Nowe systemy radiowe Radioline bazujące na technologii Trusted Wireless 2.0

| Prezentacje firmowe

Większość z nas ma więcej niż jedną parę butów. Oprócz butów sportowych mamy na przykład eleganckie buty do tańca, buty do pracy w ogrodzie, buty na wycieczki piesze poza miasto. Do tego parę butów do codziennego użytku. Tak więc przeciętny Kowalski ma kilka par butów o określonych właściwościach, przeznaczonych na określone okazje. Podobna zasada obowiązuje w przypadku różnych przemysłowych technologii radiowych dostępnych na rynku.

Nowe systemy radiowe Radioline bazujące na technologii Trusted Wireless 2.0

Nowy system radiowy Radioline firmy Phoenix Contact wypełnia lukę pomiędzy standardami WirelessHART, Bluetooth i WLAN. Jako system zaprojektowany specjalnie do transmisji danych drogą radiową w rozległych aplikacjach infrastrukturalnych, system Radioline cechują właściwości, których brakuje poprzednikom.

Bluetooth charakteryzuje się wysoką odpornością na zaburzenia elektromagnetyczne obecne w aplikacjach przemysłowych. Umożliwia on jednak tworzenie tylko niewielkich sieci obejmujących maksymalnie siedem urządzeń podrzędnych, połączonych punkt-punkt lub w strukturach gwiaździstych przy niewielkich odległościach.

WLAN wykorzystuje DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) do przesyłania danych w paśmie o określonej częstotliwości. Jednak przy założeniu ograniczeń w zakresie 2,4 GHz, bez wzajemnych zakłóceń, równolegle mogą być obsługiwane maksymalnie tylko trzy systemy WLAN. Standard radiowy wspiera roaming pomiędzy różnymi punktami dostępowymi, umożliwiając pracę mobilnym aplikacjom Ethernetu, które muszą mieć zasięg około 100 metrów.

System WirelessHART stworzono z myślą o urządzeniach i modułach I/O w instalacjach procesowych. Mając na uwadze ograniczenie zużycia energii, zazwyczaj wybiera się niską częstotliwość. WirelessHART umożliwia utworzenie sieci do 254 urządzeń i transmisję danych na odległości do 3000 metrów. Możliwe jest tworzenie wielu struktur w sieci - od połączeń punkt-punkt, do złożonych sieci kratowych.

PROSTE URUCHOMIENIE

Rys. 1. Konfiguracja i przypisanie adresów I/O za pomocą jednego przekręcenia pokrętłem

W przeciwieństwie do wcześniejszych rozwiązań, system radiowy Radioline, bazujący na technologii Trusted Wireless 2.0, powstał specjalnie z myślą o komunikacji radiowej w rozległych systemach infrastrukturalnych. Informacje pochodzące z czujników i urządzeń wykonawczych oraz inne dane mogą być przesyłane przez system Radioline na duże odległości.

Rozwiązanie to znajduje szerokie zastosowanie w zakładach uzdatniania wody oraz oczyszczalniach ścieków, cementowniach, elektrowniach, systemach taśmowych, jak również w branży procesowej. Projektując urządzenia radiowe, firma Phoenix Contact korzystała z ponaddziesięcioletniego doświadczenia przy doskonaleniu poprzedniej linii urządzeń.

Szczególnie ważne było zapewnienie prostego uruchomienia systemu. W tym celu podzespoły radiowe są fabrycznie skonfigurowane, dzięki czemu klienci muszą tylko ustawić jeden adres dla każdej stacji radiowej, przekręcając żółte pokrętło. Adres "01" konfiguruje moduł jako nadrzędny, a urządzenia z adresami od "02" do "99" automatycznie mają przypisane funkcje wzmacniacz / urządzenie podrzędne (rys. 1).

Ponieważ obsługiwane są wszystkie tryby operacyjne, głowica radiowa może być wykorzystana w ustawieniu sieci jako: urządzenie nadrzędne, wzmacniacz przekazu danych lub jako urządzenie podrzędne w punktach końcowych sieci. Podczas instalacji cały czas wyświetla się poziom sygnału w postaci wykresu kolumnowego (diody). Informacja ta jest dostępna również w złączach śrubowych do celów pomiarowych. Stan całej sieci można również ocenić, używając oprogramowania, które stanowi część zaawansowanej diagnostyki.

ROZSZERZENIE MODUŁOWE

Rys. 2. Sygnały I/O mogą być dystrybuowane i powielane w rejonie eksploatacji poprzez mapowanie I/O

Oprócz modułu radiowego w ofercie znajduje się również osiem modułów rozszerzeń. Każdy z nich ma prosty system uruchamiający, dzięki czemu każda stacja radiowa może być modułowo rozszerzona przez dopięcie maksymalnie do 32 modułów I/O na szynie DIN. Wtyk złącza T-bus przekazuje zasilanie 24 V oraz sygnały komunikacyjne, tak więc moduły mogą być instalowane i wymieniane bez przerywania pracy sieci. Informacje sygnałów są "przydzielane" jednym dotknięciem przy wykorzystaniu mapowania I/O.

Na przykład numer "23" na białym pokrętle jest ustawiony jako adres I/O (wejść/wyjść) modułów rozszerzeń. Zarówno wejścia, jak i wyjścia modułów z tymi numerami są ze sobą powiązane. Sposób ten może być powielany dowolną liczbę razy w innych stacjach, umożliwiając łatwą dystrybucję nawet do 99 różnych modułów I/O (rys. 2).

Moduły cztero-, sześcio- oraz ośmiokanałowe charakteryzuje wysokiej jakości elektryczna separacja międzykanałowa. Specjalną właściwością czterokanałowych modułów cyfrowych są szerokozakresowe wejścia oraz wyjścia przekaźnikowe pozwalające na pracę z napięciami do 250 V. Ośmiokanałowy moduł wyjścia może alternatywnie być również używany jako np. dwukanałowy moduł pomiaru i przesyłania informacji o zmierzonej wartości.

SZEROKI ZAKRES ZASTOSOWAŃ

Rys. 3. System pozwala na ustawienie dowolnych struktur sieci, także samonaprawiających się sieci kratowych mesh

Oprócz możliwości pracy w trybie "I/O to I/O", system Radioline znajduje również zastosowanie w innych aplikacjach. Dzięki portom RS-232 oraz RS-485 wbudowanym w moduł radiowy, kable do komunikacji szeregowej można zastąpić połączeniem radiowym (nazwano to trybem operacyjnym serial-to-serial). Innym ciekawym rozwiązaniem jest połączenie i zintegrowanie sieci radiowych z kontrolerem Modbus.

W tym trybie radiowe urządzenie nadrzędne Radioline otrzymuje adres w sieci Modbus i może zostać podłączone do kontrolera poprzez zintegrowany szeregowy interfejs Modbus RTU. W ten sposób cała sieć jest reprezentowana przez jeden adres urządzenia podrzędnego Modbus, co pozwala na łatwy zapis i odczyt informacji z czujnika / urządzenia wykonawczego.

Ilość informacji w technologii Trusted Wireless 2.0, na której bazuje Radioline, można ustawić od 16 do 500 kb/s, co zwiększa czułość odbioru i pozwala na zwiększenie zakresu do 5000 metrów. Ponadto w sposób optymalny spełnia wszelkie wymogi przesyłu danych I/O oraz szeregowych.

BEZPIECZNA TRANSMISJA DANYCH

Rys. 4. Pamięć konfiguracyjna pozwala na tworzenie poszczególnych sieci bez wzajemnej interferencji

Struktury sieci Radioline elastycznie dostosowują się do cech danej instalacji. System Radioline obsługuje połączenia punkt-punkt, sieci liniowe, gwiaździste a także samonaprawiające się sieci kratowe mesh (rys. 3). W ostatnim przypadku każdy wzmacniacz/urządzenie podrzędne (moduł rozszerzeń) monitoruje połączenia z radiowym urządzeniem nadrzędnym.

W chwili zdiagnozowania zakłóceń w komunikacji, moduł niezwłocznie zaczyna wyszukiwać dodatkowych "uczestników" w sieci, dzięki którym połączenie z urządzeniem nadrzędnym może być wznowione. Czas stworzenia alternatywnej ścieżki jest zazwyczaj krótszy niż jedna sekunda.

Wykorzystanie FHSS (Frequency Hopping Spread Spec - trum) w paśmie o częstotliwości 2,4 GHz, gdzie nadajnik cały czas "skacze" po pasmach częstotliwości, wyszukując te odpowiednie, pozwala na bezpieczne przesyłanie danych. Tych częstotliwości jest w sumie dostępnych osiem i żadna z nich nie jest wykorzystywana wielokrotnie, co pozwala na wyeliminowanie interferencji. Ponadto pseudolosowy wzór "skoków" określa porządek korzystania z danej częstotliwości.

W przypadku konkretnych sieci użytkownik może stworzyć globalny, unikatowy wzór "skoków", używając do tego pamięci konfiguracyjnej. Oprócz współistnienia z innymi systemami bezprzewodowymi, urządzenie Radioline blokuje wpływ zewnętrznych systemów Bluetooth, WLAN oraz WirelessHART przesyłających dane w paśmie częstotliwości 2,4 GHz (rys. 4). Oprócz procesu "skakania" po częstotliwościach, o którym mowa powyżej, istnieje również możliwość zablokowania maksymalnie dwóch kanałów WLAN przez wpisanie ich na czarną listę i wyłączenie z użytku, co pozwala na zabezpieczenie przed wzajemną interferencją.

Moduły Radioline mają również funkcje, które zapobiegają manipulacji danymi z zewnątrz. W tym celu każdemu pakietowi z danymi przypisany jest kolejny numer wykorzystywany przez wszystkie przekaźniki dla celów identyfikacji. Ponadto dane można zakodować podczas transmisji za pomocą szyfrowania AES, co uniemożliwia ich przechwycenie.

Tworzenie rozległych sieci radiowych z wieloma węzłami

System Radioline może łączyć w sieć maksymalnie 250 stacji oddalonych od siebie nawet o 5000 metrów. Mając na uwadze to, że każdy uczestnik (węzeł) radiowy może funkcjonować jako wzmacniacz dla kolejnych stacji w sieci, ta ostatnia może rozciągać się znacznie dalej niż na podaną odległość.

Możliwe jest tworzenie wielu struktur w sieci, od połączeń punkt-punkt, przez połączenia gwiaździste, do samonaprawiających się sieci kratowych typu mesh. Technologia Trusted Wireless 2.0 to optymalne właściwości pozwalające na jednoczesne działanie wielu systemów dzięki wykorzystaniu metody FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) działającej w bezlicencyjnym paśmie ISM 2,4 GHz. Ponadto system daje możliwość zablokowania maksymalnie dwóch kanałów, wykluczając w ten sposób wzajemną interferencję równoległych transmisji.

Jeśli istnieje potrzeba transmisji danych z czujnika lub urządzenia wykonawczego, użytkownik po prostu dodaje do urządzenia radiowego właściwe moduły I/O. Do uruchomienia stacji radiowych używa się zintegrowanego pokrętła, które pozwala na dystrybucję informacji do odpowiednich modułów, bez potrzeby dodatkowego programowania. Zakres temperatur, w jakich mogą działać urządzenia, wynosi od -40°C do 70°C, co umożliwia wykorzystanie radiowych podzespołów na zewnątrz oraz wewnątrz bez konieczności stosowania urządzeń kontroli klimatu.

WNIOSEK

System Radioline firmy Phoenix Contact łączy zalety różnych technologii radiowych w linii produktów, które zapewniają bezpieczną komunikację radiową danych I/O i szeregowych w rozległych instalacjach. System uruchamia się w prosty sposób i można go elastycznie dostosowywać do wymogów każdej aplikacji.

Jens Offensand,
Phoenix Contact Electronics GmbH
Kamil Wachowicz,
Phoenix Contact sp. z o.o.
www.phoenixcontact.pl/radioline