V tomto závěrečném díle se seznámíme s bezdrátovými sítěmi. Dříve se myslelo, že sítě průmyslové automatizace jsou odlišné od sítí, jaké se používají v informační technologii.
První sítě průmyslové automatizace vlastně nebyly ani považovány za sítě, ale spíše za sériové sběrnice. Z těchto úvah vychází také pojem pro komunikační protokol pro průmyslovou automatizaci fieldbus. Přirozeně každá síť byla navržena pro řešení jednoho problému, a pak byla rozšiřována pro řešení dalších, snad souvisejících problémů. Protože obchodní model každého dodavatele byl zaměřen na trochu jinou obchodní oblast, výsledné sběrnice se od sebe dost lišily.
Koncový uživatel by se neměl starat o základní síťový protokol pro automatizační síť, ale pouze o problémy a náklady instalace automatizačního systému a podporu sítě dodavateli. Většina práce EDDL, FDT a OPC je vytvořit abstraktní vrstvu nad síťovým protokolem pro zvýšení transparentnosti pro koncového uživatele a dodavatele systémů. Avšak koncový uživatel se bude muset zabývat instalací. Řada modernějších síťových protokolů se snaží snižovat náklady na instalaci využíváním běžných komerčních síťových komponent a vedení.
Nakonec budou proprietární sítě zcela vytlačeny průmyslovými sítěmi podle mezinárodních norem nebo alespoň obecně „otevřenými“ specifikacemi přijatými v průmyslu. Většina rozdílů mezi sítěmi původně navrženými pro tovární automatizaci a sítěmi sloužícími pro řízení procesů začne postupně mizet, kromě nejvyšších úrovní uživatelské vrstvy. Například již není prakticky žádný rozdíl mezi instalačními náklady na FOUNDATION Fieldbus HSE, EtherNet/IP nebo PROFINET, protože všechny využívají standardní komerční ethernetové propojení a komponenty. Jejich uživatelské vrstvy jsou však zcela odlišné.
Bezdrátové sítě v průmyslu
Wi-Fi
Snížené náklady na ethernetové sítě vnášejí tuto rychlou a levnou technologii do výrobních závodů a dílen. Další vedlejší účinek ethernetu je vidět na použití bezdrátové technologie pro skupinu bezdrátových komunikačních protokolů Wi-Fi.
Wi-Fi je v zásadě bezdrátový ethernet. Jakákoli aplikační vrstva vyšší úrovně a uživatelská vrstva mohou komunikovat přes Wi-Fi rychlostí až 1 GB/s bez znalosti skutečnosti, že se jedná o VF linku. Wi-Fi je nejběžnější bezdrátová technologie, avšak má vážné problémy s fungováním v prostředí s elektrickým rušením, jakým je výrobní závod nebo tovární dílna.
Oblíbené standardy Wi-Fi-a/b/g (IEEE 802.11a, b a g) jsou teoreticky schopny dosáhnout max. 54 MB/s při použití jednoho z 2,4 GHz kanálů. Avšak standard Wi-Fi-n (IEEE 802,11n), který má teoretické jmenovité maximum na 600 MB/s, je ještě zajímavější. Wi-Fi-n umožňuje vazbu až mezi čtyřmi VF kanály, včetně 5 GHz pásma, pro dosažení vysoké rychlosti. Vlastnost Wi-Fi-n, která je pro průmyslové použití nejzajímavější, je využití technologie MIMO (více vstupů a více výstupů). Technologie MIMO je prokazatelně schopna eliminovat nežádoucí účinky odrazů, které deformují násobné cesty, což se projevuje jako oslabení signálu. MIMO dosahuje lepšího příjmu prostřednictvím detekce násobné cesty signálu a jeho zesílení buď eliminací násobnosti, nebo fázovým posunem. Experimenty naznačují, že používáním Wi-Fi-n lze dosáhnout vynikajícího chování jak v závodech, tak ve výrobních prostorech s ocelovou kontrukcí, které zhoršují fungování Wi-Fi-a/b/g.
Ještě zajímavější je z tohoto pohledu Wi-Fi-ac (IEEE 802.11ac). Jak komerční, tak průmyslové verze zařízení Wi-Fi-ac se již úspěšně prodávají. Stejně jako Wi-Fi-n, i Wi-Fi-ac využívá MIMO a kanálové vazby pro rozšíření pásma, ale výhradně v pásmu 5 GHz. Lze vytvořit vazbu až osmi kanálů pro dosažení teoretické rychlosti 1 GB/s. V 5 GHz pásmu je k dispozici až 25 Wi-Fi kanálů. Samozřejmě využívání bezdrátové technologie přináší problémy zabezpečení a ochrany soukromí průmyslových sítí, což v případě pevných propojení problém nikdy nebyl.
Bezdrátová technologie nabízí vynikající řešení problému vysokých nákladů kabelových vedení v průmyslových závodech a také nejlepší bariéru pro rázové vlny, kterým jsou průmyslová zařízení vystavena kvůli kabelovému připojení na síť. Cenou za tyto výhody bezdrátového systému je problém s napájením provozních přístrojů, která byly dříve napájeny stejným kabelem, jaký sloužil k přenosu dat mezi nimi a hostitelským systémem. Od poloviny roku 2015 nabízí řada výrobců bezdrátové provozní přístroje odpovídající standardním specifikacím a určené pro napájení z baterií. S využitím výhody nízkoenergetického designu bezdrátových zařízení vzniká celé nové odvětví energeticky soběstačných zařízení, které získávají energii z dostupných světelných, vibračních a tepelných rozdílů. Je pravděpodobné, že potenciální snížení nákladů odstraněním nutnosti instalací kabelů a jejich údržby povede k rozšíření trhu bezdrátových senzorů budoucnosti. Kromě toho jsou nacházena nová použití bezdrátových zařízení pro průmyslová měření a kontroly. Tato použití byla dříve při používání kabelových propojení neekonomická.
ISA100 Bezdrátové nástroje
Bezdrátové provozní nástroje ISA100 Wireless a převodníky signálů pro nástroje HART jsou k dispozici v komerčních provedeních. Výbor pro normalizaci ISA100 vyvinul univerzální normy pro bezdrátovou průmyslovou komunikaci. První z nich je ANSI/ISA-100.11a-2011, Bezdrátové systémy pro průmyslovou automatizaci: řízení procesů a související použití, určená pro sběr dat procesu a omezené potřeby řízení průmyslových procesů.
Odpovídající mezinárodní normou je IEC 62734. Tuto normu nyní podporuje Institut pro dodržování předpisů bezdrátovými zařízeními Wireless Compliance Institute (WCI), provozní pobočka ISA, a je známa jako ISA100 Wireless.
ISA100 Wireless vylepšuje normu IEEE 802.15.4-2006 tím, že umí přeskakovat mezi 16 kanály v 2,4 GHz průmyslovém, vědeckém a lékařském pásmu (ISM). ISA100 Wireless má možnosti upravovat svou síť pro širokou škálu aplikací včetně segmentace sítě a peer-to-peer messaging. Každý segment sítě může používat jiný vzorec pohybu a vlastní délky časových oken. Tyto možnosti byly vyvinuty proto, aby bylo možno vytvářet velké sítě s překrývajícími se segmenty. Byly také vyrobeny provozní routery pro snížení počtu přeskoků potřebných pro dosažení hostitelského zařízení a spojení geograficky oddělených síťových segmentů.
ISA100 Wireless obsahuje vysokou úroveň zabezpečení pro nová zařízení připojovaná do sítě, která je založena na asymetrickém 256bitovém šifrovacím klíči, plánované rotaci 128bitových šifrovacích klíčů a požadované totožnosti v bílém seznamu. Topologie síťového propojení Mesh jsou formovány podle pokynů správce sítě a zahrnují vždy duální messaging, v jehož rámci jsou všechny zprávy přenášeny dvěma sousedům sítě současně jako redundance dvojí cesty. Díky těmto vlastnostem je ISA100 Wireless stejně spolehlivá jako kabelové sítě.
ISA100 Wireless umožňuje zařízením na kraji sítě nesměrovat zprávy na neschválená zařízení. Tím se zvyšuje zabezpečení, protože neoprávněná zařízení nemohou vstupovat do podnikových sítí z vnějšku mimo podnik.
Může to také snížit náklady na zařízení, která mohou být jednodušší. Kromě toho ISA100 Wireless využívá IP adresaci odpovídající té internetové pro možnost vzdálené adresace dat provozních zařízení. Přenosová vrstva provádí zabezpečený přenos zpráv a jejich potvrzení a je založena na internetovém uživatelském protokolu User Datagram Protocol (UDP), ale eliminuje metody pokusu a omylu využívané protokolem TCP.
Aplikační vrstva ISA100 Wireless je úplně objektově orientovaná, což znamená, že data provozních zařízení mohou být adresována standardním protokolem IEC 61804 EDDL. Pro sítě, které tuto normu nevyužívají, lze všechny zprávy zapouzdřit a tunelovat do žádajícího hostitelského zařízení.
WirelessHART
WirelessHART je průmyslový standard pro bezdrátovou komunikaci na úrovni provozu určený k použití při řízení spojitých technologických procesů. Specifikace WirelessHART jsou obsaženy v normě IEC 62591 podporované Komunikační nadací HART, která je dnes členem skupiny FieldComm Group.
WirelessHART využívá mezinárodní normu IEEE 802.15.4-2006 upravenou o přeskoky mezi 15 univerzálně dostupnými kmitočty (kanály) specifikovanými v této normě pro pásmo 2,4 GHz ISM. Časové okno je pro celou síť konstantní, obvykle má délku 10 ms. Přenos je šifrovaný 128bitovým klíčem pro dosažení vysokého stupně zabezpečení. Provozní přístroje jsou zapojena do topologie síťového propojení Mesh (obr. 1) se zabezpečenou metodou budování a oprav sítě podle jejího vlastního protokolu pro propojení vrstev. K výhodám této sítě patří redundance, větší celková vzdálenost a odstranění omezení výhledu.
Je definován jednoduchý protokol vlastní přenosové vrstvy pro zajištění přenosu zpráv a potvrzení podle potřeby. Podobně jako u kabelové sítě HART je přístup k datům hromadný pomocí příkazů HART, včetně veškerých funkcí údržby bezdrátové sítě WirelessHART. Zařízení WirelessHART mohou být také nastavena pro přenos dat metodou publikace. Zařízení WirelessHART jsou opatřena (síťovým nastavením) kabelovým připojením a mohou vstoupit do aktivní sítě pouze tehdy, pokud pro ni byla pořízena.
Síť WirelessHART byla vyvinuta jako jednoduchá bezdrátová síť pro řízení spojitých technologických procesů a pro poskytnutí bezdrátové metody přístupu k diagnostickým údajům v přístrojích HART instalovaných v minulosti. Odhaduje se, že těchto přístrojů HART je více než 25 milionů a tyto přístroje mohou odesílat svá digitální diagnostická data jen do ručního terminálu, protože řídící systémy, k nimž jsou připojeny, nemohou k těmto datům získat přístup přes spojovací kabel 4–20 mA. WirelessHART se zdá být odpovědí na tento problém.
Na skutečnost, že WirelessHART a ISA100 Wireless jsou určeny pro stejný trh, upozornilo již mnoho uživatelů včetně společnosti IEC. Obě sítě jsou technicky podobné, ale v detailech se značně liší, takže mnoho uživatelů žádá jejich sjednocení. Byl jmenován výbor ISA100.12, jehož úkolem bylo sjednocení systémů WirelessHART a ISA100 Wireless. Po skončení jeho práce v roce 2013 nebyl tento výbor schopen najít cestu k sjednocení obou standardů bez způsobení zastarání produktů, které již byly zavedeny do praxe. Výbor uvedl, že lze navrhnout bránu, která by obě sítě v případě nutnosti připojila ke stejnému hostiteli; že obě sítě mohou fungovat nezávisle ve stejném prostoru při použití metod obnovy po kolizi na každé síti; a že výrobci si mohou rozhodnout, ve které síti budou jejich produkty fungovat, načtením příslušného firmware nebo volbou doby běhu programu. Skupina FieldComm Group definovala svou specifikaci ROM pro použití branami pro propojení ISA 100 Wireless a WirelessHART.
ZigBee
ZigBee je organizace specifikující další protokoly vyšších vrstev pomocí téže normy IEEE 802.15.4, stejně jako ISA100 Wireless i WirelessHART. Tyto sítě jsou určeny k fungování ve výrobních dílnách bez rušení Wi-Fi. Jsou také nízkonákladové, nepotřebují velký příkon a dokážou přenášet ethernetové zprávy. I když ZigBee může fungovat na hvězdicové topologii jako Wi-Fi, umožňuje také provoz síťové topologie.
I když pro použití ZigBee bylo navrženo již mnoho průmyslových produktů, málo z nich slouží pro řízení procesů. Většina aplikací se ZigBee slouží pro dálkový odečet elektroměrů, automatizaci budov a některé operace dálkového ovládání.
Od poloviny roku 2015 většina bezdrátových aplikací pro tovární automatizaci využívá Wi-Fi v místech, kde se dřív používal kabelový ethernet. Existuje málo aplikací pro senzory bezdrátové tovární automatizace. Honeywell vyrábí řadu bezdrátových spínačů s využitím jejich značky LimitlessTM a na základě normy IEEE 802.15.4, ale nevyužívá ZigBee ani technologii ISA100 Wireless.
