|
Bezdrátové sítě v průmyslové praxi: příklady použití
V čísle 3/2007 časopisu Automa byl zveřejněn příspěvek Proč bezdrátové snímače? (str. 64–65) se základním popisem nových bezdrátových snímačů od firmy Emerson Process Management. Tento článek se k tématu vrací a popisuje některé typické příklady použití bezdrátových snímačů v automatizační praxi.
Úlohy, jež lze řešit s využitím bezdrátových snímačů, lze rozdělit podle plošného pokrytí do tří základních skupin: bezdrátové sítě velkého dosahu, např. pro rozlehlé distribuční soustavy, bezdrátové sítě středního dosahu, tj. v rámci jednoho podniku, a bezdrátové sítě malého dosahu, v rámci jedné výrobní linky nebo jednoho provozního zařízení. Pro každou skupinu jsou, kromě požadovaného dosahu bezdrátových zařízení, typické také jiné objemy přenášených dat, požadavky na rychlost, spolehlivost atd., a proto se liší i technika, která se v nich používá.
Bezdrátové sítě pro logistiku
Typickým příkladem použití bezdrátových sítí velkého dosahu jsou telemetrické úlohy v plynárenských, vodárenských nebo energetických distribučních soustavách. Zde se bezdrátové sítě, popř. různé kombinace bezdrátových sítí s přenosem dat prostřednictvím vyhrazených metalických nebo optických kabelů, telefonních linek nebo napájecí sítě, používají už dlouho a úspěšně.
Existují ale i jiné možnosti použití bezdrátových sítí velkého dosahu. Společnost Emerson Process Management uvádí jako příklad logistiku paliv, zkapalněných plynů nebo speciálních chemikálií, distribuovaných dodavateli v cisternách konečným zákazníkům. Zde jsou tyto produkty skladovány v zásobních tancích. Jsou-li na těchto tancích umístěny hladinoměry s bezdrátovým přenosem dat, může dodavatel sledovat spotřebu svých zákazníků a lépe plánovat jejich zásobování. Tím se snižují náklady na dopravu (podle společnosti Emerson o 5 až 25 %) a současně se zamezuje to, aby zásoba dodávaného produktu byla zcela vyčerpána.
Obr. 1. Indikátor 753R s výstupem do sítě GSM/GPRS lze použít v kombinaci se všemi provozními snímači s výstupem 4 až 20 mA/HART
Obr. 2. Použití modulu sběrnicového rozhraní Rosemount 3420 pro bezdrátový přenos dat
Proč v tomto případě použít právě bezdrátové přenosy dat? Na zásobních tancích obvykle již snímač polohy hladiny je nainstalován, ale jeho výstup je zaveden do řídicího nebo informačního systému zákazníka. Pro dodavatele je obtížné a často neřešitelné získat od svých zákazníků možnost přístupu do těchto systémů, aby mohl přímo zjišťovat aktuální stav zásob dodávaného produktu. Jednodušším řešením je přenášet informace ze snímače (již existujícího nebo nově instalovaného) dodavateli přímo. Stejně jako u telemetrických úloh, i zde lze využít kabelové přenosy – s výhodou tam, kde již kabelové vedení existuje. To ale nebývá tak častý případ; zatímco u dálkových odečtů v domech a bytech je většinou k dispozici např. telefonní linka, u zásobních tanků tomu tak není. Přesto i zde lze využít telefonní síť – ovšem nikoliv kabelovou, ale bezdrátovou.
Společnost Emerson pro tyto úlohy nabízí indikátor 753R (obr. 1). Tento bezdrátový indikátor lze použít v kombinaci s jakýmkoliv provozním přístrojem s výstupem 4 až 20 mA/HART. Pro napájení může být opatřen např. fotovoltaickým panelem (ovšem tam, kde už je napájení přivedeno, lze ušetřit a zakoupit indikátor i bez tohoto panelu). Data jsou předávána do sítě GSM a oprávněný uživatel k nim může přistupovat prostřednictvím zabezpečené webové aplikace iTraX® v podstatě odkudkoliv z internetu. Lze naprogramovat, a to i na dálku, meze alarmů, interval sběru a přenosu dat a další parametry. Pro přenos dat se využívá běžná veřejná síť GSM se službou GPRS. Pro české, resp. evropské zákazníky je tu jedna špatná zpráva: indikátory 753R mají prozatím pouze výstup pro americké sítě 850/1 900 MHz, a nelze je tedy použít v Evropě. Evropská verze se nicméně chystá a měla by být uvedena na trh v nejbližší době.
Bezdrátové zapisovače
V regulačních stanicích zemního plynu, hydrologických vrtech a mnohých podobných zařízeních se uplatňují zapisovače, které dlouhodobě zaznamenávají časový průběh naměřených hodnot. Občas k nim přijede technik, vymění roli papíru, doplní inkoust a záznam odveze k analýze. V současné době se tyto záznamníky mnohdy nahrazují spolehlivějšími bezpapírovými, s elektronickým záznamem, ale základní problém zůstává: k zařízení, často na odlehlém, špatně přístupném místě, musí dojet obsluha a záznam s daty odvézt. V mezidobí nejsou k dispozici žádné údaje: ani měřené hodnoty, ani informace o tom, zda zapisovač v pořádku pracuje. Řešením může být opět indikátor 753R. Není-li k dispozici síťové napájení, je možné využít fotovoltaické panely. I bez nich může indikátor pracovat až pět týdnů pouze s napájením z baterií. Indikátor má také vlastní paměť naměřených hodnot (kapacita je 400 údajů) a lze nastavit interval jejich odesílání prostřednictvím sítě GSM/GPRS. Je možné využít i proprietární rádiové sítě, jež bývají v některých provozech, kde se mohou bezdrátové zapisovače uplatnit, k dispozici.
Bezdrátově přes řeku či přes silnici
Předchozí kapitoly se zabývaly přenosem dat na velké, v podstatě neomezené vzdálenosti. V rámci podniku je ale někdy nutné přenášet data na vzdálenost řádově stovek metrů nebo jednotek kilometrů. Typickým příkladem je přemostění řeky, železniční trati nebo silnice, kde je kabelový přenos obtížně realizovatelný. Bezdrátovým přenosem se zde vlastně nahrazuje část kabelového vedení. Není to ale tak prosté, neboť rádiový přenos má určitá omezení, např. z hlediska chování v reálném čase.
Proto se často ukazuje jako nejvhodnější řešení alokovat do vzdáleného technologického zařízení všechny lokální řídicí funkce. Toto zařízení potom funguje v podstatě autonomně a do operátorské a inženýrské stanice řídicího systému se přenášejí pouze data o jeho stavu a činnosti. Pro bezdrátový přenos lze použít např. síť WiFi (bezdrátový Ethernet, IEEE 802.11). Obě části technologie spojené tímto bezdrátovým kanálem mohou mít vlastní „kabelový“ komunikační systém. V případě, že je použit komunikační systém Foundation Fieldbus (FF), lze zvolit modul sběrnicového rozhraní Rosemount 3420, který propojuje až čtyři segmenty FF H1 a umožňuje jim předávat data na rozhraní pro Modbus RTU (RS-485), Modbus TCP/IP nebo FF HSE (High Speed Ethernet). Na ethernetový port této jednotky lze připojit vhodný modul WiFi a data přenášet bezdrátově (obr. 2).
Bezdrátové sítě v regulačních smyčkách
Lze použít bezdrátové sítě i přímo v uzavřených regulačních smyčkách? V bezdrátových sítích nejsou data přenášena kontinuálně, ale v určitých intervalech. Problém je, že čím kratší je tento interval, tím větší má rádiový vysílač spotřebu, a tím kratší dobu vydrží pracovat bez vnějšího napájení z baterií. U rychlých dějů by tedy bylo nutné i při použití vyspělých metod správy napájení a „alternativních“ zdrojů energie (využití fotovoltaických článků, teplotního gradientu, vibrací apod.) měnit baterie velmi často, a tím ztrácí použití bezdrátových snímačů smysl. Mnohé děje ale z fyzikální podstaty nemohou být příliš rychlé: hladina v zásobníku se při daném průměru potrubí nemůže měnit řádově v metrech za sekundu, teplota média v něm nemůže najednou vzrůst nebo klesnout o desítky kelvinů. V těchto případech nevadí, je-li doba latence rádiové sítě ve stovkách milisekund, nebo při slabém signálu a silném rušení dokonce v sekundách. Potom by bylo možné bezdrátovou síť použít, ale je nutné si napřed odpovědět na ještě jednu důležitou otázku: je použití bezdrátové sítě v těchto případech ekonomicky výhodné? V převážné většině případů je odpověď záporná: není mnoho aplikací, v nichž by snímač, regulátor a akční člen byly tak vzdálené, že by bylo třeba použít bezdrátovou komunikaci a potýkat se s otázkami její spolehlivosti, robustnosti a chování v reálném čase.
Bezdrátové sítě v provozu
Bezdrátovou sítí malého dosahu je myšlena síť s dosahem řádově maximálně stovek metrů. Zde mohou být bezdrátové sítě typicky použity k přenosu diagnostických dat.
Obr. 3. Bezdrátová síť pro přenos diagnostických dat protokolem HART
Ve zpracovatelském průmyslu se často používají snímače s analogovým výstupem 4 až 20 mA s možností přenosu diagnostických údajů a parametrů prostřednictvím protokolu HART. Signály protokolu HART jsou namodulovány na analogový signál. Podle Rona Helsona, výkonného ředitele sdružení HART Communication Foundation, je jen u asi 10 % snímačů s výstupem HART skutečně plně využíván jejich potenciál; u ostatních se HART využívá jen omezeně, většinou při nastavování parametrů snímačů, ale diagnostika se nevyužívá vůbec. Důvodem je nejčastěji zastaralý řídicí systém, který nedokáže protokol HART zpracovat, a komunikační infrastruktura, která nedovede data přenést. Přitom ale vlastně není třeba, aby tyto diagnostické údaje byly přenášeny do řídicího systému a zde zpracovávány. Jejich cílem je systém AMS, určený pro prediktivní údržbu zařízení, jenž nemusí být na řídicím systému závislý. Chce-li uživatel tento systém použít a není-li spokojen s myšlenkou, že pro to bude muset rozsáhle rekonstruovat celý řídicí systém, je na místě uvažovat o bezdrátové komunikaci. Emerson Process Management pro tyto účely nabízí bezdrátové sítě s volnou topologií. Tyto sítě mají dvě základní výhody: zaprvé lze vybudovat bezdrátovou síť pro přenos diagnostických dat zcela nezávisle na přenosu analogových signálů pro účely řízení a regulace (obr. 3) a za druhé lze diagnostickou síť velmi snadno rozšiřovat – např. v první fázi připojit jen několik nejdůležitějších přístrojů a postupně přidávat další. Jedinou podmínkou je, aby v dosahu připojeného snímače nebo akčního členu byl alespoň jeden další bezdrátový snímač.
Závěr
Společnost Emerson Process Management vidí v bezdrátových komunikacích velký potenciál a podporuje jejich obecné použití. Zájemcům o další informace lze doporučit např. webové kursy Plant Web University (http://plantweb.emersonprocess.com).
(Bk)
|