Przemysłowe zastosowania Wi-Fi

Sieci bezprzewodowe Wi-Fi, podobnie jak kablowe, opierają się na standardach, które nie były projektowane z myślą o zastosowaniach w systemach przemysłowych. Dlatego też nie jest możliwe proste wykorzystanie dostępnych na rynku urządzeń zgodnych ze standardami IEEE 802.11 do kontroli lub sterowania sprzętem wymagającym stabilnej i niezawodnej komunikacji, i to w czasie rzeczywistym.

Nie znaczy to jednak, że sieci Wi-Fi nie znajdują zastosowania w przemyśle. Trudno bowiem nie docenić ich zalet, takich jak możliwość elastycznej i względnie łatwej rekonfiguracji oraz wykorzystania urządzeń mobilnych. By spełnić wymagania stawiane przed urządzeniami przemysłowymi, producenci oferują modele urządzeń Wi-Fi przystosowane do takich zastosowań. Przykładem mogą być systemy Simatic Net zgodne ze standardami Profinet i Profibus, a oferowane przez Siemensa.

Bezprzewodowa stabilność i niezawodność

W warunkach przemysłowych trzeba przewidzieć możliwość pojawienia się zakłóceń transmisji radiowej, powodowanych przez odbicia lub ekranowanie pola elektromagnetycznego przez duże elementy metalowe - na przykład przemieszczające się dźwigi lub wielkogabarytowe elementy. Simatic Net uzyskuje to m.in. przez zastosowanie mechanizmów monitorowania natężeń pola w różnych obszarach i automatycznej modyfikacji kanałów transmisji.

W skład Simatic Net wchodzi seria interfejsów i stacji dostępowych Scalance W 802.11a/b/g wyposażonych w podwójne anteny i sterowniki, które kontrolują generowane lub odbierane sygnały i automatycznie przełączają transmisję na bardziej stabilny i silniejszy kanał. Oprócz tego zawierają one mechanizmy cyklicznego monitorowania połączeń bezprzewodowych (Link Check, IP-Alive) i w wypadku, gdy nastąpi zerwanie komunikacji, odtwarzają zdefiniowany wcześniej komunikat oraz przekazują sterowanie do odpowiedniego modułu, co zapobiega przerwom w działaniu kontrolerów urządzeń przemysłowych.

Standardowy system Wi-Fi jest siecią współdzieloną - wszystkie urządzenia konkurują ze sobą, a w podstawowej specyfikacji IEEE 802.11 nie ma mechanizmów spełniających wymagania aplikacji działających w czasie rzeczywistym. Dodatkowe standardy dotyczące priorytetyzacji ruchu i zapewnienia jakości usług QoS zostały opracowane przede wszystkim pod kątem obsługi transmisji wideo lub systemów VoIP, a nie zastosowań przemysłowych i systemów czasu rzeczywistego.

Dlatego w systemie Simatic Net zastosowano mechanizm rezerwacji pasma dla każdego zarejestrowanego urządzenia bezprzewodowego o znaczeniu krytycznym, dzięki któremu żadne z nich nie jest zmuszone do konkurencji o dostęp do sieci i bez przeszkód komunikuje się w przydzielonych mu przedziałach czasu. Pozostałe pasmo jest wykorzystywane zgodnie z ogólnymi zasadami sieci Wi-Fi. Z rezerwacji pasma może korzystać każde urządzenie Wi-Fi, nie tylko sprzęt dedykowany Simatic Net.

Wśród innych mechanizmów rozszerzających specyfikacje 802.11 można wymienić wymuszony roaming między pasmami 2,4 i 5 GHz w przypadku pojawienia się zakłóceń w używanym kanale, możliwość stosowania redundancji (mechanizm Spanning Tree) i zasilania PoE rozszerzonego o funkcje wykorzystania napięć 24 V popularnych w systemach automatyki przemysłowej.

Urządzenia serii Scalance W są też wyposażone w moduły C-Plug - wymienną pamięć umożliwiającą uruchomienie stacji dostępowej natychmiast po jej zainstalowaniu, bez konieczności programowania i konfiguracji.

Oczywiste jest, że sprzęt Wi-Fi, który jest przeznaczony do pracy w warunkach przemysłowych, musi być wyposażony w odpowiednie obudowy zapewniające ochronę przed kurzem i wilgocią, a także uszkodzeniami mechanicznymi, co jest szczególnie ważne w wypadku urządzeń przenośnych.

Ma to duże znaczenie w przypadku stacji bezprzewodowych. Choć podobnie jak przełączniki kablowe można je instalować w izolowanych i zabezpieczonych przed wpływem środowiska szafach przemysłowych, to często jest to niekorzystne ze względu na wymagany zasięg pola radiowego. Rozwiązaniem mogą być dodatkowe, zewnętrzne anteny, ale zastosowanie stacji dostępowych wyposażonych w odpowiednie obudowy przemysłowe jest najczęściej rozwiązaniem tańszym i wygodniejszym.

Decydując się na korzystanie z zalet sieci bezprzewodowej i zakup profesjonalnego sprzętu, należy jednak pamiętać, że jej niezawodne działanie zależy nie tylko od zastosowanych urządzeń, lecz także dobrego projektu, który powinien uwzględniać warunki propagacji fal radiowych w konkretnej infrastrukturze.

Rafał Bień, Product manager Simatic Net

Technologie znane dotychczas z zastosowań biurowych coraz szerzej stosowane są w przemysłowych systemach sterowania, a dotyczy to również sieci Ethernet. Wykorzystując jej zalety, trzeba jednak pamiętać o zminimalizowaniu wad z punktu widzenia zastosowań w automatyce przemysłowej, takich jak brak mechanizmów umożliwiających pracę w czasie rzeczywistym czy niemożność spełnienia wymagań dotyczących konstrukcji urządzeń na potrzeby przemysłu.

Dlatego też sieci przemysłowe bazujące na standardzie Industrial Ethernet najprościej można porównać pod względem parametrów określających determinizm czasowy i komunikację w czasie rzeczywistym. Różnice w realizacji protokołu i wymiany danych występują już w warstwie fizycznej sieci, bo zależą od konstrukcji jej aktywnych komponentów i interfejsów. Każdy, nawet otwarty standard obsługi danych w praktyce wymaga jednak zastosowania przez producentów unikalnych rozwiązań, np. specjalizowanych układów scalonych odpowiedzialnych za przekierowanie danych.

W przypadku Ethernetu dotyczy to np. rozróżniania pakietów mających priorytet obsługi w czasie rzeczywistym. Systemy automatyki przemysłowej, poza samym procesem sterowania, powinny umożliwiać diagnostykę, zdalny serwis oraz sterowanie napędami Motion Control.

Wybór rozwiązania opartego na sieci Ethernet powinien chronić dotychczasowe inwestycje, pozwalając na integrację z już istniejącymi sieciami polowymi. Zapewnia to standard Profinet dzięki procedurze certyfikacji urządzeń przez międzynarodową organizację Profibus PNO (Profibus Nutzer Organization). Siemens jest jedną z firm zrzeszonych w PNO i wspiera ten standard w zakresie rozwiązań dla sieci Profibus i Profinet.

Sieć Profibus obchodzi obecnie 20-lecie powstania i wciąż jest rozwijana oraz unowocześniana. Obecnie duży nacisk kładzie się na możliwość pełnej integracji systemów i rozwój profili aplikacyjnych. Sieci polowe Profibus zostały rozszerzone i zaadaptowane do świata komunikacji Ethernet, tworząc właśnie standard Profinet.

W Polsce istnieje lokalny oddział Profibus PNO, który pomaga użytkownikom i producentom urządzeń wykorzystać najnowsze rozwiązania oparte na otwartych standardach. Siedziba oddziału znajduje się w Gliwicach. Więcej informacji dostępnych jest pod adresem www.profibus.org.pl.