Aktuální vydání

celé číslo

07

2019

Řízení dopravy a budov

celé číslo

Bezdrátové komunikace WISA

Bezdrátové komunikace WISA

Společnost ABB již před několika lety představila vlastní standard pro bezdrátovou komunikaci pro snímače a spínače WISA. Letos produkty pro tento standard, určený pro bezdrátový přenos dat i energie, prezentovala na veletrhu Hannover Messe.

Použití bezdrátových senzorů umožňuje přístup k veličinám, které dříve nebylo možné sledovat, a dovoluje tak zvýšit efektivitu celého řízeného procesu, ale zejména jeho bezpečnost. Pevné silové i informační kabelové spoje jsou nejen nákladné na instalaci, ale zároveň jsou nezanedbatelným zdrojem poruch průmyslových řídicích systémů. Minimální množství kabeláže u bezdrátových komunikačních sítí se tak projeví jak ve zvýšené flexibilitě řídicího systému, tak v kratší době potřebné pro instalaci a uvedení systému do provozu. Nezanedbatelný je i pokles nákladů s tím spojených.

Použití bezdrátových senzorů zároveň umožňuje přístup k veličinám, které dříve nebylo možné sledovat, a dovoluje tak zvýšit kromě efektivity řízeného procesu zejména jeho bezpečnost.

WISA - princip a historie

Výrobu prvních zařízení WISA (Wireless Interface to Sensors and Actuators) zahájila společnost ABB již v roce 2003 a produkce byla uvedena na trh v polovině roku 2004. Od té doby společnost rozšířila sortiment svých produktů podporujících WISA, takže ten dnes zahrnuje i 32bitová zařízení a dostupné jsou i vysílače o výkonech až 100 mW.

K bezproblémové funkci bezdrátových systémů je nutné zajistit překonání několika překážek vyplývajících z povahy prostředí, v nichž jsou provozovány. Mezi základní patří elektromagnetické rušení a vlivy prostředí (vibrace, teplota, prašnost atd.), ale také přítomnost další rádiové komunikace (WLAN, ZigBee apod.). Jedním z důležitých požadavků kladených na nový systém při jeho vývoji tak byla schopnost společné existence v jednom prostoru s dalšími systémy komunikujícími ve stejném frekvenčním pásmu.

Vývoj nového standardu byl dále motivován úsilím vytvořit produkt schopný provozu v běžných průmyslových podmínkách, který kromě přenosu dat zajistí také bezdrátovou dodávku energie jednotlivým snímačům. Další odlišností systémů WISA od podobných systémů je dosažení kompromisu mezi dvěma důležitými požadavky kladenými na bezdrátové komunikační systémy s větším počtem uzlů – mezi dobou reakce a dostupným objemem přenášených dat (obr. 1).

Základní charakteristikou systému WISA, odlišující jej od jiných podobných produktů, je možnost bezdrátového napájení použitých členů prostřednictvím elektromagnetického pole a rovněž komunikace v bezlicenčním pásmu 2,4 GHz, vyhovující normě IEEE 802.15.1 (fyzická vrstva), pod kterou je veden např. i standard Bluetooth, jakožto podkategorie sítí WPAN (Wireless Personal Area Networks). Samotná platforma WISA se skládá ze dvou základních částí:

  • WISA-com – část zaměřená na komunikaci,
  • WISA-power – část zaměřená na napájení a přenos energie.

Komunikační protokol WISA-com

Pro komunikaci vyvinula společnost ABB svůj vlastní komunikační protokol založený na metodě obousměrného vícenásobného přístupu s časovým dělením (Time Division Multiple Access, TDMA) a doplněný rozmítáním spektra (frequency division duplex) s přeskoky (frequency hopping). Použití TDMA se jeví jako nejvhodnější řešení pro nízkorozpočtové systémy o nízkém výkonu, u nichž hraje kritickou roli čas. Výrobce inzeruje, že takto bylo dosaženo spolehlivosti přenosu dat 99,99 %. Fyzická vrstva bezdrátového protokolu je kompatibilní s normou IEEE 802.15.1, což s sebou nese zejména nízkou spotřebu, malé rozměry a nižší výslednou cenu jednotlivých zařízení.

I přes značnou podobnost se sítěmi WLAN lze u WISA-com vysledovat několik odlišností. Jednou z nich je schopnost plně duplexní simultánní komunikace (příjem i vysílání) a současného příjmu několika signálů o různých intenzitách (v poměru až milion ku jedné).

Vliv rušení omezuje použití dvou antén na základní stanici, mezi nimiž lze přepínat s frekvencí 2 ms. Antény jsou všesměrové.

Nástrojem omezujícím negativní vliv okolí je použití deterministických frekvenčních přeskoků. Ten je doplněn detekcí chyb a možností případného automatického zopakování zprávy (Automatic Retransmission Requests, ARQ). Zároveň je zde snaha o efektivní využití jak energie, tak i používaného frekvenčního pásma, takže snímače vysílají kromě klasických monitorovacích informací o stavu zařízení (přibližně každých 500 ms) pouze změny svých hodnot. Frekvence vysílání je do značné míry omezena množstvím dostupné energie a zaručeno je v nejhorším případě pět vysílání za sekundu, pro typické případy se tato hodnota pohybuje okolo čtyřiceti za sekundu. Každému senzoru je přiřazen zvláštní časový slot a frekvence a zároveň je udržováno vždy pět volných komunikačních kanálů, aby bylo možné dosáhnout co nejrychlejší odezvy zařízení.

Pro to, aby bylo dosaženo snížení spotřeby jednotlivých snímačů, je k dispozici režim hibernace, v němž se sníží odběr zařízení na zhruba 1 mA (při vysílání je odběr až 45 mA).

Typická doba odezvy je 5 ms, přičemž ta nezávisí na počtu připojených zařízení a výrobce garantuje nejhorší dobu odezvy 20 ms (v případě, že žádaná informace musí být pro rušení odeslána opakovaně). Základní stanice navíc neustále udržuje aktivní spojení se senzorem (downlink), aby bylo kdykoliv možné rychle dosáhnout synchronizace a aby vzdálené zařízení mohlo co nejrychleji nalézt volný časový slot pro přenos dat do centrály (uplink). Bližší srovnání s protokolem Bluetooth je v tab. 1.

Tab. 1. Srovnání protokolů WISA a Bluetooth

Charakteristika

WISA

Bluetooth*

Provozní frekvence (GHz)

2,4

2,4

Šířka komunikačního pásma

1 Mb/s (příjem)
4 × 1 Mb/s (vysílání)

1 Mb/s
(příjem i vysílání)

Doba odezvy zařízení
– nominální
– typická
– nejhorší případ


2 ms
do 5 ms
20 ms


5 ms
18 ms
více než 100 ms

Komunikační uzly
– počet aktivních uzlů typu slave na jeden master
– celkový počet uzlů typu slave na jeden master


max. 120


7
256*

Spotřeba
– aktivní stav
– hibernace**


200 mW
0,1 mW


300 mW
4 mW


* Infineon Flinkstone; ** doba probuzení 1 až 3 s

U uváděných hodnot (spolehlivost přenosu, doba odezvy zařízení, maximální počet senzorů) se počítá s komunikační vzdáleností do pěti metrů, v závislosti na prostředí mohou být data přenášena až na vzdálenost do patnácti metrů.

WISA-power

Vzhledem k tomu, že v běžném provozu, kde mohou být řádově tisíce senzorů fungujících nepřetržitě, může být údržba spojená s kontrolou stavu baterií dosti zatěžující, přichází firma ABB s možností bezdrátového přenosu energie. Řešení využívá elektromagnetické pole o frekvenci zhruba 120 kHz, generované silovými elektrickými kabely, které obklopují pracoviště, a ze kterého mohou jednotlivé snímače získávat energii pro svůj provoz. Pole je ve své podstatě obdobné jako to, jaké používají ke svému provozu zařízení RFID nebo systémy pro zamezení krádeží v obchodech.

Kabely mající funkci primárního okruhu jsou instalovány okolo celého zařízení a jsou napájeny střídavým proudem. Předpokládá se typická velikost obsluhovaného prostoru 3 × 3 × 3 m (popř. 3 × 3 × 6 m při instalaci podpůrné druhé primární jednotky) a v rámci jedné tovární haly může být v provozu několik takovýchto jednotek. Bezdrátová zařízení uvnitř primární smyčky jsou vybavena malou sekundární cívkou, která přeměňuje energii okolního magnetického pole opět v energii elektrickou.

Výkonové ztráty způsobené různými povrchovými jevy a vířivými proudy jsou závislé na prostředí a pohybují se okolo 15 W/m3, přičemž nejnižší využitelný výkon pro snímač v nejhorším případě (zastínění apod.) dosahuje 10 mW. Je-li to nutné (pneumatické akční členy), lze výkon zvýšit úpravami velikosti cívek na přijímací straně. Řídicí jednotka zdroje (Wireless Power Unit WPU100) provozuje pro snížení ztrát celý elektromagnetický systém v rezonančním módu. Navíc monitoruje přenos energie, a je tak do jisté míry schopna automaticky reagovat na případné změny prostředí. Střídavé pole je použito, aby bylo zabráněno ztrátám zastíněním. Efektivitu přenosu je možné zvýšit dalším přizpůsobením primárního vedení (např. pro snímače umístěné na pásovém dopravníku atd.).

I přes skutečnost, že se nepředpokládá stálý pohyb osob v prostoru dané jednotky WISA-power, jsou typické intenzity magnetického pole v mezích daných mezinárodními ustanoveními a doporučeními. Případná obsluha (vyjma osob se specifickými zdravotními problémy – např. kardiaků s pacemakery) tak může každodenně bez úhony trávit v magnetickém poli celou délku směny.

Produkty WISA

Sortiment snímačů podporujících standard WISA se v nedávné době rozrostl a v současnosti obsahuje tři základní skupiny zařízení.

Senzory vzdálenosti Wisa Proximity Switch (WPS) jsou zcela bezdrátové senzory vzdálenosti založené na indukčním principu. Vlastní zařízení se skládá z indukční hlavy snímače (WSIF..., WSIN...) a komunikačního modulu WSIX100. V něm je vestavěna jak podpora bezdrátové komunikace WISA, tak i přijímač energie magnetického pole. Hlava senzoru je navržena tak, aby minimalizovala spotřebu energie, a pracuje s napětím 3 V, tedy nižším, než je běžné u podobných senzorů.

Wireless Sensor Pad (WSP100) je komunikační modul, ke kterému je možné připojit až osm snímacích hlav.

Wireless Input/Output Pad (WIOP; obr. 2) je zařízení navržené pro integraci běžných senzorů a akčních členů do systému WISA. Komunikuje také pomocí WISA-com, nicméně na rozdíl od zbývajících prvků je vybaven také 24V zdrojem energie, aby bylo umožněno připojení měřicích zařízení bez WISA-power.

Tato bezdrátová zařízení komunikují s využitím rádiové techniky WISA-com se základní stanicí Wireless Devices I/O module (WDIO; obr. 2), která přijímá signál pomocí páru antén a je připojena k PLC prostřednictvím rozhraní ABB Field Bus Plug FBP. K dispozici jsou též rozhraní pro průmyslové sběrnice, např. Profibus, DeviceNet, Modbus atd., či pro připojení k systémům třetích stran.

V rámci jedné výkonové jednotky WISA-power mohou být provozovány až tři stanice WDIO bez ztráty kvality komunikace, což poskytuje možnost připojení až 360 senzorů WPS nebo 39 zařízení WSP (tedy max. 624 přístupových bodů pro senzory).

Závěrem

Bezdrátový komunikační systém WISA od společnosti ABB představuje nový, zajímavý bezdrátový systém, který je nejen schopen spolehlivé komunikace na frekvenci 2,4 GHz, ale nabízí i možnost bezdrátového napájení použitých prvků. Více informací o produktu lze nalézt na webových stránkách výrobce (http://www.abb.com).

Ing. Petr Buryan

Obr. 1. Doba reakce a dostupný objem přenášených dat u standardních protokolů
Obr. 2. Základní stanice WDIO s párem antén a moduly pro připojení vstupů a výstupů WIOP

Příspěvek lze ve formátu PDF stáhnout zde