Aktuální vydání

celé číslo

11

2021

Monitorování stavu zařízení, diagnostika, řízení údržby

Snímače a systémy řízení polohy a pohybu (motion control)

celé číslo

Jde to i bez drátů

číslo 3/2005

Jde to i bez drátů

Průmysl objevil rádiovou komunikaci. Bluetooth ani WLAN sice v dohledné době nenahradí klasické kabelové rozvody, ale otevírají nový prostor pro řešení úloh v automatizaci. Výrobci a uživatelé automatizační techniky nyní stojí před úkolem začlenit nové metody komunikace do klasických kabelových sítí. Firma Wago nabízí ucelenou řadu zajímavých produktů, jež pomáhají tento úkol splnit.

Do domácností patří rádiové komunikace jako neodmyslitelná součást jejich technického vybavení již dávno. Bezdrátové telefony, otevírání garážových vrat nebo vypínače ovládané rádiem opustily „šedou zónu„ pololegálních technických hraček a nyní jsou tato volně dostupná a spolehlivá zařízení ve standardním sortimentu všech větších obchodů s elektrovybavením. A ještě dříve než rádiové ovládání se začalo používat ovládání infračervené. Na televizory s dálkovým ovládáním, které muselo být s přijímačem spojeno nepraktickým kabelem, si vzpomenou jen ti starší z nás. Na první pohled je proto udivující, proč se v průmyslové automatizaci stále používá dálkové ovládání spojené se stroji kabelem. Částečně to lze vysvětlit tím, že uživatelé se spoléhají na osvědčená a vyzkoušená řešení. Není-li to nezbytné, nejsou ochotni nést riziko experimentů. Popravdě je však nutné přiznat, že standardy navržené pro domácnosti nebo kanceláře nelze bez určitých úprav použít v průmyslovém prostředí. Ovšem v současné době už jsou vytvořeny technické prostředky i normativní předpoklady pro využití bezdrátové komunikace v průmyslu a cesta k „bezdrátové svobodě“ je i zde otevřená.

Normy pro průmyslové prostředí

Celé spektrum aplikací v průmyslové praxi není možné pokrýt jedinou metodou rádiové komunikace. Vhodnou metodu je třeba vybírat s ohledem na dosah, šířku pásma, spolehlivost, topologii, způsob řízení sítě a v neposlední řadě také cenu. Kromě tří známých protokolů, WLAN, Bluetooth a ZigBee, se nyní na trhu objevil další: EnOcean.

WLAN (Wireless Local Area Network), oficiální označení IEEE 802.11, nabízí přenosovou rychlost do 54 Mb/s a dosah typicky do 50 m. Bluetooth je nejznámější zástupce třídy WPAN (Wireless Personal Area Network, IEEE 802.15). Komunikace Bluetooth je z hlediska uvedení do provozu i údržby jednoduchá a cenově výhodná, ale pro malý dosah je její použití omezeno jen na lokální systémy. WLAN i Bluetooth jsou standardy vytvořené pro PC, a proto je příslušenství pro ně běžně dostupné. Například notebook vybavený komunikací WLAN nebo Bluetooth, který lze použít pro dálkovou správu a údržbu zařízení, je možné bez problémů koupit v každém obchodě s počítačovou technikou.

Do kategorie sítí WPAN patří také ZigBee. Hlavní předností ZigBee je malá spotřeba. Bezdrátové vysílače mohou pracovat i několik let bez výměny baterie. Nevýhodou, omezující spektrum aplikací, je malá přenosová rychlost.

V pořadí čtvrtou metodou přenosu dat, která se může uplatnit především v průmyslové automatizaci, je EnOcean. EnOcean je podobně jako ZigBee komunikace použitelná pro bezdrátové spínače a snímače. Díky 32bitové adrese lze v síti EnOcean rozlišit až čtyři miliardy účastníků. Rádiové telegramy jsou velmi krátké a vysílač je několikrát opakuje s určitým časovým odstupem v rámci několika milisekund. Proto může přijímač spolehlivě přijmout pro něj určený telegram i za situace, že v jeho dosahu pracuje několik dalších vysílačů.

Krátká doba vysílaní telegramu má i další podstatnou výhodu: ke komunikaci je zapotřebí jen minimum energie. Vysílač dokonce může potřebnou energii odebírat z okolního prostředí. Lze využívat např. rozdíly teploty mezi ohřátým povrchem zařízení a okolím nebo mechanickou energii chvění stroje. Elektromechanické spínače a přepínače zase mohou využívat část energie potřebné k sepnutí nebo rozepnutí jejich kontaktů. Vzhledem k tomu, že vysílače ke svému provozu nepotřebují kabelový přívod, dokonce ani baterii nebo akumulátor, lze je umístit v podstatě kdekoliv, přičemž nevyžadují žádnou údržbu. Proto jsou zařízení EnOcean vhodná zvláště pro obtížně přístupná místa a pro umístění na pohyblivých zařízeních.

Všechna řešení, WLAN, Bluetooth, ZigBee i EnOcean, pracují ve frekvenčním pásmu, které úřady vyhradily pro průmyslové účely. Pro jejich práci je vydáno tzv. generální povolení, a není tedy třeba povolovat provoz každého zařízení zvlášť. To ale také znamená, že v daném pásmu pracuje mnoho různých zařízení, která by se mohla navzájem rušit. Aby mohla zařízení pracovat paralelně bez vzájemného ovlivňování, musí vhodně využívat vyhrazené frekvenční pásmo a při své komunikaci používat kódování.

Problém posledních metrů a pružná reakce na nové požadavky

Provozní přístroje mohou být na dlouhé vzdálenosti poměrně snadno a pohodlně propojeny pomocí vhodné průmyslové sběrnice. Tenký sběrnicový kabel většinou najde dostatek místa v kabelových žlabech a instalačních trubkách. Problém ale nastává na posledních metrech, když je nutné připojit snímače a akční členy v obtížně přístupných místech nebo na pohyblivých zařízeních. V klasických řešeních musí konstruktéři použít kontaktní kroužky nebo vlečné řetězy. Oba konstrukční prvky mají mnoho nevýhod: jsou drahé, podléhají opotřebení, mohou být zdrojem závad atd. A u složitých pohybů i tyto konstrukční prvky narážejí na hranice svých možností.

Podobné problémy se vyskytují, když je třeba rozšířit dosavadní průmyslovou instalaci např. při změně výroby. Zde se vyplatí, inspirují-li se projektanti průmyslových systémů u projektantů, kteří navrhují systémy řízení budov a kteří s výhodou často používají rádiové komunikace místo nákladné kabelové instalace.

Společné pro všechny tyto aplikace je, že rádiové komponenty nepracují nezávisle, ale jsou začleněny do nadřazeného, po kabelech komunikujícího systému. Rádiové komponenty používané v praxi jsou proto vybaveny odpovídajícím rozhraním. Jak lze zmíněné požadavky řešit v praxi, ukazují následující příklady.

Bluetooth, cenově výhodný specialista pro malé vzdálenosti

Existují dva způsoby, jak využít Bluetooth v systému Wago-I/O-System 750, který je základní součástí automatizační koncepce od firmy Wago. Modulární stavebnice systému Wago-I/O-System 750 umožňuje realizovat připojení na jakoukoliv běžnou průmyslovou sběrnici a kombinací přibližně padesáti typů různých I/O svorek vytvořit libovolnou konfiguraci stanice. Kromě jiných typů I/O si lze vybrat i I/O s komunikací pomocí Bluetooth a zařízení s tímto typem komunikace začlenit do sítě odpovídající průmyslové sběrnice. Tato modulární stavebnice je univerzálně použitelná v průmyslové automatizaci i v automatizaci budov.

Bluetooth tedy slouží v první řadě jako náhrada sériové komunikace mezi dvěma účastníky. Svorky I/O s rádiovou komunikací se používají stejně jako běžné svorky pro sériovou komunikaci. Spojení pomocí Bluetooth a výměna dat jsou řízeny vestavěným programem; uživatel tedy nepotřebuje žádný speciální konfigurační nástroj. Pomocí externí antény lze spojit i vzdálené účastníky.

Obr. 1.

Obr. 1. Pomocí adaptéru pro Wago-I/O-System 750 lze k diagnostice a konfiguraci využít jakýkoliv notebook s rozhraním Bluetooth

Další komponenta Bluetooth je určena pro správu a uvedení systému do provozu. Jde o adaptér, který se připojuje přímo na servisní rozhraní vazebního členu sběrnice, popř. na její řídicí modul (obr. 1). Tento „malý pomocník„ nahrazuje sériový kabel mezi zařízením na sběrnici a notebookem, např. při přenosu provozních dat, uvádění do provozu, nastavování parametrů, diagnostice apod. Přínosem je zvláště tam, kde je příslušný sběrnicový modul obtížně přístupný. Další jeho výhodou je, že uživatel není omezen délkou kabelu. Ke komunikaci lze použít jakýkoliv notebook s Bluetooth – nemusí mít rozhraní RS-232.

Energie bez baterií: EnOcean

V sortimentu firmy Wago jsou i komponenty s komunikačním standardem EnOcean. Jsou určeny především opět pro Wago-I/O-System 750, takže zařízení s komunikací EnOcean lze snadno propojit přímo s průmyslovou sběrnicí. Pro příjem signálu je zapotřebí externí anténa, která se umísťuje na vhodné místo, v případě potřeby i mimo rozváděč. Dosah v budovách je obvykle do 30 m.

Ovšem zmíněnou úlohu je možné splnit i bez průmyslové sběrnice. Lze k tomu použít nový čtyřkanálový přijímač od firmy Wago. Tento modul šířky 70 mm určený k montáži na lištu umožňuje vytvořit jednoduchou bezdrátovou komunikační síť „přímo z rozváděče„. Modul existuje ve dvou verzích, buď se čtyřmi pracovními kontakty zatížitelnými do 16 A, nebo se čtyřmi přepínacími kontakty zatížitelnými do 8 A. S externí anténou, která se připojuje prostřednictvím zdířky SMA, je možné překlenout případná „hluchá“ místa. Typické aplikace jsou snímače polohy v robotice, ve výrobních linkách např. v automobilovém průmyslu a strojírenství, u jeřábů a transportních zařízení apod.

Obr. 2.

Obr. 2. Adaptér EnOcean v modulu Winsta – kombinace rozsáhlého svorkového systému s bezbateriovou rádiovou technikou

Podobné samostatně pracující zařízení nabízí společnost Wago také pro svůj systém Winsta (obr. 2). Přijímač EnOcean lze vestavět do společného krytu se všemi potřebnými relé. Kompaktní modul je potom možné namontovat na vhodné místo v libovolné poloze. Rychlou a bezpečnou instalaci usnadňuje konektor s ochranou proti přepólování.

Růst navzdory hranicím

Ekonomické a fyzikální hranice uplatnění rádiové techniky jsou dány. Z ekonomického pohledu srovnání cen rádiových komponent a ceny za materiál a instalaci kabelových rozvodů odůvodňuje použití rádiové komunikace jen v některých případech. Z fyzikálního hlediska nedosahují rádiové sítě, zvláště v obtížných průmyslových podmínkách, takové spolehlivosti a odolnosti proti rušení jako správně navržené kabelové rozvody. Pro rádiový signál jsou překážkou betonové stěny a kovové kryty a ruší jej mnohá průmyslová zařízení, např. měniče frekvence. S ohledem na to je sporné, zda je vůbec účelné o rádiových komunikacích uvažovat v kritických aplikacích, nebo dokonce v aplikacích s bezpečnostními požadavky podle IEC 61508.

V rámci daných hranic je však pro rozvoj rádiových komunikací stále ještě dost místa. Proces jejich slibného rozvoje, založený na inovačním potenciálu výrobců a poháněný požadavky uživatelů, je teprve na začátku. Také společnost Wago je jeho aktivním účastníkem.

Martin Witzch, Wago Kontakttechnik, GmbH, Minden
Překlad: Petr Bartošík