Bezprzewodowa transmisja danych w systemach przemysłowych

Rys. 1. Conel LR77

Planując sieć bezprzewodową, mamy do wyboru możliwość korzystania z infrastruktury operatora czyli sieci GSM/3G/LTE oraz CDMA (dedykowane dla transmisji danych tzn. niezależne od połączeń głosowych) lub stworzenie własnej infrastruktury w oparciu na radiomodemach. W przypadku własnej infrastruktury, w zależności od wykorzystywanego pasma częstotliwości i mocy wypromieniowanej - aplikacja może wymagać uzyskania licencji na wykorzystanie określonego pasma.

Informacje o aktualnych przepisach można znaleźć na stronie UKE, które jest odpowiedzialne za udzielanie licencji i przydział pasm częstotliwości. Obecnie najpopularniejsze pasma nie wymagające licencji to pasma z obszaru 869 MHz, 2,4 GHz, 5 GHz. Należy pamiętać, że korzystanie z wymienionych częstotliwości zgodnie z prawem narzuca na nas dodatkowe ograniczenia zwykle związane z poziomem mocy wypromieniowanej, ale również np. z aktywnością nadajnika (869 MHz), zaimplementowaniem specjalnych funkcji nasłuchiwania (5 GHz).

Rys. 2. Conel UCR11

Najczęściej wykorzystywane pasma licencjonowane plasują się w zakresie 380-520 MHz. Wykorzystanie wymienionych pasm niewymagających licencji pozwala na komunikację na dystansach od kilkuset metrów do kilku kilometrów, w zależności od wybranego pasma. Zastosowanie pasma licencjonowanego z przedziału 380-520 MHz z odpowiednio dużą mocą umożliwia osiągnięcie dystansów sięgających kilkunastu, a nawet kilkudziesięciu kilometrów.

Oczywiście zarówno wśród pasm licencjonowanych, jak i tych niewymagających licencji jest przynajmniej kilka innych, które jednak rzadziej wykorzystywane są w aplikacjach o charakterze przemysłowym. Dobrym przykładem są pasma z zakresu wysokich częstotliwości (powyżej 7 GHz), które wykorzystywane są przez szybkie radiolinie.

Wykorzystanie infrastruktury operatora w stosunku do tworzenia własnej ma oczywiście zarówno wady, jak i zalety. Podstawowa zaleta infrastruktury własnej - to pełna kontrola i niezależność od operatora, dla niewielkich aplikacji - niższy koszt eksploatacji, zwykle też - mniejsze i bardziej przewidywalne opóźnienia transmisji. W przypadku infrastruktury operatora oczywistą zaletą jest fakt, że nie mamy kosztów i obowiązków związanych z utrzymywaniem i konserwowaniem instalacji, oczywistą wadą w przypadku aplikacji o znaczeniu krytycznym - nie mamy gwarancji dostępności, więc wymagana będzie redundancja - najlepiej w postaci innej technologii.

Rys. 3. RADiFlow 3180

Rys. 4. Elpro 915U-2

W zależności od wyboru technologii będziemy mieć inne uwarunkowania związane z opóźnieniem, przepustowością łącza, dostępnością na danym terenie, bezpieczeństwem, możliwością zarządzania/monitorowania sieci. W niniejszym artykule nie mamy miejsca, żeby poruszyć wszystkie aspekty warte przemyślenia, zanim zdecydujemy się na jakieś rozwiązanie, ale zapraszamy do kontaktu i dyskusji: techniczny@tekniska.pl, poniżej przedstawiamy kilka rozwiązań sprzętowych oraz narzędzi do zarządzania, integracji i monitorowania sieci bezprzewodowych.

ROZWIĄZANIA SPRZĘTOWE

Rys. 5. CalAmp Vanguard 3000

Producenci radiomodemów i routerów GSM/3G/LTE/CDMA umożliwiają wykorzystanie i przesyłane danych właściwie z dowolnego interfejsu (RS-232, RS-422/485, Ethernet, M-bus czy bezpośrednio stanów we/wy analogowo-cyfrowych). Większość urządzeń może pracować w trybie przezroczystym (niezależnym od transmitowanego protokołu) lub np. jako brama - najczęściej Modbus TCP/RTU.

Dobrym przykładem jest router Conel LR77(GSM/3G/LTE) lub UCR11 (GSM/3G/CDMA). Dzięki zastosowaniu modularnej budowy możemy wyposażyć urządzenie dodatkowo w interfejsy RS-232,RS-485/RS-422, MBUS lub I/O (CNT), co pozwala na szersze zastosowanie tego routera w sieciach przemysłowych. Przykładem rozwiązania komponującego wiele funkcji i dedykowanego do pracy w sektorze energetycznym jest RADiFlow 3180, czyli router przemysłowy, który w zależności od konfiguracji ma porty Ethernet, SFP, RS-232, modem GSM. Często router GSM/3G łączony jest z funkcjonalnością AP Wi-Fi, jak np. w rozwiązaniu CalAmp Vanguard 3000 MultiCarrier dedykowanym do zastosowania na pojazdach.

Rys. 6.

Podobnie w przypadku radiomodemów - znajdziemy rozwiązania umożliwiające transmisję kanałów szeregowych, Ethernet i we/wy (w przypadku 245U-E Elpro można to realizować równolegle) lub modemy transmitujące stany we/wy umożliwiające realizację prostej logiki i tworzenie sieci radiowej typu "mesh" tj. topologii bez pojedynczego punktu awarii, jak np. 915U-2 firmy Elpro. Radiomodemy występują w wersjach o bardzo niskim poborze mocy z transmisją zdarzeniową oraz funkcjami oszczędzania energii (np. tryb "sleep mode"), co umożliwia ich zastosowanie do przekazywania informacji o określonych zdarzeniach/alarmach nawet z obiektów, na których nie ma klasycznego systemu zasilania.

WYBRANE NARZĘDZIA DO ZARZĄDZANIA I MONITOROWANIA SIECI BEZPRZEWODOWYCH

Rys. 7.

Smart Cluster jest rozwiązaniem, które w prosty sposób umożliwia budowanie sieci VPN w oparciu na protokole OpenVPN. Dzięki wykorzystaniu tego rozwiązania zaimplementowanego między innymi w routerach firmy CONEL możemy w bardzo szybki sposób zapewnić sobie bezpieczną komunikację pomiędzy urządzeniami zainstalowanymi w różnych miejscach. Dzięki zastosowania tunelu VPN uzyskujemy niezawodną komunikację (w przypadku użycia routera z dwoma interfejsami WAN/GSM) i możliwość wykorzystania różnych technologii (2G/3G/UMTS/LTE/CDMA) oraz różnych operatorów GSM. W efekcie tego można zmniejszyć koszty utrzymania infrastruktury sieciowej.

R-SEENET to autorska aplikacja firmy CONEL służąca do monitorowania sieci opartej na routerach GSM tego samego producenta. Charakteryzuje się bardzo szerokimi możliwościami monitorowania transmisji danych GSM/3G/LTE oraz CDMA, która jest bardzo istotna z punktu widzenia ciągłości i niezawodności działania. Istotnymi parametrami jest moc sygnału, stosunek sygnału do szumu, zachowanie się tych parametrów w czasie. Aplikacja R-SeeNet dzięki działaniu przy wykorzystaniu protokołu SNMP również potrafi zinwentaryzować urządzenia sieciowe po numerach seryjnych, IMEI, MAC. Dzięki zastosowaniu modułów GPS w routerach możemy również wizualizować routery na mapie, co ułatwia nam określenie aktualnej pozycji, gdy urządzenie jest zainstalowane w pojeździe.

Rys. 8.

iSIM (RADiflow) jest aplikacją integrującą w sobie zarządzanie i monitorowanie urządzeń firmy RADiFlow, dzięki czemu uzyskujemy pełną kontrolę End-to-End z jednego miejsca nad wszystkimi elementami sieciowymi. Aplikacja umożliwia dodatkowo monitorowanie urządzeń, ich stanu, informacji o powstałych alarmach w sieci. Znacząco zwiększa to jej możliwości z punktu widzenia zarządzania całą siecią i incydentami w niej występującymi.

iNMS (Elpro) - aplikacja służąca do monitorowania infrastruktury IT oparta na popularnym i bogatym funkcjonalnie, cenionych przez profesjonalistów rozwiązaniu NAGIOS w wersji komercyjnej, rozbudowane o wsparcie dla urządzeń firmy Elpro (specjalny protokół umożliwiający monitorowanie zarówno urządzeń z Eth, jak i modemów szeregowych oraz transmitujących I/O). Dzięki zaimplementowaniu autorskiego protokołu monitorowania firmy Elpro uzyskujemy dodatkowe funkcjonalności takie jak automatyczne rozpoznawanie i dodawanie urządzeń sieciowych firmy Elpro, obniżenie poziomu przesyłania danych w ramach monitorowania urządzeń, które może mieć znaczenie przy niskich przepustowościach torów radiowych. Wykorzystanie komercyjnej wersji Nagiosa pozwala na monitorowanie również z jednego miejsca całej infrastruktury sieciowej i serwerowej, które jest kluczowe dla zachowania ciągłości procesów biznesowych w każdej firmie.

Zuzanna Wieczorek
Łukasz Kruszyński
Tekniska Polska Sp. z o.o.
www.tekniska.pl