Bezdrátové komunikační systémy založené na IEEE 802.15.4 v procesní automatizaci (1. část)

 

 

 

Pro bezdrátové systémy určené pro komu­nikaci na vzdálenost několika desítek metrů se používá označení sítě krátkého dosahu nebo osobní sítě, tzv. WPAN (Wireless Personal Area Networks). Prvním a nejrozšířenějším zástup­cem je síť podle standardu nazvaného Bluetoo­th, definovaného normou IEEE 802.15.1, urče­ná pro komunikaci s periferiemi a jako náhra­da kabelů. V roce 2003 byla schválena norma IEEE 802.15.4 definující rádiové sítě krátkého dosahu určené pro použití v automatizaci. Šlo o první otevřenou normu v této oblasti a po­vedlo se jí získat v podstatě monopol. Norma IEEE 802.15.4 určuje pouze fyzickou a přístu­povou vrstvu komunikačního modelu (stejně jako např. WiFi), ale na rozdíl od WiFi není primárně připravena pro IP protokoly na vyšších vrstvách. Protokoly vyšších vrstev nejsou speci­fikovány a aplikační software musí vyřešit síťo­vou a transportní část nebo se spolehnout na jiné protokoly. Od počátku je norma IEEE 802.15.4 spojována se standardem ZigBee, který nad ní vymezuje další komunikační vrstvy a vytváří tím kompletní protokol. V případě průmyslo­vé a především procesní automatizace se uká­zalo, že protokol ZigBee není vhodný pro prů­myslové prostředí. Ani specifikace ZigBee PRO vydaná v roce 2007 všechny nedostatky neod­stranila. Ostatně průmyslová automatizace není hlavní cílovou oblastí ZigBee Alliance, která se podle vydaných komunikačních profilů zamě­řuje na oblasti domácí automatizace, spotřeb­ní elektroniky, automatizace budov a v posled­ní době vkládá hodně úsilí do komunikace pro smart grid, kde vzniká již druhá verze profilu.

 

Naproti tomu samotná norma IEEE 802.15.4 se stala v průmyslu velmi úspěš­nou a je základem mnoha firemních pro­tokolů. Nicméně ani IEEE 802.15.4 v ně­kterých ohledech nevyhovuje požadavkům průmyslového prostředí a procesní automa­tizace. Jako hlavní nedostatky je uváděn pře­devším nedeterministický přístup k médiu, který vede k saturaci při větším počtu komunikujících zařízení, nedostatečné zabez­pečení (zejména u první verze) a chybějící návaznost na protokoly vyšších vrstev. Pro­to během několika posledních let vzniklo množství průmyslových standardů pro bez­drátovou komunikaci, které se snaží normu IEEE 802.15.4 doplnit pro potřeby auto­matizace a odstranit její nedostatky. V roce 2007 byl vydán standard WirelessHART a o rok později byl schválen jako norma IEC/PAS 62591. Organizace ISA (Interna­tional Society of Automation) vydala v roce 2009 první verzi normy ISA100.11a. Orga­nizace CIWA (Chinese Industrial Wireless Alliance) od roku 2007 pracovala na stan­dardu WIA-PA založeném na normě IEEE 802.15.4, který byl v roce 2008 schválen jako norma IEC/PAS 62601.

 

Norma IEEE 802.15.4 [1] definuje rá­diovou komunikaci pro sítě krátkého dosa­hu, přičemž popisuje pouze fyzickou a přístupovou vrstvu komunikačního modelu. Je určena především pro komunikaci ma­lou rychlostí, v řádu desítek až stovek bitů za sekundu, zajišťuje vysokou spolehlivost přenosu, a to při jednoduché implementa­ci a s ohledem na omezení spotřeby konco­vých zařízení.

 

Fyzická vrstva specifikuje komunikaci v bezlicenčních pásmech 868 MHz, 915 MHz a 2,4 GHz. Rádiové vysílače a přijímače vy­užívají techniku rozprostřeného spektra (DSSS, PSSS) a tři druhy modulace (QPSK, BPSK a ASK). Maximální komunikační rychlost je 250 kb/s při maximální veli­kosti datové části rámce na fy­zické vrstvě 127 B. Souhrn fyzic­kých vrstev definovaných normou IEEE 802.15.4 je uveden v tab. 1. Komunikace v pásmu 2,4 GHz je v současnosti nejrozšířenější, a to hned z několika důvodů – rádiové moduly pro 2,4 GHz byly k dispo­zici velmi brzy a od mnoha výrob­ců, pásmo povoluje šestnáct ka­nálů (oproti jednomu pro evrop­ské pásmo 868 MHz) a podstatně vyšší komunikační rychlost než v jiných pás­mech (do revize normy, která zvýšila povole­nou rychlost přenosu i v jiných pásmech). Ne­výhody související s velkým využitím pásma 2,4 GHz (WiFi, Bluetooth atd.), horší šíření signálu uvnitř budov a menší povolené vysí­lací výkony vedou v současné době k rych­lému rozšiřování komunikací v pásmech 868 a 915 MHz.

 

Linková vrstva komunikačního protoko­lu podle normy IEEE 802.15.4 je založe­na na metodě náhodného přístupu k médiu CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Podle této metody zařízení, které chce vysílat, po náhodné pro­dlevě (back-off time) ověří, zda je kanál vol­ný, a pokusí se vyslat paket. Obsazení kanálu se zjišťuje měřením úrovně energie na kanálu nebo detekcí nosné frekvence, popř. pomocí obou uvedených metod. Protože tato metoda nemůže zaručit úspěšnost přenosu, je pro zvý­šení pravděpodobnosti doručení paketu možné využít automatické přeposlání (ARQ). Jestli­že není ve stanoveném čase obdrženo potvr­zení doručení paketu (ACK), je paket auto­maticky opakovaně přeposílán (až sedmkrát, doporučená hodnota je tři). Výhodou meto­dy náhodného přístupu je snadná implemen­tace a krátká doba latence přístupu k médiu. Protože není nutná synchronizace zařízení, je možné pro realizaci využít jednodušší hard­ware a používat delší periodu spánku zařízení. Mezi hlavní nevýhody patří nedeterminismus metody, kdy skutečná doba přístupu k médiu se může v čase značně lišit, a dále malá účin­nost při velkém zatížení kanálu (což nastane při větším počtu zařízení v síti, kdy při pade­sáti a více aktivních uzlech klesá propustnost o 30 až 50 % [2]).

 

Více detailů o normě IEEE 802.15.4 lze najít např. ve [2] a v samotném normě, která je volně dostupná [1].

 

Norma byla v roce 2006 revidována, při­čemž nová verze zůstává zpětně kompatibilní s původní verzí z roku 2003. Původní verze je nyní označována jako IEEE 802.15.4-2003, re­vidovaná verze z roku 2006 je označována jako IEEE 802.15.4-2006 (podle původního znače­ní IEEE 802.15.4b). Hlavní rozdíl nové verze z roku 2006 ve srovnání s původ­ní normou je rozšíření možných rádiových vrstev, pro které byla zavedena dvě nová volitelná mo­dulační schémata pro frekvence 868 a 915 MHz (umožňující po­užít vyšší komunikační rychlos­ti). Mezi další podstatné změny (bráno z úvodu druhé verze stan­dardu [1]) patří: časové známko­vání rámců, zkrácená doba aso­ciace zařízení do sítě (pro režim beacon-less), volitelná podpo­ra metody bezkolizního přístupu k médiu (GTS) a rozšíření mož­ností pro zabezpečení komunika­ce (security).

 

Existují ještě další rozšíření, a, d, c, e. Jejich popis je nad rá­mec tohoto článku.

 

Standard ZigBee má s ostat­ními metodami komunikace uvedenými v tomto článku hod­ně společného a všechny standardy se vhle­dem k ZigBee určitým způsobem vymezují. Současně však ZigBee do tématu článku ne­patří, protože jeho použití v procesní auto­matizaci je omezené. Pojedná o něm proto samostatný článek.

 

Protokol HART (Highway Addressable Remote Transducer) je určen k obousměr­né komunikaci mezi inteligentními provozními přístroji (field instruments) a nadřaze­ným řídicím systémem [3], [5]. Jeho vývoj je zajišťován organizací HCF (HART Com­munication Foundation). Jde o velmi rozší­řený protokol (udává se přes 30 milionů ce­losvětově instalovaných zařízení), jenž je využíván především k nastavování parame­trů a diagnostiku přístrojů. Určuje fyzickou vrstvu (superpozice digitálního frekvenčně modulovaného signálu na analogový signál v proudové smyčce 4 až 20 mA), linkovou vrstvu (master-slave token-passing), trans­portní vrstvu (spolehlivý přenos s automa­tickou fragmentací) a aplikační vrstvu (for­mát příkazů a odpovědí a formát datových struktur).

 

V roce 2007 byl v rámci sedmé verze speci­fikace protokolu HART rozšířen o bezdrátovou variantu známou jako WirelessHART. WirelessHART vymezuje alternativní bezdrátovou fy­zickou vrstvu a dále linkovou a síťovou vrstvu. Ostatní vrstvy (transportní a aplikační) zachová­vá shodné s „drátovou“ verzí protokolu. Vztah protokolů HART a WirelessHART je naznačen na společném komunikačním modelu na obr. 1.

 

Protokol WirelessHART rozeznává tři zá­kladní typy zařízení: správce sítě (network manager), bránu (gateway) a přístroj (field device). Za zvláštní typ přístroje lze pova­žovat přenosné zařízení (handheld) určené k údržbě, diagnostice apod. Správce sítě je součástí brány WirelessHART, a to buď pří­mo, nebo pouze logicky (v případě distribuo­vaného systému). Příklad sítě využívající pro­tokol WirelessHART ukazuje obr. 2, struktu­ru brány WirelessHART obr. 3.

 

Úkolem správce sítě je spravovat konfigu­raci sítě, udržovat směrovací tabulky a pláno­vat komunikaci mezi jednotlivými zařízeními. Správce sám o sobě není bezdrátové zaříze­ní a k síti je připojen prostřednictvím brá­ny. Brána je určena k napojení sítě WirelessHART k dalšímu systému.

 

Přístroje WirelessHART mohou být přímo provozní přístroje s bezdrátovým výstupem nebo mohou být realizovány prostřednictvím adaptéru, který umožňuje připojit „drátové“ přístroje HART do bezdrátové sítě WirelessHART. Adaptér WirelessHART pracuje na jed­noduchém principu, kdy na „drátové“ straně se chová jako master HART a do bezdrátové sítě se připojuje jako zařízení WirelessHART. Z pohledu normy IEEE 802.15.4 jsou všech­na zařízení WirelessHART zařízení s plnou funkčností (FFD), schopná směrovat pakety v síti. Z pohledu protokolu HART je správce sítě v komunikaci master a provozní přístroje jsou slave. Použitá metoda TDMA napodobu­je protokol token-pasing pro „drátový“ HART.

 

Základem protokolu WirelessHART je norma IEEE 802.15.4-2006, ze které ale vy­užívá pouze fyzickou vrstvu pro rádiovou komunikaci v pásmu ISM 2,4 GHz. V protoko­lu je specifikována linková vrstva s časovým multiplexem a dynamickým přeskakováním komunikačního kanálu. Vychází z protokolu TSMP (Time Synchronized Mesh Protocol), vytvořeného firmou Dust Networks [4], kte­rý je zohledněn i v připravované normě IEEE 802.15.4e. Přístup k médiu je rozdělen na ča­sové sloty s pevnou délkou 10 ms, přičemž komunikační kanál se pro každý slot mění podle pevně dané pseudonáhodné sekvence (protokol TSCH – Time Synchronized Chan­nel Hopping). Střídání kanálů v rámci ISM pásma 2,4 GHz umožňuje vyhnout se úzko­pásmovému rušení a zvýšit spolehlivost pře­nosu. WirelessHART podporuje vynechání některých kanálů (channel blacklisting), které jsou využity pro jiné účely nebo jsou zatíženy rušením. Plánování komunikace mezi zaříze­ními v síti zajišťuje správce sítě. Jako doplněk vysílající zařízení před přístupem ke kanálu v daném časovém slotu provede ještě kontrolu volného média metodou CSMA-CA. Kombinací těchto tří metod by mělo být do­saženo podstatně lepší spolehlivosti přeno­su a propustnosti než při použití přístupové (MAC) vrstvy IEEE 802.15.4. Zařízení musí být přesně synchronizována, aby se komuni­kace uskutečnila v daném čase na daném ka­nálu (obr. 4). Pro synchronizaci zařízení v síti se využívají časové známky připojené k po­tvrzením (ACK).

 

Na síťové úrovni podporuje WirelessHART topologii mesh (případně hvězda). Každé za­řízení v síti WirelessHART pracuje jako směrovač. Jsou určeny dvě metody smě­rování paketů, které musí podporovat kaž­dé zařízení v síti WirelessHART: graph routing a source routing. V případě graph routingu jsou cesty nastaveny správcem sítě a uloženy ve všech zařízeních v síti. V případě výpadku některého ze spojů je paket přeposlán po alternativní cestě. Při source routingu je cesta součástí paketu a při výpadku některého ze spojů po ces­tě je paket ztracen. Aplikační vrstva pro­tokolu WirelessHART odpovídá „dráto­vé“ verzi HART, přičemž některé příkazy jsou specifické pro dané fyzické médium.

 

WirelessHART byl v roce 2008 schvá­len jako veřejně přístupná specifikace IEC/PAS 62591. Certifikaci produktů WirelessHART zajišťuje organizace HCF. V sou­časné době jsou na trhu dostupné certi­fikované přístroje WirelessHART, adap­téry, brány i softwarové implementace protokolu. Cena přístrojů WirelessHART je poměrně vysoká – např. adaptér Wire­lessHART může stát 700 až 1 000 americ­kých dolarů (při odběru v malém množství, www.mactekcorp.com).

Literatura k první části:

[1] IEEE 802.15.4, Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs). IEEE standard for Information Technology, revize 2006, 2006.

[2] ZHENG, J. – LEE, M. J.: Sensor Network Operations. 1st edition. Wiley-IEEE Press, 2006. A comprehensive performance study of IEEE 802.15.4, s. 218–237, ISBN 0-471--71976-5.

[3] HART Communication Foundation [online]. 2011 [cit. 2011-03-02]. Dostupné z www: <www.hartcomm.org>

[4] Dust Networks: Technical Overview of Time Synchronized Mesh Protocol (TSMP). [online]. 2009. [cit. 2011-03-02]. Dostupné z www: <http://dustnetworks.com/cms/sites/default/files/TSMP_Whitepaper.pdf>.

[5] SONG, J. et al.: WirelessHART: Applying Wireless Technology in Real-Time Industrial Process Control. In: Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium, RTAS ‚08 [online], St. Louis, USA. IEEE, 2008 [cit. 2011-03-02]. Do­stupné z www: <http://dx.doi.org/10.1109/RTAS.2008.15>. ISSN 1080-1812.

(dokončení v příštích číslech)

 

Ing. Ondřej Hynčica, Bc. Karel Pavlata,

ústav automatizace a měřicí techniky

FEKT VUT v Brně

 

Obr. 4. Přístupová metoda protokolu Wire­lessHART s časovými sloty a změnou komu­nikační frekvence