ZigBee w aplikacjach przemysłowych

Standard transmisji bezprzewodowej ZigBee wydaje się być idealny do zastosowań przemysłowych ze względu na niskie koszty instalacji i możliwości prostej rozbudowy sieci. Głównym wyzwaniem związanym z jego wykorzystaniem jest wdrożenie nowych urządzeń bez wprowadzania poważnych zmian w już istniejących sieciach przemysłowych. W chwili obecnej na rynku dostępne jest coraz więcej punktów dostępowych, modemów czy interfejsów umożliwiających komunikację urządzeń ZigBee z innymi systemami. Umożliwiają one praktycznie natychmiastowe zestawienie połączenia np. pomiędzy zainstalowanymi PLC i urządzeniami zdalnymi, jak też pozwalają na rozbudowę istniejącej infrastruktury sieciowej zgodnie z potrzebami danego zakładu.

Bez przewodów prościej

Niezależnie od niewątpliwych zalet przemysłowe sieci automatyki charakteryzują dobrze znane ograniczenia. Zastosowanie połączeń przewodowych do transmisji danych pociąga za sobą koszty ponoszone zarówno w trakcie budowy sieci, jak i jej rekonfiguracji. W środowisku przemysłowym może to być tym bardziej kłopotliwe, a same przewody stanowić mogą źródło zagrożenia (np. pożarowego). Instalacje przewodowe są również mało korzystne w przypadku konieczności odczytywania sygnałów z bardzo oddalonych czujników oraz komunikacji z elementami wykonawczymi w obiektach przemysłowych o bardzo dużej powierzchni.

Odpowiedzią na powyższe problemy są sieci bezprzewodowe. Chociaż charakteryzują się one łatwością instalacji, wykorzystanie transmisji bezprzewodowej w środowisku przemysłowym jest wielkim wyzwaniem z powodu występowania zaburzeń, interferencji oraz tłumienia związanego z odbiciami transmitowanego sygnału. W związku z tym w bezprzewodowych sieciach automatyki stosuje się specjalne techniki kompensujące wpływ szkodliwych czynników. Jedną z nich jest FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), która zwiększa niezawodność sieci pracujących w topologiach punkt-punkt oraz gwiazda. W przypadku sieci o topologii siatki wykorzystywane są również np. techniki automatycznego routingu umożliwiające dokonywanie przekierowywanie transmisji danych jeżeli doszło do nieudanej transmisji za pomocą pierwotnie wybranej trasy.

W odróżnieniu od protokołów przemysłowej komunikacji kablowej, takich jak np. Modbus, który jest standardem otwartym, na rynku bezprzewodowych sieci automatyki przemysłowej dominują standardy będące własnością poszczególnych firm, które niestety nie są ze sobą kompatybilne. Jednocześnie takie protokoły jak WiFi i Bluetooth tworzone były dla zupełnie innych rodzajów zastosowań, dlatego też ich zastosowanie w przemyśle procesowym jest ograniczone. Przeszkodą wprowadzania tych sieci bezprzewodowych do fabryk jest również ich cena, która kształtuje się zwykle na poziomie kilkudziesięciu-kilkuset dolarów za węzeł.

Jakub Husarzewski, menadżer produktów wireless w firmie WG Electronics Jakie przesłanki wpływają na akceptację standardu Zigbee przez przemysł? Automatyzacja skomplikowanych procesów technologicznych wymaga zwiększenia liczby punktów monitorowania. Rośnie także znaczenie zdalnego monitoringu domów, magazynów, ulic, urządzeń AGD. Proces ten wymaga niewyobrażalnej liczby czujników, połączonych ze sobą w sieci o rozłożonej inteligencji i zapewnienia bezprzewodowej wymiany danych i standaryzacji protokołu. Założenia te w warunkach przemysłowych najlepiej spełnia ZigBee. Zainteresowanie rynku tym standardem zwiększa fakt utworzenia stowarzyszenia ZigBee przez takich potentatów jak m.in. Philips, Motorola, Siemens, Mitsubishi Electric. Co więc wyróżnia ZigBee? Podstawowa cecha to gwarantowana transmisja ze stałą szybkością do 250kbps. Ponadto ZigBee zapewnia niski pobór prądu – wystarczy, że urządzenie się zaloguje do sieci i może wyłączyć nadajniki do momentu, kiedy będzie miało coś do „powiedzenia”. Znakomicie wydłuża to czas pracy urządzeń bateryjnych i rozwiązuje pośrednio problem zasilania rozrzuconych punktów pomiarowych. Najbardziej rewolucyjną cechą ZigBee jest jednak możliwość pracy w sieci typu MESH. Oznacza to, w sytuacji, gdy wybrana droga przesyłu informacji staje się niedrożna (zakłócenia lub awaria), sieć ma zdolność do automatycznej rekonfiguracji połączeń między punktami tak, aby mimo problemów przekazać informację. Jakie są problemy ograniczające szybkie upowszechnienie się tego standardu? Jak na razie w ZigBee zdefiniowano tylko najniższe warstwy protokołu, dlatego każdy producent sprzętu wykorzystującego ten sposób wymiany informacji zmuszony jest opracować własne algorytmy wyższych warstw, a w konsekwencji urządzenia różnych producentów mogą nie być w stanie współpracować ze sobą. Prawdziwy wysyp urządzeń ZigBee nastąpi w momencie, gdy zdefiniowane zostaną standardowe profile pracy urządzenia tak, aby urządzenia dowolnych producentów były w stanie się komunikować między sobą.

Pojawia się ZigBee

Standard ZigBee wypełnił opisaną powyżej, bardzo interesującą niszę rynkową. Urządzenia tego typu są stosunkowo tanie, pobierają mało energii, a jednocześnie umożliwiają tworzenie sieci zapewniających efektywną transmisję danych w środowisku przemysłowym. Czynniki te oraz liczba możliwych aplikacji są z pewnością zachęcające do wykorzystania ZigBee zarówno w już istniejących, jak i nowo tworzonych sieciach w zakładach przemysłowych.

Omawiany standard, z racji otwartości, umożliwia inżynierom wybór dowolnego elementu wykonawczego lub czujnika, który poprzez dodanie interfejsu ZigBee staje się węzłem sieci i może komunikować się z innymi jej elementami. Jednocześnie niski pobór energii umożliwia zastosowanie zasilania bateryjnego elementów zdalnych. Kolejną użyteczną cechą ZigBee jest zautomatyzowany i wysoce niezawodny mechanizm routingu danych. Jeśli transmisja pomiędzy routerem a urządzeniem końcowym lub też koordynatorem zostanie przerwana, router prześle ponownie dane do innego węzła sieci, który dokona transmisji do urządzenia docelowego.

Współpraca z innymi sieciami

Rys 1 Przykład połączenia sieci tradycyjnej z siecią ZigBee

Modemy czujników to urządzenia, w których zintegrowano interfejsy ZigBee z wielokanałowymi układami wejść i wyjść. Dostępne są wersje modemów pozwalające na wykorzystanie różnych rodzajów sygnałów wejściowych (np. 4-20 mA), jak również wyposażone w moduły cyfrowych wejść/wyjść. Z kolei modemy ZigBee-Modbus dołączane są do elementów wykonawczych lub sterowników PLC i innych urządzeń. Dzięki nim komunikaty w standardzie Modbus generowane przez PLC przesyłane mogą być za pośrednictwem sieci ZigBee, a następnie przekazywane np. do zdalnych modułów I/O. Bramy ZigBee-Modbus stanowią natomiast punkt dostępowy do sieci ZigBee, przekształcając adresy standardu Modbus na adresy sieci ZigBee oraz konwertując dane przesyłane ze zdalnych urządzeń ZigBee na format Modbus. Przekształcenie to pozwala uniknąć konieczności stosowania urządzenia w pełni zgodnego ze standardem ZigBee jako głównego sterownika PLC lub innego elementu zarządzającego siecią.

Fot. 1. Moduł bramy ethernetowej ZG2400e Co na rynku? Jednym z produktów ZigBee jest brama ethernetowa ZG-2400E firmy Cirronet (fot. 1). Umożliwia ona konwersję danych i poleceń ZigBee na format TCP/IP. Ponadto pozwala na przesyłanie danych do urządzeń końcowych i routerów ZigBee. Moduł pracuje z częstotliwością 2,4GHz i mocą 100mW. Zakres jego temperatur pracy wynosi od –40°C do +70°C, a napięcie zasilania od 9 do 24VDC. W ofercie firmy dostępna jest również brama umożliwiająca integrację z sieciami pracującymi w standardzie Modbus. Fot. 2. Moduł modemu czujnika ZN-9001 Innym modułem ZigBee jest modem czujnika ZN-9001 (fot. 2) umożliwiający dołączenie sygnałów 4-20mA z 4 czujników. Ponadto możliwe jest dołączenie czujnika temperatury Pt100, a pomiary sygnału wejściowego dokonywane są przy pomocy przetwornika o rozdzielczości 12 bitów. Interfejs ZigBee modemu pracuje w zakresie częstotliwości od 868MHz do 928MHz, jako metodę modulacji zastosowano BPSK.

Zachować protokół sieciowy

Rys 2 Sieć automatyki przemysłowej zbudowana w oparciu o elementy ZigBee

Przykładowo, aby odczytać zerowy kanał przetwornika A/C modemu czujnika ZigBee, któremu w protokole Modbus przypisano adres 4, do bramy ZigBee-Modbus należy przesłać np. polecenie: 04 04 00 00 00 01. Aby zmienić stan wyjścia cyfrowego nr 1 modemu czujnika należy natomiast przesłać: 01 05 00 01 FF 00. Z punktu widzenia użytkownika jedyną zmianą jest zatem fakt, że transmisja odbywa się bezprzewodowo.

Przyszłość – wbudowane sieci ZigBee

Połączenie niezawodności transmisji danych z bardzo niskim kosztem urządzeń umożliwia skuteczne wprowadzenie komunikacji bezprzewodowej ZigBee w sieciach automatyki przemysłowej. Nie ma przy tym potrzeby wymiany wykorzystywanych wcześniej sterowników, czujników, elementów wykonawczych oraz oprogramowania. Możliwe jest również, że z czasem producenci podzespołów automatyki i sterowania będą dostarczali swoje produkty z już wbudowanymi nadajnikami i odbiornikami ZigBee. Takie innowacje z pewnością przyczynią się do popularyzacji omawianego standardu w aplikacjach przemysłowych.

ZigBee – jak to działa? Rys.3 Warstwy protokołu ZigBee Protokół ZigBee obejmuje zestaw warstw, przy czym niższe realizują określone usługi dla warstw wyższych. Udostępnianie interfejsu wyższym warstwom odbywa się poprzez punkty dostępowe usługi (Service Access Point). Protokół ZigBee (rys. 3) oparto na siedmiowarstwowym modelu OSI (Open System Interconnection), ale dla potrzeb standardu zdefiniowano jedynie te warstwy, które są konieczne do osiągnięcia wymaganej funkcjonalności. Dwie najniższe to fizyczna, określana jako PHY oraz dostępu do medium – MAC. Są one zgodne m.in. ze standardem IEEE 802.15.4-2003. Standard ZigBee definiuje również warstwy wyższe – są to w uproszczeniu warstwa sieci (NWK) oraz aplikacji (w niej podwarstwy obsługi aplikacji oraz definiowane przez producentów). Rys. 4 Pasma pracy urządzeń ZigBee Warstwa aplikacji ZigBee składa się z podwarstw: obsługi aplikacji APS, struktury aplikacji AF (Application Framework), i obiektów aplikacji definiowanych przez producentów. APS odpowiedzialna jest za utrzymywanie tablic, które umożliwiają autokonfigurację dwóch urządzeń, tak aby mogły one realizować usługi i odpowiadać na wzajemne żądania z zakresu transmisji. Ponadto przesyłanie danych pomiędzy urządzeniami krańcowymi sieci realizowane jest w podwarstwie APS. Obiekty w warstwie aplikacji definiują rolę urządzeń w obrębie sieci, określając je jako np. koordynator sieci lub urządzenie końcowe. Inicjują lub odpowiadają one na żądania i zapewniają bezpieczeństwo połączenia. Odpowiadają także również za odnajdywanie nowych, podłączonych do sieci urządzeń i ustalenie usług udostępnianych przez te urządzenia. Pasma pracy i format danych Wspomniany standard IEEE 802.15.4-2003 definiuje dwie warstwy fizyczne, pracujące w dwóch niezależnych pasmach częstotliwości - 868/915MHz oraz 2,4GHz. Dolne pasmo częstotliwości obejmuje zarówno pasma używane w Europie (868MHz), jak i wykorzystywane w takich krajach jak Stany Zjednoczone i Australia (915MHz). Natomiast częstotliwość 2,4 GHz wykorzystywana jest prawie na całym świecie. Podwarstwa MAC steruje dostępem do kanału radiowego, wykorzystując w tym celu metodę unikania kolizji CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access – Collision Avoidance). Warstwa ta może odpowiadać również za przesyłanie ramek informacyjnych, synchronizację oraz zapewnienie niezawodnego mechanizmu transmisji. Rys. 5 Format przesyłania danych W warstwie sieciowej ZigBee zaimplementowano procedury wykorzystywane do dołączania i odłączania urządzeń od sieci, metody zabezpieczające ramki oraz algorytmy przesyłania ramek do adresatów. Ponadto w warstwie sieciowej urządzenia koordynującego implementowane są mechanizmy uruchomienia sieci i przypisania adresów podłączanym urządzeniom. Obsługiwane topologie sieci Topologia sieci ustalana jest na poziomie warstwy sieciowej i może być typu gwiazdy, drzewa oraz siatki. W przypadku pierwszej z nich sieć kontrolowana jest za pośrednictwem pojedynczego urządzenia, a wszystkie pozostałe interfejsy, nazywane urządzeniami końcowymi, komunikują się z nim bezpośrednio. W przypadku topologii drzewa oraz siatki urządzenie koordynujące odpowiada jedynie za uruchomienie sieci i zdefiniowanie jej kluczowych parametrów. Warto zaznaczyć, że możliwe jest rozbudowywanie sieci z wykorzystaniem routerów ZigBee. W sieciach pracujących w topologii drzewa routery przesyłają dane i komunikaty kontrolne wykorzystując hierarchiczną strukturę routingu. Sieci pracujące w topologii siatki umożliwiają pełną komunikację typu „każdy z każdym”. Wykrywanie nowych urządzeń Rys. 6 Przykładowe topologie sieci ZigBee W celu wykrywania urządzeń w sieci generowane są zapytania, które rozsyłane są w całej sieci lub też adresowane indywidualnie. Dostępne są dwie formy żądań wykrycia urządzenia – żądania 64-bitowego adresu IEEE lub adresu NWK. Żądanie adresu IEEE dotyczy jednostkowego interfejsu i zakłada, że adres NWK jest znany. Żądanie NWK jest natomiast rozgłoszeniem wszystkich znanych adresów IEEE. Informacje przesyłane w odpowiedzi na żądania jednostkowe lub rozgłoszeniowe również różnią się od siebie. W przypadku urządzeń końcowych odpowiedzią będzie adres IEEE lub NWK, w zależności od typu żądania. Tymczasem urządzenia koordynujące i routery ZigBee przesyłają własne adresy IEEE lub NWK (odpowiednio) wraz z adresami wszystkich urządzeń przypisanych do nich. Przesyłanie oprogramowania W sieciach bezprzewodowych problemem może niekiedy okazać się aktualizacja firmware poszczególnych urządzeń. W przypadku ZigBee możliwe jest dokonywanie takiej aktualizacji poprzez za pomocą pobrania jej z sieci, czyli metodą określaną jako OAD (Over-Air Downloading). Do jej wykorzystania konieczne jest użycie lub stworzenie odpowiedniej aplikacji. W drugim z przypadków kluczowy jest wybór warstwy, w której zostanie ona zaimplementowana. Przykładowo implementacja obsługi OAD w warstwie aplikacji umożliwia wykorzystanie tabeli routingu, eliminując tym samym konieczność umieszczenia w tej samej podsieci źródła i urządzenia docelowego ZigBee. Obsługa OAD musi być w pełni odporna na błędy, takie jak problemy z transmisją – np. jej przerwanie przed ukończeniem transferu. Jeżeli nastąpi taka sytuacja, oprogramowanie urządzenia docelowego musi zapewnić prawidłową pracę czujnika. Jednocześnie żadna z przesyłanych części kodu nie może zacząć funkcjonować do momentu poprawnego zakończenia transmisji.

Grzegorz Wcisło, Zbigniew Piątek