Komunikacja Bluetooth w maszynach - sprawdzona w eksploatacji

Środa, 17 kwietnia 2013 | Technika

Bluetooth jest preferowaną technologią łączności bezprzewodowej, jeśli chodzi o proste i bezproblemowe wdrażanie systemów łączności radiowej w środowisku przemysłowym. Jak do tego doszło? To efekt doświadczeń związanych z dziesiątkami tysięcy zastosowań, w których ten standard łączności bezprzewodowej działał niezawodnie w wymagającym środowisku przemysłowym. W artykule wyjaśniamy, gdzie i dlaczego Bluetooth stał się technologią preferowaną.

Komunikacja Bluetooth w maszynach - sprawdzona w eksploatacji

Fot. 1. Bezprzewodowe łącze Ethernet/Profinet można szybko wdrożyć - na przykład w celu komunikacji z zespołami wysokiego składowania

Istnieje wiele czynników przemawiających za stosowaniem rozwiązań transmisji bezprzewodowej w automatyce przemysłowej. Takie są przykładowo oszczędności w kosztach pośrednich i bezpośrednich montażu oraz konserwacji systemów, zwiększony stopień elastyczności oraz łączność niewymagająca zachowania kontaktu fizycznego w aplikacjach, gdzie występuje ruch postępowy lub obrotowy.

Do zalet tych należy dodać korzyści dotyczące zastosowań w aplikacjach mobilnych w obszarach sterowania, obsługi i konserwacji. Użytkownicy stawiają rozwiązaniom bezprzewodowym tylko jedno wymaganie: łącze kablowe do oddalonych, mobilnych lub przesuwających się urządzeń powinno dać się łatwo zastąpić niezawodnym łączem radiowym.

Często to, co wydaje się proste w teorii, jest jednak znacznie bardziej złożone w praktyce. Na przykład aby uzyskać wysoki stopień dyspozycyjności dla danego zastosowania, łącze radiowe musi być bardzo mało wrażliwe na zakłócenia.

Ponieważ nośnik w transmisji bezprzewodowej danych, czyli powietrze, nie jest dostępny wyłącznie dla jednej aplikacji, przy wdrażaniu zadań automatyki należy uwzględnić również współistnienie innych aplikacji bezprzewodowych.

NIEZAWODNE, RÓWNOLEGŁE DZIAŁANIE KILKU SIECI BEZPRZEWODOWYCH

Rys. 1. Technologia Bluetooth wykorzystuje kanały, których nie używa sieć WLAN, dzięki czemu unika się wzajemnego zakłócania

W ostatnich latach system Bluetooth umocnił swoją pozycję optymalnej technologii dla bezprzewodowego sterowania w obszarze automatyki przemysłowej. Powodem tego jest możliwość jednoczesnego wykorzystania wraz z sieciami WLAN oraz fakt, że wiele sieci Bluetooth może pracować równolegle obok siebie.

Poza tym wiele praktycznych przykładów wykazało, że standard łączności bezprzewodowej Bluetooth spełnia wysokie wymagania niezawodnej transmisji danych - również w wymagającym środowisku przemysłowym. Jest to nieodłączna cecha jego sposobu działania. Bluetooth nie korzysta ze stałego kanału transmisji danych jak WLAN, ale rozdziela pasmo częstotliwości 2,4 GHz na 79 kanałów transmisji.

Mogą one się zmieniać do 1600 razy na sekundę. Bezbłędna komunikacja jest możliwa dzięki wysokiemu poziomowi redundancji kanałów transmisji - również przy wysokim poziomie zaburzeń w paśmie częstotliwości 2,4 GHz. Coraz szersze stosowanie technologii bezprzewodowych w zakładach przemysłowych sprawia, że zajętych jest coraz więcej częstotliwości transmisyjnych.

W takich sytuacjach Bluetooth zasługuje na uznanie, ponieważ pracuje on szczególnie efektywnie w przypadku niewielkich dostępnych pasm częstotliwości. Także wiele systemów Bluetooth może pracować równolegle bez zakłóceń dzięki wysokiej liczbie redundantnych kanałów transmisji oraz temu, że każdy kanał jest zajęty tylko przez kilka milisekund.

Poszczególne kanały transmisji można ręcznie wyłączyć, co oznacza, że częstotliwości można zaplanować i w konsekwencji przypisać stałe zakresy częstotliwości dla danej aplikacji. Jeśli na przykład zostaną zablokowane dla łączności Bluetooth zakresy częstotliwości używane przez maksymalnie trzy sieci WLAN, systemy WLAN i Bluetooth będą mogły działać obok siebie bez zakłóceń.

Również wtedy, gdy nie będzie ręcznych zmian w konfiguracji, mechanizm automatycznej koegzystencji systemów "Adaptive Frequency Hopping" (AFH - adaptacyjna, skokowa zmiana częstotliwości) zadba zawczasu, aby uniknąć zakłóceń, gdy Bluetooth będzie pracował w pobliżu systemów WLAN (rys. 1).

SZYBKA WYMIANA DANYCH WEJŚĆ/WYJŚĆ I KRYTYCZNE SYGNAŁY ALARMOWE

Rys. 2. W przeciwieństwie do Profisafe technologia SafetyBridge nie wymaga systemu kontroli bezpieczeństwa

W przeciwieństwie do klasycznych magistrali lokalnych, sieci Ethernetu przemysłowego umożliwiają szybkie i ekonomiczne wdrożenie bezprzewodowej transmisji danych. W szczególności szybką wymianę danych wejść/wyjść z jednoczesnym przesyłaniem krytycznych sygnałów alarmowych do kategorii SIL 3 według IEC 61508 zapewnia technologia Profinet.

Jest to możliwe dzięki temu, że w niej oraz w nowej technologii SafetyBridge firmy Phoenix Contact można włączyć komunikację dotyczącą bezpieczeństwa niezależnie od kanału transmisji danych (rys. 2). Aby to osiągnąć, dane dotyczące bezpieczeństwa są umieszczane w ramce danych za pomocą niezależnego mechanizmu bezpieczeństwa, zagnieżdżonego w standardowym telegramie systemu komunikacyjnego i następnie wysyłane.

Switche lub moduły bezprzewodowe, używane w niezależnym kanale do transferu danych niedotyczących bezpieczeństwa (black channel), nie wymagają zgodności z normą IEC 61508. Jeśli wystąpi błąd komunikacji lub przekroczenie czasu oczekiwania, system jest przełączany do stanu bezpiecznego - tzn. aplikacja jest całkowicie zamykana.

Aby zapewnić wysoki stopień dyspozycyjności, bezwzględnie konieczne jest stosowanie odpornej na zaburzenia i niezawodnej technologii bezprzewodowej, takiej jak Bluetooth. Dlatego Organizacja Użytkowników Profinet (PNO - Profibus User Organization) wyznaczyła Bluetooth do transmisji bezprzewodowej Profinet i przyjęła go w standardach magistrali lokalnych IEC.

Prosta i przystępna cenowo instalacja bezpośrednio w rejonie eksploatacji

Ethernet Port Adapter FL BT EPA firmy Phoenix Contact ustanawia odporne na zaburzenia bezprzewodowe połączenie z systemami sterowania lub modułami wejść/wyjść (rys. 3), które jest zgodne ze standardami Ethernet/Profinet/Profisafe. Szyfrowane połączenie bezprzewodowe dwóch urządzeń Ethernet Port Adapter (EPA) konfiguruje się w czasie krótszym niż jedna minuta za pomocą przycisku wyboru trybu i funkcji autokonfiguracji.

Dane są przesyłane niezależnie od protokołu w warstwie drugiej, co umożliwia proste zintegrowanie z sieciami Ethernetu przemysłowego, takimi jak Profinet, Modbus/TCP lub Ethernet/IP. W przypadku tego pierwszego dane są przesyłane w trybie Profinet z najwyższym priorytetem. Moduły bezprzewodowe dostępne są w przystępnych cenach i można je łatwo instalować bezpośrednio w obszarach ich wykorzystania.

Mają one specjalne anteny o polaryzacji kołowej i wytwarzane są w kompaktowych obudowach o stopniu ochrony IP65. Antena ta zapewnia stabilne połączenie bezprzewodowe w trudnych środowiskach przemysłowych, szczególnie takich, gdzie występuje dużo maszyn i powierzchni metalowych powodujących odbicia sygnału.

SZEROKI ZAKRES ZASTOSOWAŃ

Rys. 3. Adaptery sieci Bluetooth FL BT EPA umożliwiają bezprzewodowe włączenie stacji wejść/wyjść bezpieczeństwa w sieć Profinet

W 2008 roku firma Phoenix Contact rozbudowała swoje centrum logistyczne. Komunikacja Profinet z pojazdami wysokiego składowania w ośmiu nawach została stworzona na bazie technologii Bluetooth za pośrednictwem łącza radiowego punkt-punkt dla każdej nawy. Rozwiązanie zostało wybrane przez menedżerów Phoenix Contact, ponieważ w porównaniu z alternatywnymi systemami transmisji jest znacznie ekonomiczniejsze i nie wymaga konserwacji.

Ponadto dane logistyczne można przesyłać również do systemu SAP. Jednocześnie osiem niezależnych łączy radiowych może pracować bardzo blisko siebie, a praca istniejącego systemu WLAN, który używany jest w układach sortowania, nie jest zakłócana. Innym przykładem jest system w fabryce ciężarówek MAN w Niepołomicach w pobliżu Krakowa, gdzie od października 2007 roku montuje się samochody ciężarowe o masie powyżej 16 ton.

Zastosowany w zakładowym systemie transportu technologicznego Bluetooth zapewnia niezawodną i bezbłędną komunikację z układem przenośnika podwieszonego. O wyborze rozwiązania Bluetooth zadecydowały jego prosta integracja z siecią automatyki oraz możliwość równoległego działania kilku systemów Bluetooth wspólnie z sieciami WLAN.

Dział IT w zakładach MAN wymagał ustalenia zakresów częstotliwości przydzielonych do różnych aplikacji. System Factory Line firmy Phoenix Contact spełniał te wymagania dzięki zaimplementowaniu funkcji Black Channel Listing (BCL) i funkcji trybu niskiej emisji (Low Emission Mode - LEM). Od momentu oddania do eksploatacji w końcu 2007 roku nie wystąpiły dotychczas żadne błędy ani zakłócenia w działaniu.

PODSUMOWANIE

Technologie bezprzewodowe stosuje się obecnie w wielu aplikacjach automatyki przemysłowej. Sceptycyzm względem bezprzewodowych technik transmisji danych, dominujący w początkowych latach ich stosowania, zmalał, czego odzwierciedleniem jest wzrastające zapotrzebowanie na rozwiązania bezprzewodowe.

Zmiana ta jest również wynikiem niezawodności systemu Bluetooth, który został zweryfikowany w praktyce. Kilkadziesiąt tysięcy aplikacji bezprzewodowych już od dawna działających bezproblemowo świadczy o tym, że rozwiązania bezprzewodowe mogą rzeczywiście działać tak długo, jak deklarują ich twórcy.

Głównymi racjami tak szybkiego umocnienia się pozycji technologii Bluetooth są odporność na zakłócenia w środowisku przemysłowym oraz prosta i szybka implementacja. Innym aspektem, którego nie można pominąć, jest współistnienie Bluetooth z systemami WLAN, co często ma niemałe znaczenie, zwłaszcza dla menedżerów IT.