Aktuální vydání

celé číslo

01

2020

Operátorské panely, HMI, SCADA

celé číslo

Bezdrátové komunikační systémy založené na IEEE 802.15.4 v automatizaci (3. část)

Ondřej Hynčica, Karel Pavlata
 

6. Shrnutí

 
Všechny představené standardy mají několik společných vlastností. Využívají stejnou normu rádiové komunikace IEEE 802.15.4-2006 v pásmu ISM 2,4 GHz, upravují linkovou vrstvu umožněním přístupu TDMA s přeskakováním kanálů a definují protokol po aplikační vrstvu. Srovnání komunikačních modelů jednotlivých standardů je na obr. 9.
 
WIA-PA zachovává kompatibilitu s normou IEEE 802.15.4 a pouze ji rozšiřuje, WirelessHART i ISA100.11a využívají pouze některé funkce z vrstvy MAC normy IEEE 802.15.4 a nahrazují ji vlastní linkovou vrstvou. Všechny standardy podporují dynamickou změnu kanálu, WirelessHART podle pevně dané sekvence, ISA100.11a podle pevně dané sekvence s možností adaptace a WIA- -PA s poněkud složitým mechanismem kombinujícím tři různé metody. Na síťové úrovni nabízejí všechny standardy redundantní síť s topologií mesh. WirelessHART umožňuje plnou topologii mesh, protože všechna zařízení WirelessHART jsou směrovače. ISA100.11a i WIA-PA zachovávají rozdělení na směrovače a koncová zařízení bez směrovací funkce, což vede k hybridní topologii hvězda-mesh. Směrovací algoritmy jsou obdobné, využívají redundantní spojení (vlastní topologii mesh) a směrování podle grafu, popř. source routing. Směrování je ve všech případech centrálně dáno správcem sítě, se sledováním stavu linek. Na aplikační vrstvě se jednotlivé standardy rozcházejí. WirelessHART je přímo kompatibilní s protokolem HART, aplikace je založena na příkazech HART, připojení na jiné standardy není řešeno. ISA100.11a definuje objektově orientované aplikační procesy, které komunikují podle norem ISA 100, ale prostřednictvím překladu a tunelování mohou podporovat i další průmyslové protokoly. WIA-PA definuje jednoduché aplikační objekty a možnost podpory jiných protokolů prostřednictvím virtuálního zařízení. Ovšem ani ISA 100.11a, ani WIA-PA nedefinují aplikační profily, a tudíž explicitně nezajišťují interoperabilitu a zaměnitelnost zařízení. Specializovanost protokolu WirelessHART bez podpory jiných protokolů se tak může ukázat naopak jako výhoda. Architektura je u všech standardů obdobná: bezdrátová síť je prostřednictvím brány připojena na další součásti komunikačního systému. V případě WirelessHART je to HART, v případě ostatních to může být v podstatě libovolný protokol. Souhrn hlavních parametrů, ve kterých se jednotlivé standardy liší, je uveden v tab. 2.
 
Bezdrátová síť je spravována centralizovaně prostřednictvím správce sítě (network manager), přičemž všechny standardy zajišťují, aby selhání správce nevedlo k výpadku sítě. K zabezpečení se používá symetrický šifrovací algoritmus AES, v případě WIA-PA jsou data šifrována na linkové a aplikační vrstvě, ISA 100.11a zabezpečuje linkovou a transportní vrstvu, WirelessHART zabezpečuje transportní vrstvu. Za správu kryptografických klíčů a konfiguraci zabezpečení je vždy zodpovědné vyhrazené zařízení označované jako správce zabezpečení (security manager).
 
Spotřeba zařízení bude celkově nejvyšší pro sítě WirelessHART, protože všechna zařízení pracují jako směrovače a možnost využít spánkový režim bude závislá na aktuální komunikační zátěži, lepší situace bude pro ISA 100.11a, která umožňuje zvolit velikost slotu a podporuje i koncová zařízení bez směrovací funkce. Obdobně WIA-PA umožňuje spánkové režimy pro koncová zařízení, pro směrovače bude využití spánkového režimu záviset na objemu komunikace a z toho vyplývající délky neaktivní části superframe. ZigBee PRO umožňuje nejnižší spotřebu pro koncová zařízení, ale směrovače musí být trvale napájeny. Seřazení výrobků podle jednotlivých standardů podle ceny od nejnižší po nejvyšší bude ZigBee, ISA100.11a, WirelessHART [11]. Jaké jsou alespoň relativní ceny a náklady na certifikaci zařízení WIA-PA, není snadné zjistit. Shrnutí některých výhod a nevýhod jednotlivých standardů z pohledu průmyslové automatizace ukazuje tab. 3.
 

6.1 Konvergence standardů

Všechny popsané standardy mají velmi podobnou cílovou oblast i vlastnosti. Dává tedy vůbec smysl mít tři téměř totožné standardy pro jednu věc? Otázka interoperability průmyslových bezdrátových standardů není nová a ISA zřídila komisi ISA100.12, která se konvergenci standardů věnuje. V současnosti existují tři návrhy, kterými se tato komise zabývá [10]. První návrh (podaný firmami ABB, Emerson, Endress+Hauser a Siemens) je rozšířit standard WirelessHART (IEC 62591) o některé funkce definované v ISA100.11a a vytvořit druhou generaci standardu WirelessHART, přičemž současně by měl být podporován i standard WIA-PA. Výsledkem by tedy byl jediný standard. Druhým návrhem (podporují ho firmy Honeywell, Invensys, Nivis, Yokogawa, Fuji Electric, Hitachi America, Yamatake) je ponechat normu ISA100.11a v dosavadní podobě a vůbec neřešit konvergenci standardů. Třetím návrhem (předloženým GE) je přepsání ISA100.11a tak, aby se stal zastřešujícím standardem pro WirelessHART, současné ISA100.11a a WIA-PA a umožnil fungování těchto sítí se shodným napojením na páteřní sítě. Toto řešení sice nezajistí interoperabilitu ani vzájemnou kompatibilitu, ale zajistí jednotný rámec pro použití všech uvedených standardů. Nicméně je-li možné vzít si ponaučení ze situace ohledně průmyslových provozních sběrnic nebo průmyslového Ethernetu, lze předpokládat, že sjednoceny nebudou a každý ze standardů si najde svou vlastní specifickou oblast použití.
 

6.2 Závěr

Hlavní výhodou průmyslových bezdrátových komunikačních systémů je levnější a rychlejší instalace oproti kabelovému připojení. Přesto je paradoxně jako jedna z hlavních překážek rozšíření bezdrátových komunikačních systémů do automatizace procesní výroby uváděna jejich vysoká cena. Vyřešena není ani otázka ohledně napájení bezdrátových zařízení. Přestože je deklarována velmi dlouhá očekávaná doba provozu, zůstává výměna baterií velmi nepraktickým zásahem. Další otázky, jako jsou vzájemná kompatibilita standardů nebo napojení na navazující systémy, jsou starým problémem průmyslové automatizace a nevypadá, že se podaří je vyřešit. Největší konkurencí nových bezdrátových komunikačních sítí zůstávají klasické průmyslové sběrnice, které se ty bezdrátové snaží nahradit. Výhody průmyslových sběrnic jsou zřejmé – zatím nižší nebo srovnatelná cena, návaznost na další systémy, jednodušší zabezpečení, větší rychlost a spolehlivost komunikace a především provoz v reálném čase (real-time). Bezdrátové komunikační systémy musí kromě technických problémů překonat i nedůvěru ke spolehlivosti a bezpečnosti komunikace. Naproti tomu přinášejí spoustu výhod a zůstává nejspíš jen otázkou času, než se bezdrátové komunikační sítě v oblasti automatizace procesní výroby výrazněji prosadí.
 
Poděkování
Článek vznikl za podpory projektu 1M0567 Centra aplikované kybernetiky.
 
Literatura k třetí části:
[10] BOYES, W.: ISA announces WCI-certified ISA100.11a field devices... But which standard? ControlGlobal.com [online]. 2010
[11] Freescale: IEEE 802.15.4 Protocol Options Overview. Freescale Semiconductor [online]. 2009 [cit. 2011-03-02]. Dostupné na: <http://www.freescale.com/webapp/sps/site/training_information.jsp?code=WBNR_VFTF09_AE107#>.
 
Ing. Ondřej Hynčica, Bc. Karel Pavlata,
ústav automatizace a měřicí techniky
FEKT VUT v Brně
 
Obr. 9. Srovnání komunikačních modelů standardů IEEE 802.15.4, ISA100.11a, WirelessHART a WIA-PA
 
Tab. 2. Srovnání parametrů jednotlivých standardů
Tab. 3. Souhrn výhod a nevýhod z pohledu použití v průmyslu
Tab. 4. Seznam zkratek (uvedeny jsou zkratky ze všech tří částí článku s českým překladem nebo vysvětlením)