Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Bezdrátová komunikace v průmyslové automatizaci – pro a proti

Bezdrátová komunikace v průmyslové automatizaci – pro a proti

Komunikace mezi stroji a zařízeními dnes většinou probíhá po kabelech prostřednictvím průmyslových komunikačních sběrnic a stále častěji také s využitím sítí průmyslového Ethernetu. Jako další možný způsob přenosu dat a signálů získává v oboru průmyslové automatizace na významu bezdrátová komunikace. Počet výrobců strojů a zařízení, kteří pro své výrobky zvažují použití metod bezdrátové komunikace, stále roste. K použití bezdrátové techniky však odborníci mají také určité výhrady. Tento přípěvek popisuje možnosti a hranice komunikace založené na bezdrátové technice.

Kde použít bezdrátovou techniku

Proč a kde by se měla bezdrátová technika vůbec používat, když pro většinu úloh je naopak řešením co do nákladů výhodné, spolehlivé a dostatečně výkonné spojení kabelem? Zmíněné výhody se ale zpravidla uplatní jen u statických instalací. U dynamických úloh, v nichž se data a signály přenášejí k mobilním, rotujícím nebo dočasně vestavěným dílům, narazí kabelové spojení na své meze použitelnosti mnohem dříve. Zde slibuje bezdrátový přenos dat menší pořizovací náklady, kratší prostoje a levnější údržbu. Bezdrátový přenos dat může být velmi výhodný pro zařízení, u nichž je důležitá provozní pružnost, mobilita anebo hospodárnost připojení prostorově odlehlých nebo jinak kabelem těžko dosažitelných přístrojů (obr. 1).

Srovnatelná spolehlivost

Často se pochybuje o spolehlivosti bezdrátového přenosu ve složitých provozních podmínkách vyskytujících se v průmyslu, a to zejména z hlediska elektromagnetické kompatibility, když ve výrobních halách je třeba čelit rušivým vlivům v podobě elektromagnetických emisí např. obloukových svářeček, měničů frekvence anebo spínacích přístrojů.

Obr. 1.

Obr. 1. Systém pro bezdrátový přenos dat pro měřicí a řídicí obvody

Ve skutečnosti ovšem elektromagnetické rušivé signály v průmyslu, které se nacházejí v oblasti frekvencí řádu kilohertzů a megahertzů, nemají na činnost bezdrátových systémů podle standardů IEEE 802.11b/g (pro WLAN) nebo Bluetooth (IEEE 802.15.1), pracujících v pásmu 2,4 GHz (volné pásmo, ISM), podstatný vliv. Použitím metod rozprostřeného spektra, jakými jsou Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) pro IEEE 802.11b/g nebo Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) pro Bluetooth, je přenos stabilní i při téměř jakémkoliv rušení. Četné zkoušky i zkušenosti z praxe ukazují, že spolehlivost správně nainstalovaného bezdrátového pojítka je srovnatelná alespoň se spolehlivostí kabelového spojení.

Bezdrátový sběrnicový systém

Uživatel, který by chtěl jednotlivá kabelová vedení ve sběrnicovém systému nahradit transparentním bezdrátovým spojením, by marně hledal odpovídající řešení. Takový přenos je u sběrnicových systémů sice technicky možný, ale protože zde dosud nejsou k dispozici žádné cenově únosné bezdrátové čipy pro hlavní standardy, kterými jsou IEEE 802.11b/g nebo Bluetooth, je tato technika poměrně nákladná. Z finančního hlediska je tak bezdrátová realizace sběrnicových systémů pro praxi nepříliš zajímavá.

Obr. 2.

Obr. 2. Moduly pro bezdrátové sítě od firmy Phoenix Contact

Mnohem častěji se v dané oblasti dává přednost rychlým a cenově výhodným bezdrátovým systémům se vzdálenými moduly I/O, které umožňují snadno rychle integrovat dílčí celky do komplexních sběrnicových systémů. Namísto transparentního přenosu „jako po sběrnici“ se data z provozních přístrojů předávají přes modul I/O do sběrnicového systému některou ze standardních metod bezdrátového přenosu (obr. 2).

Prvním bezdrátovým systémem I/O využívajícím popsanou koncepce je Fieldline-Bluetooth-System od firmy Phoenix Contact. O spojení mezi sběrnicovou a bezdrátovou sítí se v něm stará modul IO-Proxy.

Bezdrátový Ethernet

Ekonomicky výhodně lze vytvářet transparentní bezdrátová pojítka pro přenos řídicích dat při použití průmyslového Ethernetu. Na rozdíl od sběrnicových systémů je možné bez problémů přenášet především protokol Profinet, a to při použití těch nejrozšířenějších standardů bezdrátového přenosu, kterými jsou IEEE 802.11 a Bluetooth.

Při řešení jednotlivých úloh je třeba brát v potaz skutečnost, že prostupnost dat, výkon a chování bezdrátového pojítka zpravidla nejsou srovnatelné s odpovídajícími vlastnostmi kabelové LAN. Proto není vždycky možné jednoduše vyměnit pevný kabel za bezdrátové pojítko. Někdy je třeba použít doplňková řešení, závisející na konkrétní úloze.

„Správná“ bezdrátová metoda

V různých zdrojích jsou popisovány četné metody bezdrátového přenosu dat jako vhodné k použití v průmyslovém prostředí. V průmyslových úlohách stojí vždy v popředí zájem o zvýšení produktivity. Proto není rozhodujícím kritériem pouze technická stránka bezdrátového řešení, ale také jeho stabilita, dlouhodobá spolehlivost a výhodný poměr nákladů a dosaženého užitku. V současné době splňují uvedená kritéria pouze standardy IEEE 802.11 a Bluetooth, vyznačující se vlastnostmi využitelnými v široké škále průmyslových úloh. Standard IEEE 802.11b/g by se měl používat především pro sítě velké složitosti s mnoha přístroji, kdy se současně vyžaduje jak velký výkon, tak vysoký stupeň mobility (např. roaming). Sem patří např. komunikace s dopravními prostředky bez řidiče. Standard IEEE 802.11b/g zabírá 22 MHz v pásmu ISM 2,4 GHz, které poskytuje pro přenos dat pásmo široké pouze 83 MHz. Proto lze v jednom teritoriu paralelně bez poruch provozovat pouze tři systémy podle IEEE 802.11b/g.

Obr. 3.

Obr. 3. Nabídka koncentrátorů pro následný bezdrátový přenos dat

Pro bezdrátovou komunikaci s přístroji na větším počtu jednotlivých pracovišť je však třeba vytvořit mnoho nezávislých lokálních bezdrátových pojítek (obr. 3). V takových případech je vhodnější použít standard Bluetooth, na rozdíl od např. IEEE 802.11b/g umožňující provozovat velký počet systémů paralelně a bez rušení. Je to dáno skutečností, že standard Bluetooth využívá metodu přeskakování mezi frekvencemi (FHSS).

Koexistence s informačními systémy

Rádiové frekvenční pásmo je třeba využívat nanejvýš efektivně, protože musí být jako sdílené médium k dispozici pro všechny bezdrátové systémy v daném místě. Vedle automatizačních prostředků se ve výrobních halách využívají také informační (IT) systémy. Ze strachu z rušení tak oddělení IT některých podniků odmítají použití bezdrátových sítí pro výrobní účely. Od zavedení standardu Bluetooth 1.2 před asi třemi lety je již ovšem reálně uskutečnitelný bezporuchový paralelní provoz systémů podle Bluetooth a IEEE 802.11b/g. Nová verze Bluetooth k tomu využívá automatický koexistenční mechanismus. Jeho základem je metoda adaptivních frekvenčních skoků (AFH), díky které systém Bluetooth automaticky detekuje kanály používané jinými bezdrátovými systémy, např. IEEE 802.11b/g, a ty nepoužívá.

Shrnutí

Pronikání bezdrátových metod přenosu do oboru průmyslové automatizace se nelze vyhnout. V dohledné době však bude bezdrátových strojů či zařízení asi tolik, kolik je v současnosti kanceláří bez papíru. Bezdrátová pojítka jsou zatím vyvíjena zejména jako důležitý doplněk kabelových sítí. Kreativním použitím standardů Bluetooth a IEEE 802.11 ve strojích a zařízeních však vznikají nová řešení, která dokazují, že bezdrátový přenos dat je něco více než pouhá náhrada kabelů. Nejde přitom pouze o porovnání přímých nákladů na hardware. Skutečné přednosti a možnosti bezdrátové komunikace je třeba sledovat z širšího ekonomického hlediska. I zde se prosazuje základní myšlenka výrobce: Phoenix Contact – Inspiring Innovations, tedy inspirující inovace.

Dipl.-Ing. Jürgen Weczerek,
Ing. Václav Chytil,
Phoenix Contact, s. r. o.

Phoenix Contact, s. r. o.
Technická 15
616 00 Brno
tel.: 542 213 401
fax: 542 213 701
http://www.phoenixcontact.cz