Decyzja o wdrożeniu bezprzewodowej technologii w środowisku przemysłowym to wybór strategiczny. Taka infrastruktura daje więcej korzyści przedsiębiorstwu, niż tylko pozbycie się kabli. Prawidłowa decyzja pomoże zwiększyć bezpieczeństwo, zoptymalizować sieć oraz zapewnić kompatybilność na każdym poziomie. Kilka organizacji branżowych próbuje przeforsować swój standard bezprzewodowej sieci przemysłowej. Czy w tym wyścigu zwycięży ZigBee? Zapewne technologia ta będzie koegzystować z powszechnie już stosowanymi sieciami WiFi.

Unikalne wymagania

Osiągnięcie sukcesu w rozwiązaniach bez kabli w przemyśle wymaga głębokiego zrozumienia unikalnych wymagań tego środowiska. Niezależnie od profilu produkcji, teren pokrycia sygnałem jest przeważnie bardzo rozległy. Fizyczny obszar zawiera zmienne elementy środowiska - zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz budynków. Wydajność łączności bezprzewodowej zależy od wielu elementów, takich jak ekstremalna temperatura, wiatr czy przeszkody.

Duże ilości stali w konstrukcjach budynków oraz środowisku mogą degradować sygnał RF, podobnie jak czyni to sprzęt emitujący elektromagnetyczny szum. Większość typowych wdrożeń biurowych czy domowych wymaga ustanowienia połączenia bezprzewodowego do punktu dostępowego lub innego komputera. Przemysł posiada podobne wymagania, ale dostosowane do specyficznych procesów. Zaletą rozwiązań bezprzewodowych jest możliwość realizacji rozproszonej i rozbudowanej sieci przemysłowej niskim kosztem. Kluczowym problemem implementacji jest konieczność obsługi wielu typów urządzeń.

Przegląd technologii

Standard 802.11b jest dostępny od długiego czasu, a jego maksymalna prędkość danych na poziomie 11 Mb/s jest aż nadto wystarczająca dla większości aplikacji przemysłowych. Podstawowym wyzywaniem dla Wi-Fi w takiej sieci jest interferujący sprzęt przemysłowy, którego przeważnie nie można się pozbyć, ponieważ został stworzony do specyficznych zastosowań. A co jeżeli chodzi o szybszą wersję tego standardu - 802.11a oraz 802.11g? Oba nowsze standardy przesyłają dane z prędkością 54 Mb/s. Niewiele aplikacji przemysłowych będzie wymagało aż tak dużej prędkości transmisji. Standard 802.11a wykorzystuje pasmo 5 GHz. Zasięg dla tej częstotliwości jest mocno ograniczony, a właśnie ten parametr jest najważniejszym czynnikiem w większości przemysłowych aplikacji. Jeżeli chodzi o standard 802.11g, dysponuje on większą prędkością, ale stosuje identyczną częstotliwość, co standard 802.11b. Jeżeli planujemy więc wykorzystywać Wi-Fi w środowiskach przemysłowych, najlepszym rozwiązaniem będzie zastosowanie 802.11g. Inną opcją jest wykorzystanie wbudowanego Wi-Fi. Jeżeli aplikacja jest unikalna i dysponujemy ekspertem z dziedziny sieci bezprzewodowych, specyficzny układ scalony może zostać oprogramowany i wbudowany w system. Zdecydowanie szybszym i łatwiejszym sposobem będzie jednak zastosowanie osobnego modułu.

Standard 802.11 nie będzie pracował poprawnie z większością wbudowanych aplikacji, ze względu na konsumpcję energii oraz wymagany rozmiar kodu (ok. 1 MB na poprawne funkcjonowanie bezprzewodowego węzła). Większość prostych zadań, które dominują w środowiskach przemysłowych - przykładowo zdalny monitoring temperatury - nie może dostosowywać się do wygórowanego zapotrzebowania standardu 802.11.

Bezprzewodową technologią przemysłową o największym potencjale jest ZigBee. ZigBee zajmuje relatywnie mało miejsca w przestrzeni kodu (32 KB do 70 KB). Zasięg technologii jest ograniczony: 10 m - 100 m. Ta bezprzewodowa technologia krótkiego zasięgu była stworzona właśnie dla aplikacji przemysłowych. Ponad 140 firm współpracuje razem w ramach ZigBee Alliance w celu promowania i wspierania tej technologii. ZigBee jest także znane jako standard IEEE oznaczony symbolem 802.15.4. Standard definiuje warstwę fizyczną (PHY) i warstwę kontroli dostępu do medium (MAC). ZigBee Alliance dostosowuje warstwy sieciowe, bezpieczeństwa i aplikacji. ZigBee istnieje w trzech wersjach. Europejska pracuje na częstotliwości 868 MHz z prędkością transmisji na poziomie 20 kb/s. Wersja 915 MHz używa 10 kanałów w celu osiągnięcia prędkości na poziomie 40 kb/s. Prawdziwym demonem prędkości jest wersja pracująca na częstotliwości 2,4 GHz, wykorzystująca 16 kanałów i osiągająca prędkość transmisji na poziomie 250 kb/s. Wszystkie odmiany ZigBee używają technologii DSSS (Direct-Sequence Spread Spectrum). Ogólnodostępne częstotliwości dla ZigBee 802.15.4 to 2,4 GHz, wykorzystujące BPSK jako schemat modulacji.

ZigBee jest technologią PAN (Personal Area Network), która automatycznie ustanawia połączenie z najbliższym węzłem. Taka sieć może zostać skonfigurowana w topologii gwiazdy, drzewa lub sieci kratowej. Technologia stanowi idealną podbudowę dla minisieci kratowych. Jedną z największych zalet ZigBee jest właśnie funkcjonalność sieci MESH. Pozwala ona wędrować wiadomościom od węzła do węzła. Jeżeli dowolny z węzłów przestanie działać lub odrzuci wiadomość, informacja nadal może osiągnąć miejsce przeznaczenia. Niestety sieć MESH w ZigBee będzie wymagała bardziej inteligentnego trasowania pakietów, a w rezultacie zwiększenia wielkości kodu. Podstawową jej zaletą jest bardzo niska konsumpcja energii i prostota, która znacznie obniża koszty rozwiązania. Projektanci sieci przemysłowych mogą teraz wbudowywać bezprzewodowe sensory w większość wymagających tego elementów. Niskie zapotrzebowanie na energię pozwala pracować na jednej baterii w niektórych przypadkach nawet przez kilka lat.

Pasmo 2,4 GHz staje się coraz bardziej zatłoczone. Zjawiska wielościeżkowości i odbić mogą znacznie osłabiać transmisję 2,4 GHz. Mniej zatłoczone pasma, jak 915 MHz, 868 MHz czy nawet 433 MHz, oferują znakomitą alternatywę dla częstotliwości 2,4 GHz. Sieci wykorzystujące niższe częstotliwości nie są podatne w tak dużym stopniu na zjawisko wielościeżkowości i degradację sygnału. Wiele aplikacji pracujących na częstotliwości 915 MHz i niższych można zrealizować na wbudowanej w płytę antenie PCB. Taka redukcja anteny pomaga zmniejszyć koszt urządzenia i jest kolejnym argumentem przeciw rozwiązaniom 2,4 GHz.