Proč bezdrátové snímače?

Proč bezdrátové snímače?

Společnost Emerson Process Management uvedla na evropský trh bezdrátové snímače určené zejména pro chemický a petrochemický průmysl, energetiku a další obory patřící do skupiny tzv. procesních výrob. Emerson již má zkušenosti s těmito snímači na americkém trhu, kde prodává jejich 900MHz variantu. Snímače určené pro evropský trh pracují na frekvenci 2,4 GHz. V současné době Emerson Process Management nabízí „startovní balíček“ pro pět až sto přístrojů Smart Wireles, který umožní zájemcům získat s touto technikou první provozní zkušenosti (obr. 1).

Bezdrátové snímače pro všeobecné použití

Bezdrátové komunikace nejsou v průmyslové automatizaci úplnou novinkou. Používají se především v rozsáhlých provozech, distribučních sítích a v podmínkách, kdy je velmi obtížné nebo nemožné realizovat komunikaci pomocí kabelů. Uvádí se, že zhruba 1 % provozních přístrojů v procesní výrobě komunikuje bezdrátově, nejčastěji pomocí sítí Wi-Fi, ZigBee, GSM apod. Společnost Emerson očekává, že v nejbližších letech se podíl bezdrátově komunikujících zařízení v průmyslových provozech velmi významně zvýší. Proto již nyní uvádí na trh bezdrátové snímače a převodníky Smart Wireless, určené pro všeobecné použití.

Obr. 1. V současné době lze zakoupit sadu Smart Wireless SmartPack™ pro pět až sto provozních přístrojů

Podstatnou výhodou bezdrátových snímačů je úspora nákladů na kabeláž (obr. 2). Instalují-li se snímače v provozu, který potom pracuje beze změn patnáct nebo dvacet let, náklady na kabeláž vztažené na rok provozu jsou ještě přijatelné. Ovšem tam, kde je nutné počítat s častými úpravami, přestavbami a změnami, a to je v moderní průmyslové výrobě téměř všude, představují náklady na kabeláž citelnou položku.

Bezdrátové převodníky instalované na již existujících provozních přístrojích navíc umožňují přenášet dodatečné informace, které dříve nebylo možné využívat a které přispívají ke zvýšení kvality výroby, zamezují odstávky výrobních zařízení a snižují náklady na údržbu.

Proč jsou tedy, přes uvedené výhody, bezdrátové snímače zatím tak málo používány? Je tomu tak proto, že je třeba uspokojivě vyřešit několik problémů:

• zabezpečení komunikace,
• napájení snímačů a síťových komponent,
• spolehlivost komunikace ve smyslu odolnosti proti ztrátě informací.

Obr. 2. Bezdrátové snímače významně spoří náklady na kabelové rozvody (nahoře zapojení s proudovou smyčkou, dole s bezdrátovými snímači)

Podívejme se nyní postupně na to, jak se s těmito problémy vypořádala společnost Emerson, která pro své snímače Smart Wireless zvolila síť s volnou topologií (mash), s přístupovým schématem TDMA a s vyspělou správou napájení.

Zabezpečení bezdrátových komunikací

Zabezpečená bezdrátová komunikace je taková, kde jsou ověřené údaje přenášeny z důvěryhodného zdroje výhradně důvěryhodnému příjemci. Prostředí, v němž se bezdrátové signály šíří, je ale dostupné všem v okruhu dosahu rádiových vln, a vždy zde existuje možnost odposlechu, rušení, přeslechů nebo vysílání záměrně chybných dat.

Tato rizika jsou ovšem dobře známa a známé jsou i metody, jak se proti nim bránit.

K zabezpečení komunikace přispívá:

• autentifikace odesílatele a příjemce,
• verifikace zpráv, tedy ověření, zda jsou údaje opravdu určeny danému příjemci a zda jsou kompletní,
• šifrování dat, aby nebyla čitelná pro třetí osoby.

Emerson k těmto funkcím, jež jsou standardem pro většinu bezdrátových sítí, ještě přidává správu šifrovacích klíčů a nástroj pro omezení výpadků v důsledku přetížení sítě (anti-jamming).

Bezdrátové sítě, protože jsou považovány z hlediska zabezpečení za slabý článek, paradoxně bývají zabezpečeny mnohem důkladněji než jiné komunikační systémy. Výhodou řešení od firmy Emerson je, že k dispozici jsou nástroje i pro zabezpečení informačních systémů, a to shodné jako u bezdrátových sítí (tab. 1). To umožňuje koncovému zákazníkovi, aby si vytvořil jednotná bezpečnostní pravidla.

Tab. 1. Zabezpečení bezdrátových sítí i informačního systému spolu těsně souvisejí

Napájení snímačů a síťových komponent

Mají-li být bezdrátové snímače efektivně používány ve výrobních provozech, musí pracovat bez údržby řádově měsíce, lépe však roky. Jak toho dosáhnout?

Málokde je na místě instalace snadno dostupný rozvod elektrického napájení, a snímače jsou proto většinou napájeny z baterií. Prvním úkolem je tedy vybrat vhodný typ napájecí baterie. Nabídka na trhu je již dosti široká. Relativně levné, masově vyráběné baterie z mobilních zařízení (telefonů, PDA) ale nejsou vhodné, protože se u nich nepočítá s tak dlouhou dobou provozu bez napájení.

Za druhé je třeba zvolit snímače, které mají malou spotřebu. S tímto požadavkem je nutné počítat již při konstrukci snímačů.

Za třetí je třeba zvolit rádiovou síť, která je z hlediska spotřeby energie co nejméně náročná. V síti využívající přístupové schéma TDMA (Time Division Multiple Access) má každá stanice přidělen pevný časový interval, v němž může vysílat. Podle tohoto přístupového schématu nemůže dojít ke kolizím a k nutnosti opakovat vysílání zprávy, a tím je spotřeba energie omezena na nezbytné minimum.

Za čtvrté je nutné optimálně nastavit správu napájení, aby byl snímač v době, kdy není aktivní, co nejdříve uveden do stavu „spánku“ s nízkou spotřebou.

Obr. 3. Spolehlivost přenosu informací v sítích s volnou topologií (zatímco u spojení účastníka A s komunikační bránou bod-bod by byla 40 %, v síti s volnou topologií je min. 99 %)

A nakonec, a to je specialita společnosti Emerson, je možné pro napájení snímačů využít „alternativní“ zdroje energie, např. ztrátové teplo, vibrace nebo fotovoltaické články.

Výsledek: bezdrátové snímače Emerson mohou pracovat bez nutnosti výměny baterií až sedm let.

Spolehlivost komunikace

V průmyslové automatizaci může mít velmi nepříjemné následky skutečnost, že některá zpráva nedorazí ke svému adresátovi. V topologii bod-bod nebo hvězda k tomu může dojít velmi snadno – stačí, postaví-li se signálu do cesty překážka, která je pro rádiové vlny neprostupná. V síti s volnou topologií (mash) je to jinak. Zde, dojde-li k přerušení přenosové cesty, se automaticky vyhledá jiná, záložní trasa. Účastníci sítě pracují jako retranslační stanice a postarají se o to, aby zpráva dorazila tam, kam má. Spolehlivost sítě se tím podstatně zvyšuje, protože i tehdy, jsou-li komunikace mezi jednotlivými účastníky méně spolehlivé, celková spolehlivost sítě je vysoká (obr. 3).

Příklady použití

V jakých případech je vhodné použít bezdrátové snímače Smart Wireless?

Bezdrátové komunikace se používají např. k monitorování vzdálených zařízení. To je oblast, kde se většinou využívají sítě GSM, proprietární rádiové sítě nebo satelitní komunikace. Příkladem může být přenos dat z čerpací stanice napájecí vody tepelné elektrárny, která je umístěna na břehu řeky několik kilometrů od vlastního elektrárenského závodu, nebo monitorování zaplnění skladovacích tanků ve vzdáleném logistickém terminálu. Podobným případem je přenos dat z bezobslužných stanic ve vlastním závodě, kde se používá např. síť Wi-Fi. To ovšem nejsou typické příklady použití bezdrátových snímačů – snímače zde bývají zapojeny v malé lokální (kabelové nebo bezdrátové) síti, v níž je začleněna komunikační brána, jejímž prostřednictvím je teprve realizována bezdrátová komunikace s nadřazeným systémem na poměrně velkou vzdálenost.

Bezdrátové snímače Smart Wireless jsou vhodné pro řešení jiných typů úloh. Klasickým příkladem je dodatečná instalace snímačů do provozu. Může jít např. o nutnost instalovat na horní víko několikametrové nádrže hladinoměr jako zvýšení ochrany proti přetečení. Instalace kabelu je v tomto případě velmi nákladná. Naopak instalace bezdrátového snímače Smart Wireless jako součásti sítě s volnou topologií je velmi snadná: v podstatě stačí snímač připojit k zařízení – do sítě už se přihlásí sám a parametry měření lze nastavit i na dálku.

Další příklad: moderní snímače umožňují získávat více údajů než jen měřenou hodnotu. Tyto dodatečné údaje jsou užitečné např. pro údržbu. Jestliže ale současná struktura řídicího systému nepočítá s jejich přenosem do systému správy výrobních zařízení (AMS), vyžadovalo by jejich využití nákladnou instalaci nových kabelů a síťových prvků. Stačí ovšem na nynější snímače s výstupem HART nainstalovat bezdrátové převodníky Smart Wireless, a diagnostická data se mohou přenášet bezdrátově.

Podrobněji se budeme příkladům použití a konkrétním snímačům a převodníkům, které jsou v tuto chvíli už na trhu k dispozici, věnovat v článku, který bude uveřejněn v čísle 6 časopisu Automa s produktovým tématem bezdrátové přenosy dat.

Závěr

Na úvodní otázku „proč bezdrátové snímače“ odpovídá společnost Emerson příměrem: každý řidič ví, že existuje tzv. mrtvý úhel, tedy úhel, v němž nevidí překážku v žádném ze zpětných zrcátek. Pro bezpečný provoz je důležité mrtvý úhel co nejvíce zmenšit. Podobně existují mrtvé zóny v průmyslových provozech. Jsou to zóny, kde se sice „něco děje“, ale obsluha o tom nemá žádné informace. Pro zlepšení efektivity, kvality a bezpečnosti provozu je nutné tyto mrtvé zóny zmenšovat a odstraňovat. Právě to bezdrátové snímače Smart Wireless umožňují a v tom je jejich hlavní význam.

Zpracováno podle prezentací a autorových záznamů z přednášek:

[1] NYQUIST, J. (Emerson Process Management): No wires, no limits,
[2] SCHUMACHER, M. (Emerson Process Management, div. Rosemount): In-Plant Smart Wireless Solutions,
[3] ANASTASIOU, T. (BP): Customer Perspective,
[4] KARNISCHNIA, B. (Emerson Process Management, div. Rosemount): PlantWeb Smart Wireless Demo, přednesených 11. ledna 2007 na tiskové konferenci v Boloni (Itálie), a přednášky
[5] TIEPOLT, G. (Emerson Process Management): Wireless Technologie für die die Prozessindustrie, přednesené 23. 1. 2007 na Process Management Academy 2007 v Neussu (Německo).

Petr Bartošík