Zastosowanie komunikacji bezprzewodowej Wi-Fi w sieciach przemysłowych

CZĘSTOTLIWOŚĆ I KANAŁY WEWNĘTRZNE

Rys. 1.

Pierwszym krokiem, który przybliży nas do zaprojektowania sprawnie działającej sieci bezprzewodowej jest znalezienie kanałów z możliwie najmniejszymi zakłóceniami. Jak powszechnie wiadomo, sieci bezprzewodowe wykorzystują do transmisji danych fale radiowe, w związku z czym istotną kwestią jest dobranie odpowiedniej częstotliwości pracy (2,4 lub 5 GHz) oraz jej kanałów wewnętrznych w obrębie tych częstotliwości. Standard IEEE 802.11 a/b/g/n definiuje pracę w zakresie ~2,4 GHz, natomiast standard IEEE 802.11a/n ~5 GHz.

Oba standardy mają w swoim paśmie wydzielone kanały i tak na przykład 2,4 GHz zawiera ich 14 (o szerokości 22 MHz każdy). Jednak kanały nie są kompletnie odseparowane od siebie i mogą się wzajemnie zakłócać. Tylko 3 z nich nie nachodzą na siebie i w ten sposób w żaden sposób nie zakłócają się wzajemnie (rysunek nr 1). Oznacza to tyle, że tylko 3 kanały z dostępnych 14 pozwolą nam na transmisję danych bez żadnych wzajemnych zakłóceń.

W obszarach z dużą liczbą urządzeń radiowych częstotliwość 2,4 GHz może być pewnego rodzaju ograniczeniem, tym bardziej jeśli w przyszłości planujemy rozbudowę naszej sieci. Już teraz istnieje bardzo dużo sieci Wi-Fi nachodzących na siebie swoim zasięgiem i czasami znalezienie jakiegokolwiek wolnego kanału może być bardzo trudne.

Jeżeli zatem w sieci występuje wiele urządzeń korzystających z transmisji radiowej, to z pewnością warto rozważyć jej budowanie z wykorzystywaniem częstotliwości 5 GHz, w tym paśmie kanały na siebie nie nachodzą, a zatem mamy większe pole manewru (sieci nie będą się wzajemnie zakłócały). Co jednak zrobić, gdy musimy jednak wykorzystać częstotliwość 2,4 GHz?

Rys. 2.

Szukajmy takich kanałów, które w jak najmniejszym stopniu nachodzą na siebie. Możemy również zmierzyć siłę sygnału danej sieci i wybrać takie kanały, gdzie pracujące sieci bezprzewodowe mają najmniejszą moc. Można do tego wykorzystać dowolny skaner sieci Wi-Fi (rysunek nr 2). Skaner pokaże nam, na którym kanale pracuje dana sieć (czwarta kolumna) oraz moc sygnału (kolumna trzecia).

Wracając do charakterystyki częstotliwości 5 GHz - częstotliwość ta może pracować w dwóch standardach - 802.11a oraz 802.11n i z pewnością pomoże w uniknięciu problemów związanych z interferencją fal w często przeciążanym paśmie 2,4 GHz.

Oczywiście wszystko ma swoje plusy i minusy, korzystając z częstotliwości 5 GHz, trzeba liczyć się z tym, że konsekwencją zwiększenia częstotliwości będzie zmniejszenie propagacji fal, sygnał będzie gorzej przenikał przez przeszkody, co w efekcie końcowym przekłada się na przymusowe zastosowanie większej liczby AP w naszej sieci (pracując w standardzie 802.11a).

PRZESZKODY FIZYCZNE

Rys. 3.

Kolejnym krokiem niewątpliwie będzie zwrócenie uwagi na występujące bariery fizyczne takie jak ściany czy konstrukcje metalowe. Każda tego typu przeszkoda ma niewątpliwy wypływ na jakość naszego sygnału i może powodować jego osłabienie. Warto mieć na uwadze również fakt, że przypadek ten nie dotyczy tylko sytuacji, gdy dana konstrukcja zasłania nam bezpośredni kierunek sygnału.

Elementy metalowe będące nieopodal także mogą powodować np. interferencje fal czy ich odbicia, co w rezultacie będzie prowadziło do pogorszenia się jakości odbieranego sygnału. W zestawieniu przedstawiono wpływ przeszkody na moc sygnału w zależności od jej rodzaju.

ANTENY, KABLE, ROZMIESZCZENIE URZĄDZEŃ

Rys. 4.

Gdy dobraliśmy już odpowiednie kanały, znamy najbardziej zagęszczone obszary, a także zapoznaliśmy się z występującymi konstrukcjami na obiekcie, możemy przystąpić do wstępnego ulokowania punktów dostępowych sieci Wi-Fi.

Pierwszym i najważniejszym krokiem jest ich zainstalowanie z możliwie jak najlepszym pokryciem urządzeń klienckich. Dla przykładu urządzenia bezprzewodowe Moxy pozwalają na podłączenie do jednego punktu dostępowego od 15 do 30 urządzeń typu Client w standardzie IEEE 802.11 a/b/g/n w przypadku przesyłania niewielkich ilości danych.

Jeśli mamy zatem do czynienia z sytuacją, gdzie liczba urządzeń klienckich przekracza ww. liczby lub są one odseparowane przeszkodami (np. grubą ścianą), to wtedy należy zainstalować co najmniej dwa Access Point.

Kolejna kwestia związana z odpowiednim pokryciem urządzeń to wybór anteny nadawczej. Anteny w różny sposób propagują sygnał radiowy (różna moc w zależności o kierunku). Powyżej przedstawiono propagację sygnału dla typowej anteny dookólnej i panelowej (rys. 4 i 5).

Rys. 5. Antena dookólna i propagacja jej sygnału - w porównaniu do anteny panelowej w płaszczyźnie poziomej (H-plane) widać praktycznie jednorodną propagację we wszystkich kierunkach

Jeśli nasze urządzenia klienckie są rozlokowane na stałym szerokim obszarze bądź przemieszczają się w jego obrębie, to najlepszym rozwiązaniem będzie zastosowanie anteny dookólnej. Z kolei w przypadku gdy mamy do czynienia z urządzeniami pracującymi na wąskim obszarze, z wykorzystaniem transmisji punkt-punkt, korzystniejszym rozwiązaniem może się okazać antena kierunkowa promieniująca prawie całą moc w jednym wyróżnionym kierunku. W dużym uproszczeniu można jeszcze przyjąć, że anteny dookólne mają tendencję do silniejszego zbierania zakłóceń (ponieważ zbierają sygnały z każdego kierunku).

W kontekście lokowania punktów dostępowych istotne jest również, aby nie ograniczać się do ściśle wyznaczonego miejsca. Należy pamiętać, aby dokonać pomiarów w kilku lokalizacjach i wybrać tę z najmocniejszym sygnałem.

Moc emitowanego sygnału możemy analizować poprzez zewnętrzne dedykowane oprogramowanie np. InSSIDer lub w nieco wygodniejszy sposób - funkcję "Site Survey", która jest wbudowana w urządzeniach bezprzewodowych firmy Moxa. Funkcja ta umożliwia łatwo określać m.in. mocy sygnału czy liczbę urządzeń na danym kanale z poziomu przeglądarki internetowej.

TURBO ROAMING

Odrębnym zagadnieniem przy stosowaniu technologii bezprzewodowych w przemyśle jest komunikacja wszelkiego rodzaju pojazdów czy wózków transportowych. W takim przypadku urządzenie typu Client zainstalowane na pojeździe będzie musiało łączyć się do różnych punktów dostępowych w zależności od swojego położenia.

Konieczne będzie również jak najszybsze przełączenie się do punktu dostępowego zapewniającego mocniejszy sygnał. Każda zwłoka powoduje przerwę w transmisji danych, a to może być nieakceptowane dla działających w sieci aplikacji.

Mając to na uwadze Moxa w swoich urządzeniach implementuje autorskie rozwiązanie Moxa TurboRoaming, które zapewnia czas przełączania się pomiędzy punktami dostępowymi w czasie poniżej 50 ms.

POŁĄCZENIA TYPU PUNKT-PUNKT (BEZPRZEWODOWY MOST)

Rys. 6. Funkcja Turbo Roaming umożliwia szybsze przełączenie się urządzenia klienckiego do punktu dostępowego (Access Point) oferującego najlepszą moc sygnału

Bardzo często zdarza się, że istnieje konieczność zapewnienia komunikacji bezprzewodowej pomiędzy dwoma punktami sieci ethernetowej ponieważ połączenie za pomocą kabla nie jest po prostu możliwe. Takie połączenie obejmuje tylko dwa, nieruchome punkty. Połączenie powinno być pewne i bezpieczne oraz zapewnić odpowiednią przepustowość.

Zastosowanie podstawowego trybu pracy urządzeń bezprzewodowych, czyli punktu dostępowego (Access Point) i klienta (Client) może być niewystarczające dla sieci, gdzie wykorzystujemy np. sterowniki PLC. Takie urządzenia mogą nie być w stanie nawiązać komunikacji poprzez zwykłe połączenia bezprzewodowe.

W takim przypadku najlepszym trybem połączenia będzie tzw. bezprzewodowy most, czyli jedno urządzenie pracujące w sieci Wi-Fi jako tzw. Master, a drugie jako slave. Takie połączenie uniemożliwia dołączenie urządzeń trzecich do sieci Wi-Fi (większe bezpieczeństwo), a dodatkowo dobrze sprawdza się w sieciach, gdzie działają sterowniki PLC, urządzenia wykorzystujące Profinet czy EtherNet/IP.

PODSUMOWANIE

Technologia Wi-Fi wykorzystywana w przemyśle musi charakteryzować się większym bezpieczeństwem i niezawodnością w porównaniu z sieciami nieprzemysłowymi. Konieczne jest stosowanie zarówno specjalistycznych anten, jak i protokołów, które zapewnią prawidłową pracę urządzeń sieciowych. Bardzo duże znaczenie ma stabilność połączenia i mała wrażliwość na zakłócenia.

Kryspin Wach
Elmark Automatyka