkowa umożliwia
dostęp do rozlokowanych na całym
świecie elementów instalacji.
W pierwszej części niniejszej publikacji przedstawione zostały możliwości
sieci WirelessHart, a także najważniejsze podstawy standardu WLAN.
W drugiej części (opublikowana w
atp edition, z. 10/2013) opisane zostały konkretne przemysłowe zastosowania sieci WLAN oraz możliwości
sieci telefonii komórkowych.
możliwości protokołu WirelessHart i
główne cechy standardów WLAN.
W drugiej i ostatniej części zostały opisane konkretne zastosowania przemysłowe sieci WLAN i możliwości sieci telefonii komórkowych.
Standardy WLAN, które opisano w
pierwszej części tego artykułu, stwarzają
wiele punktów wyjścia do zastosowań
przemysłowych. Jednakże sieci domowych czy biurowych nie da się tak po
prostu przełożyć na zastosowania przemysłowe. W tym celu potrzebna jest sieć
Industrial Wireless LAN (IWLAN).
Dla pozytywnego efektu należy przeprowadzić szereg optymalizacji radio-
Terminal kontenerowy
Centrala automatyzacyjna
Industrial Ethernet
SCALANCE
W786C-2 RJ45
SCALANCE
W786C-2 RJ45
ANT795-6MT
Technologie komunikacji bezprzewodowej stają się coraz ważniejsze
w technice automatyzacji. W pierwszej
części tego artykułu zamieszczonej w
„atp edition” nr 9/2013 przedstawiono
18
SCALANCE
XR324-12M
IWLAN Controller
SCALANCE WLC711
AGV
ANT795-6MT
SCALANCE
W748-1 RJ45
AGV
SCALANCE
W748-1 RJ45
ANT795-6MT
ANT795-6MT
W748-1
RJ45
W748-1
RJ45
SCALANCE
W786C-2 RJ45
Dokończenie artykułu z zeszytu 2/2014.
Dobrym przykładem tego jest system
transportu bezobsługowego: tu oprócz
miejscowego sterownika w pracy
uczestniczą także kamery, panele dotykowe (urządzenia HMI) i dodatkowe
zdecentralizowane urządzenia peryferyjne, które komunikują się z centralnym sterownikiem (ilustr. 9). WLAN,
który znamy obecnie z instalacji w wielu
sieciach biurowych, nie jest w stanie w
tego rodzaju sieciach zapewnić, aby poszczególne moduły klientów WLAN
miały zawsze bezpośredni dostęp do
„swojego“ bezprzewodowego punktu
dostępu. Musiałyby one w związku z
tym poczekać na „swoją kolej”. Skutkiem tego jest utrata deterministyki istotnej w komunikacji magistrali polowych, a zwłaszcza w zadaniach obejmujących bezpieczeństwo. W najgorszym
wypadku mogłoby dojść do awaryjnego
zatrzymania i do drogiego przestoju instalacji, gdyby mający znaczenie dla
bezpieczeństwa sygnał nie doszedł na
AGV
AGV
SCALANCE
W786C-2 RJ45
Kontenerowiec
AGV = Automated Guided Vehicle
Ilustracja 9. W zastosowaniach przemysłowych sieci WLAN są przeważnie znacznie
bardziej złożone niż w środowisku biurowym. Widać to na przykładzie budowy sieci
WLAN w terminalu kontenerowym z bezobsługowymi systemami transportu.
Armatura i Rurociągi, lipiec - wrzesień 2014
AUTOMATYKA PRZEMYSŁOWA
czas do użytkownika końcowego. Dzięki zastosowaniu protokołów zabezpieczających, w ogóle nie do dochodzi do
takich niebezpiecznych sytuacji.
SIMATIC S7-400
z CP 443-1
Serwer
danych wkrętarek
Serwer
systemowy
(FIS)
Switch
SCALANCE X-400
Metoda odpytywania (polling)
zapobiega kolizjom
Aby mimo wszystko zapewnić niezawodną komunikację na płaszczyźnie
magistrali polowej poprzez sieć
WLAN, do komunikacji z wymogiem
realizacji zadań w czasie rzeczywistym,
w porównaniu do obecnych standardów, konieczne są pewne rozszerzenia.
Problem komunikacji w czasie rzeczywistym w magistralach sieciowych w
połączeniu z komunikacją skoncentrowaną na bezpieczeństwie rozwiązano
na przykład za pomocą funkcji iPCF
produktów IWLAN firmy Siemens,
które często stosuje się w połączeniu z
falowodem szczelinowym.
Technologia iPCF bazuje na metodzie dostępu do PCF (Point Coordination Function), która już od 1999 r.
wchodzi w skład standardu IEEE
802.11-legacy. PCF to metoda odpytywania, w której punkt dostępu, jako
centralna jednostka, kontroluje dostęp
do poszczególnych stanowisk, mając na
celu uniknięcie kolizji. W iPCF stosuje
się porównywalną metodę odpytywania, w połączeniu z metodą, która
umożliwia szybszy roaming. Dzięki temu zapewnia się, że każdy połączony
moduł klienta sieci bezprzewodowej
może co najmniej raz dokonać wymiany danych z punktem dostępu w trakcie
wybranego cyklu magistrali polowej.
Falowód szczelinowy stosuje się wtedy, gdy komunikacja bezprzewodowa
ma lub musi być zorientowana wzdłuż
określonego odcinka drogi, a nie jest
możliwe zastosowanie typowych anten,
ponieważ, na przykład, można byłoby
się spodziewać trudności podczas
wzbudzenia lub interferencji. Jako
przykład mogą posłużyć jednoszynowe
kolejki wiszące lub szynowy bezobsługowy system transportu. Falownik
szczelinowy dzięki swojemu zdefiniowanemu promieniowaniu gwarantuje
bardzo niezawodne połączenie bezprzewodowe i w zależności od zastosowanego pasma częstotliwości może pokrywać zasięg do 300 metrów dla każdego punktu dostępu (ilustr. 10).
Czasy roamingu krótsze niż 50 ms
Konieczny jest roaming do najbliższego punktu dostępu, gdyż nie każda
aplikacja może zostać ograniczona do
maksymalnej długości segmentu równej 300 metrów. Przy tym należy utrzymać możliwie najkrótszy czas roamingu, ponieważ podczas tego procesu do-
Industrial Ethernet
Access Point
SCALANCE
W788-2RR
Kabel RCoax
Client Module
SCALANCE
W747-1RR
Field PG
Access Point
SCALANCE
W788-2RR
SIMATIC
S7-200
z CP 243-1
Switch
SCALANCE
X208PRO
Wkrętarka
Client Module
SCALANCE
W747-1RR
Panel
Wkrętarka
Stanowisko wkrętarki
podwieszonej
Wkrętarka
Client Module
SCALANCE
W747-1RR
SIMATIC
S7-200
z CP 243-1
Switch
SCALANCE
X208PRO
Panel
Kabel RCoax
Wkrętarka
Stanowisko wkrętarki
podwieszonej
SIMATIC
S7-200
z CP 243-1
Switch
SCALANCE
X208PRO
Wkrętarka
Panel
Wkrętarka
Stanowisko wkrętarki
podwieszonej
Ilustracja 10. Bezprzewodowe sterowanie wkrętarkami podczas produkcji samochodów za pośrednictwem iPCF i falowników szczelinowych. Funkcja odpytywania iPCF
umożliwia tu komunikację w czasie rzeczywistym.
SIMATIC S7-300F
PROFINET z PROFIsafe
Komórka
radiowa 1
Komórka
radiowa 2
SCALANCE
W788-2 M12
SCALANCE
W786-2IA RJ45
Mobile Panel 277F IWLAN
Interface 1: Data Channel
Interface 2: Management Channel
Ilustracja 11. Panel przenośny z wyłącznikiem awaryjnym w aplikacji bezpieczeństwa.
Interfejs management channel przekazuje informacje administracyjne.
chodzi do przerwania komunikacji.
W połączeniu z wyznaczonym odcinkiem iPCF pozwala nawet na czasy roamingu poniżej 50 ms. Dzięki temu
można stworzyć bezprzewodowe sieci z
realizacją zadań w czasie rzeczywistym
na dużych odległościach, bez dalszego
ograniczania aplikacji.
Dla aplikacji, w których stosuje się
swobodnie przenośne moduły klientów
sieci bezprzewodowych, jak przenośne
panele z wyłącznikiem awaryjnym, które są noszone przez konkretne osoby,
Armatura i Rurociągi, lipiec - wrzesień 2014
lub bezobsługowe systemy transportu
na dużej powierzchni, konieczne jest
uzupełnienie tej technologii. Tutaj,
wskutek swobodnej mobilności, nie
można przewidzieć, z którymi punktami dostępu moduł klienta sieci bezprzewodowej nawiąże następne połączenie (roaming). Aby mimo tej swobodnej mobilności móc utrzymać
możliwie najkrótsze czasy roamingowe,
stosuje się protokół iPCF-MC (industrial Point Coordination Function –
Management Channel).
19
AUTOMATYKA PRZEMYSŁOWA
Data channel i management
channel
Ilustracja 12. Klasyczne aplikacje Telecontrol znajdują zastosowanie przy uzdatnianiu wody lub dostarczaniu wody pitnej (ilustr. Siemens)
Ilustracja 13. Istniejące technologie telefonii komórkowej – zgodnie z prognozami
LTE niedługo osiągnie najwyższą prędkość i względnie dobry zasięg na całym
świecie.
GSM
(2. generacja)
GSM
(3. generacja)
Przepływność w paśmie Uplink
384 kBit/s (EDGE)
5,76 MBit/s (HSPA+)
50 MBit/s
Przepływność w paśmie Downlink
384 kBit/s (EDGE)
14,4 MBit/s (HSPA+)
100 Mbit/s
Dostępność na całym świecie (w przyszłości)
Zasięg (w przyszłości)
Standardowe pasma częstotliwości
Płaszczyzna
zdalnego dostępu
GSM
(4. generacja)
++
+++
+[++]
+++
+
+[++]
3
6
40 + x
Stanowisko
Telecontrol
Dostęp
Teleservice
Internet
Industrial Wireless
Telecontrol (IWT)
S7-1200 z CP 1242-7
S7-300F
Mobile Panel
277F IWLAN
S7-300
z SCALANCE M874-3
Sieć telefonii komórkowej
umożliwia pokonywanie
największych odległości
Centrala
Telecontrol/Teleservice
SCALANCE
W788-1 M12
Płaszczyzna sterowania
ANT795-6MT
Industrial Wireless LAN
(IWLAN)
SCALANCE
W786-2RR
SCALANCE
W748-1 RJ45
PROFINET
Industrial Ethernet
IE/WSN-PA
LINK
ET 200S CPU
ET 200pro IWLAN
Płaszczyzna
urządzeń sieciowych
WirelessHART
Czujnik
Urządzenia w standardzie HART
z adapterem SITRANS AW200
SITRANS
P280
SITRANS
TF280
Ilustracja 14. Dzięki odpowiednim środkom można przede wszystkim w fazie planowania zapewnić współistnienie różnych systemów radiowych, dzięki czemu wszystkie
mogą pracować bez zakłóceń
20
Dla protokołu iPCF-MC potrzebne
są punkty dostępu z dwoma zintegrowanymi, ale oddzielonymi od siebie interfejsami radiowymi. Jeden interfejs
radiowy jest potrzebny do wymiany danych (data channel), a drugi do wysyłania informacji o zarządzaniu siecią Wireless LAN (management channel). Interfejs management channel wysyła
administracyjne informacje o interfejsie data channel za pośrednictwem tak
zwanych sygnałów świetlnych (beacon)
i w całej instalacji musi być ustawiony
na tym samym kanale radiowym.
Gdy klient sieci bezprzewodowej nie
jest w trakcie wymiany danych, to może
poszukać punktów dostępu o lepszej jakości odbioru – jest to standard w każdej
sieci WLAN. Skanuje kanały i po zakończeniu skanowania decyduje, z którym punktem dostępu nawiąże połączenie. Skanowanie wszystkich kanałów prowadzi jednak do znacznych
przerw w komunikacji, ponieważ podczas tego procesu nie może odbywać
się wymiana danych. Taka względnie
długa przerwa jest niepożądana w komunikacji przez magistralę polową i
doprowadziłaby do błędu magistrali, co
mogłoby skutkować przestojem instalacji. Natomiast dzięki zastosowaniu
protokołu iPCF-MC proces skanowania całej sieci ogranicza się do jednego
kanału radiowego. Wówczas informacje punktów dostępu, które znajdują się
w zasięgu, są odbierane jednocześnie,
co skutkuje znaczną oszczędnością czasu. Klient sieci bezprzewodowej po
procesie skanowania decyduje bezpośrednio, z którym punktem dostępu zamierza dokonać wymiany danych i
przez który kanał (ilustr. 11).
W przypadku szeroko rozproszonych
aplikacji lub w przypadku usług zdalnych konieczne jest korzystanie z istniejącej infrastruktury, jak sieci telefoniczne, lub telefonii komórkowej, gdyż
WirelessHart i WLAN nie są w stanie w
tym wypadku sprostać wymaganiom.
Telefonia komórkowa bazuje na infrastrukturze sieciowej o budowie komórkowej. Razem z indywidualnymi implementacjami narodowymi sieci te umożliwiają niemalże ogólnoświatowy zdalny
dostęp do instalacji przemysłowych.
Zwłaszcza w przypadku trudno dostępnych, rozproszonych instalacji bez okablowanej struktury komunikacji lub w
przypadku mobilnych obiektów podłączanie użytkowników do centrów sterowania realizuje się za pośrednictwem
Armatura i Rurociągi, lipiec - wrzesień 2014
AUTOMATYKA PRZEMYSŁOWA
telefonii komórkowej. Dzięki rosnącym
prędkościom i przepustowościom przy
jednoczesnym spadku kosztów nowe
generacje telefonii komórkowej UMTS
(Universal Mobile Telecommunications System) i LTE (Long Term Evolution) umożliwiają realizację zupełnie
nowych aplikacji, jak na przykład transmisja wideo.
Klasyczne rozwiązania telemechaniczne w rurociągach naftowych i gazowych, w dziedzinie dostawy wody i usuwania ścieków, a także w sektorze energetycznym, stawiają wysokie wymagania
przed teletechniką. Stanowiska zewnętrzne i pomiarowe muszą wymieniać
z centralą dane o dużej objętości i na
duże odległości, a często także za pośrednictwem różnych sieci telekomunikacyjnych. W różnych branżach i regionach obowiązują ponadto specjalne
protokoły teletechniczne. Typowym zastosowaniem jest sterowanie instalacjami technologicznymi, jak na przykład w
zoptymalizowanej pracy urządzeń sieci
komunalnych do uzdatniania wody,
rozdzialu energii i monitorowania ruchu
drogowego, a także w systemach zarządzania budynkami (ilustr. 12).
Zdalne monitorowanie instalacji
Kolejnym obszarem zastosowania, w
którym korzysta się z telefonii komórkowej, jest ekonomiczny, zdalny monitoring instalacji i jej serwisowanie. Teleserwis to wymiana danych technicznych z
rozmieszczonymi w dużym rozproszeniu
maszynami, instalacjami, komputerami,
mająca na celu rozpoznawanie błędów,
diagnozy, konserwację, naprawy lub optymalizację. Mianowicie coraz częściej
maszyny i instalacje pracują w miejscach,
które są położone daleko od ich dostawców. Mimo tego realizatorzy instalacji
muszą oferować usługi serwisowe na wypadek wystąpienia w instalacji błędów
lub w ramach remontów zapobiegawczych. Teleserwis przyczynia się istotnie
również do poczynienia oszczędności w
zakresie kosztów podróży, personalnych
i w przypadku interwencji serwisowych.
Oprócz tego klientom można na bazie
komunikacji zdalnej zaoferować dodatkowe funkcjonalności, na przykład
możliwość monitorowania stanu danego systemu.
Wówczas, w sposób ciągły pobiera się
i mierzy dane dotyczące stanu maszyn
lub instalacji. Na podstawie tych pomiarów można zapobiegawczo interweniować z zabiegami konserwacyjnymi,
zanim dojdzie do drogich przestojów
spowodowanych awarią maszyny lub
instalacji. Coraz częściej takie bezpieczne rozwiązania konserwacyjne
przeprowadza się przez Internet. Podstawą zoptymalizowanej konserwacji
zdalnej są: niezawodne, zawsze dostęp-
22
ne, zabezpieczone i niedrogie połączenia dla transmisji danych.
GSM to rozwiązanie sprawdzone,
ale wolne
GSM (Groupe Spécial Mobile) jest
pierwszym, dostępnym niemalże na całym świecie standardem telefonii komórkowej, który wciąż jest bardzo popularny, zwłaszcza w środowisku przemysłowym. Jego zalety to wysoka
dostępność technologii w wielu krajach, dobry zasięg poszczególnych sieci
komórkowych oraz niskie koszty nabycia i utrzymania. Ponieważ z reguły
aplikacje Telecontrol i Teleservice mają
raczej niewielkie wymagania odnośnie
szerokości pasma, akceptuje się względnie niską przepływność sieci GSM.
Standard UMTS miał zastąpić standard GSM i zapewnić wyższą przepływność. Początkowe nadzieje na szybkie
wprowadzenie tego standardu nie spełniły się jednak do dziś. Standard 3G w
Niemczech dostępny jest praktycznie wyłącznie na gęsto zaludnionych obszarach,
a przepustowości standardu UMTS nie
są istotnie większe od tych charakteryzujących sieci GSM. Dopiero dzięki nowym usługom jak HSPA (High Speed
Packet Access) i HSPA+ można odczuć
znaczną różnicę względem sieci GSM.
Ponadto UMTS jest pierwszym standardem telefonii komórkowej, który ma
gwarancję dostępności na całym świecie.
Wraz z LTE, czyli telefonią komórkową czwartej generacji, branża próbuje wyciągnąć wnioski z błędów przeszłości. Niedługo LTE również powinien
być dostępny na całym świecie. W wielu krajach rozbudowa sieci już się rozpoczęła i postępuje szybciej, niż prognozowano. Cały ten szybki rozwój napędzają przede wszystkim użytkownicy
końcowi, którzy chcą być nieprzerwanie połączeni z Internetem za pośrednictwem swoich inteligentnych urządzeń przenośnych (ilustr. 13).
Zarządzanie współpracą
zapobiega kolizjom
WirelessHart i WLAN pracują na całym świecie w nielicencjonowanym zakresie częstotliwości 2,4 GHz. W tym
zakresie muszą pomieścić się jeszcze
inne protokoły: Bluetooth, RFID (Radio Frequency Identification), WSAN
(Wireless Sensor and Actor Network) i
DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications). Gdy tylko w jednym miejscu, w tym samym czasie, w
kilku systemach zacznie się transmisja
na tej samej częstotliwości, istnieje
możliwość wzajemnego oddziaływania
radiowego, które mogłoby zakłócić
bezkolizyjną pracę instalacji.
Dzięki zarządzaniu współpracą można jednak zapewnić bezkolizyjną pracę,
mimo wzajemnego oddziaływania radiowego. Najlepszy efekt można uzyskać,
gdy zarządzanie współpracą zostanie
zrealizowane w fazie planowania i projektowania. Wówczas możliwe jest odpowiednio wczesne rozpoznanie i uwzględnienie potencjalnych konfliktów.
Przy tym, najważniejszym elementem
jest planowanie radiowe (site survey).
Inżynier-projektant może wówczas,
podczas implementowania aplikacji radiowej do istniejącej instalacji, uwzględnić rozmieszczenie, wybór anteny i
przydzielanie częstotliwości. Celem tego działania jest, aby pola radiowe nie
pokrywały się i nie zakłócały się nawzajem. W przypadku WirelessHart najlepiej byłoby wpisać kanały zajęte przez
inne technologie radiowe na „czarną
listę” i nie korzystać z nich w komunikacji. Dzięki temu byłaby zapewniona
współpraca z innymi bezprzewodowymi
systemami komunikacji w paśmie 2,4
GHz-ISM. Natomiast w przypadku
WLAN przejście na pasmo 5 GHz-ISM
może zapobiec zakłóceniom na styku z
pasmem 2,4 GHz-ISM.
Bezpiecznie w przyszłość
z koncepcją całościową
Stosowanie technologii radiowych stanowi istotny potencjał dla przemysłowych zastosowań w automatyzacji i dlatego będzie występować coraz częściej.
Poziom akceptacji będzie rosnąć,
zwłaszcza dzięki elastyczności i niezawodności w zastosowaniach sieciowych
(ilustr. 14). WirelessHart zapewnia transmisję danych z płaszczyzny urządzeń sieciowych do płaszczyzny sterowania, a
przemysłowa sieć Wireless LAN przejmuje bezprzewodowe skomunikowanie
płaszczyzny sterowania, natomiast telefonia komórkowa umożliwia dostęp do
rozlokowanych na całym świecie elementów instalacji. Dzięki tej całościowej
koncepcji i bezprzewodowej transmisji
danych zarówno konstruktorzy, jak i
użytkownicy instalacji są doskonale przygotowani na nadejście przyszłości.
*) inż. dypl. Jens Grebner jest managerem
produktu w dziale Industrial Remote Communication w firmie Siemens AG; B.Sc.
Sander Rotmensen jest managerem produktu w dziale Industrial Wireless LAN
w Siemens AG; dypl. ekonomistka Roswitha
Skowronek jest managerem ds. marketingu
dla podzespołów sieciowych w Siemens
AG.
Tłumaczenie części 2 artykułu z „atp edition”, z. 10/2013, ss. 26-29.
Armatura i Rurociągi, lipiec - wrzesień 2014