Wi-fi w przemyśle

Ilość danych przesyłanych w zakładach przemysłowych nieustannie rośnie. Powodem tego jest m.in. wykorzystanie coraz precyzyjniej sterowanych urządzeń kontrolujących procesy technologiczne, ale też cyfrowych urządzeń pomiarowych. Większą przepustowość można łatwo zapewnić, stosując coraz wydajniejsze systemy przesyłu danych, jak np. Ethernet gigabitowy, którego koszty wdrożenia są coraz niższe. System komunikacyjny to jednak nie tylko modemy, karty sieciowe czy routery – należą do nich również kable, gniazda i podobne elementy.

W przewodowych systemach transmisyjnych samo okablowanie, a także jego instalacja – wykonanie kanalizacji kablowej, przepustów, szaf krosujących. itp. stanowią znaczną część kosztów wdrożenia. Czasami też prowadzenie kabla pomiędzy dwoma punktami jest niemożliwe lub nieopłacalne. Wymaga ono dużego nakładu inwestycyjnego, a w razie awarii (zawilgocenie kabla, przypadkowe uszkodzenie) może generować duże koszty.

Problemy takie nie występują w przypadku stosowania komunikacji bezprzewodowej, co przyczynia się do jej szybkiej popularyzacji w wielu aplikacjach. Zalety łączności bezprzewodowej ważne są też w przypadku zastosowań przemysłowych, gdzie sieci tego typu zaczęto wykorzystywać na szeroką skalę. Do najpopularniejszych stosowanych w przemyśle należą m.in. Wi-Fi, Zig- Bee, Bluetooth, WirelessHART, ale też sieci komórkowe i radiomodemowe. W artykule opisano przede wszystkim pierwszą z nich – Wi-Fi, co poprzedzone zostało informacjami o innych rozwiązaniach.

ROZWIĄZANIA ODPOWIEDNIE DO APLIKACJI

Wśród szeregu standardów komunikacji bezprzewodowej (patrz schemat) wyróżnić można, oprócz Wi-Fi, kilka rozwiązań popularnych w zastosowaniach przemysłowych. Jednym z nich jest ZigBee, rozwijany przez ZigBee Alliance. Celem tej organizacji, która zrzesza największych producentów sektora elektroniki, było stworzenie energooszczędnej technologii pozwalającej na zdalny monitoring procesów przemysłowych.

W ten sposób powstał przyjęty przez IEEE standard 802.15.4. Specyfikacja, oficjalnie przyjęta w 2004 roku, jest podstawą tworzenia sieci, które nie wymagają dużych prędkości transmisji danych, a priorytetem jest jak najmniejszy pobór energii i koszt wdrożenia. Dlatego ZigBee jest kojarzony głównie z sieciami czujnikowymi, które dane pomiarowe transmitują w określonych odstępach czasu i na odległości do kilkudziesięciu metrów. Standard przewiduje trzy prędkości transmisji: 250kb/s w paśmie 2,4GHz, 40kb/s przy częstotliwości 915MHz oraz 20kb/s przy 868MHz.


Rys. 1. Wybór standardu sieci bezprzewodowej jest zawsze kompromisem – im wyższa prędkość transmisji, tym większy pobór energii i koszt wdrożenia, ale też często mniejszy zasięg		Rys. 2. Wi-Fi umożliwia łatwą integrację różnych urządzeń w przemysłowych sieciach komunikacyjnych


AES – symetryczny szyfr blokowy; umożliwia użycie kluczy 128-, 192- i 256-bitowych; może operować na blokach o zmiennej długości i kluczach o zmiennej długości. TKIP – protokół wykorzystywany do zabezpieczenia transmisji bezprzewodowej – korzysta z algorytmów RC4 i wymusza zmianę klucza co 10 tys. przesyłanych pakietów. WEP – standard kodowania informacji, w którym stosowane są klucze statyczne. WPA – bardziej zaawansowany standard kodowania informacji, w którym występuje cykliczna zmiana klucza. Dzieli się na Enterprise (użycie serwera RADIUS) oraz Personal (jeden klucz współdzielony); WPA korzysta z TKIP. WPA2 – algorytm szyfrowania z wykorzystaniem 128-bitowych kluczy, o rozszerzonym uwierzytelnianiu i wykorzystaniu AES.

Na drugim końcu osi przedstawionego schematu, jeżeli chodzi o zasięg transmisji, jest komunikacja z wykorzystaniem sieci GSM. Tego typu technologie również znajdują zastosowanie w przemyśle, szczególnie że w ostatnich latach nastąpił w tym zakresie znaczący postęp.

Wprowadzono kolejne generacje standardów, w których zwiększono szybkość transmisji. Plusem komunikacji przy użyciu sieci komórkowych jest duży zasięg oraz większy stopień zabezpieczenia poufności, wadą natomiast opłaty należne operatorowi sieci i wciąż relatywnie nieduże prędkości transmisji. Tego typu rozwiązania są jednak od lat z powodzeniem stosowane w systemach zdalnego odczytu i kontroli, gdzie konieczne jest przesyłanie niewielkich ilości informacji na duże odległości.

W zastosowaniach przemysłowych szeroko stosowane są też radiomodemy pracujące w paśmie ISM. Zapewniają one prędkość transmisji rzędu kilkuset kb/s i są uważane za rozwiązanie konkurencyjne dla sieci komórkowych. Sprawdzają się szczególnie w przypadku obiektów wodno-kanalizacyjnych i różnych rozłożonych obszarowo zakładów.

802.11, CZYLI WI-FI

Ze względu na popularyzację w zastosowaniach IT oraz konsumenckich, 802.11 to prawdopodobnie jeden z najlepiej znanych na świecie standardów komunikacji bezprzewodowej. Obecnie najbardziej popularne jego odmiany to wersja 802.11a o maksymalnej prędkości transmisji do 54Mb/s, 802.11b z szybkością transmisji do 11Mb/s (jest to jedna z pierwszych wersji tego standardu, opracowana w 1997 roku) oraz 802.11g – pracująca z maksymalną prędkością do 54 Mb/s. Transmisja Wi-fi wykorzystuje głównie modulację z rozpraszaniem widma (w 802.11b) z pseudolosowymi przeskokami częstotliwości FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) lub z bezpośrednim rozpraszaniem widma ciągiem pseudolosowym DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) oraz modulację OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) (w 802.11 a i g).

Tabela. Porównanie wybranych parametrów Wi-Fi i sieci komórkowych
	Wi-Fi	Sieci komórkowe
Zasięg	Od 100 do 300m	Do 30km w zależności od rozmieszczenia stacji bazowych
Prędkość transmisji	Do 54Mb/s	Zależna od typu sieci
Niezawodność	W zależności od instalacji i warunków otoczenia	W zależności od operatora, zwykle duża
Bezpieczeństwo	Zapewnienie bezpieczeństwa wymaga wdrożenia dodatkowych środków	W zależności od operatora
Instalacja, utrzymanie	Wymaga dodatkowych inwestycji w infrastrukturę sieciową	Odpowiedzialność po stronie operatora

Aktualnie zdecydowanie najszerzej wykorzystywaną wersją Wi-Fi jest 802.11g. Na drugim i trzecim miejscu pod względem popularności znajdują się odpowiednio wersje 802.11b i 802.11a. W przyszłości, zdaniem analityków, popularyzować się będą z kolei urządzenia typu 802.11n (przepustowość do 250Mb/s) oraz te zgodne z kolejnymi wersjami standardu, nad którymi pracuje organizacja Wi-fi Alliance.

PROBLEMY Z WI-FI


Tabela. Wpływ różnych materiałów konstrukcyjnych na transmisję w sieciach Wi-Fi
Materiał	Wpływ
powietrze	minimalny
drewno	niski
materiały syntetyczne	niski
azbest	niski
szkło	niski
woda	średni
cegła	średni
marmur	średni
żelbet	wysoki
metal	bardzo wysoki

O ile w warunkach przemysłowych szybkość transmisji osiągalna w sieciach Wi-fi jest wystarczająca, o tyle warto zwrócić uwagę na inne problematyczne kwestie. Zgodnie ze specyfikacją zasięg tej sieci wynosić może nawet 250 metrów (dla 802.11n), typowo jest to jednak mniej – od kilkudziesięciu do 100 metrów.

W pewnych zastosowaniach przemysłowych – np. w sieciach w obrębie dużej hali, magazynu lub rozległej fabryki może być to niewystarczające, co pociąga za sobą konieczność stosowania dodatkowych urządzeń sieciowych.

Drugą kwestią są zakłócenia transmisji, które jako poważny problem w użytkowaniu sieci bezprzewodowych wymieniło 41% ankietowanych w cytowanym w artykule badaniu przeprowadzonym przez VDC Re search Group.

Informacje w sieci Wi-fi przesyłanie są w paśmie udostępnionym do publicznego, nielicencjonowanego użytku. Jest to niewątpliwą zaletą, ponieważ dzięki temu nie są konieczne żadne dodatkowe opłaty, z drugiej strony w warunkach gdy na jednym terenie pracować ma wiele urządzeń korzystających z tego samego zakresu częstotliwości, wystąpić mogą problemy.

Oprócz możliwości przypadkowych zakłóceń w transmisji bezprzewodowej, pod uwagę należy też brać celowe działanie na szkodę oraz chęć nieuprawnionego dostępu do transmitowanych informacji.

W przypadku np. przesyłu danych pomiarowych kluczowych dla procesu sterowania w zakładzie przemysłowym taka sytuacja może mieć poważne konsekwencje. Dlatego jedną z największych obaw, jakie od początku towarzyszą wdrażaniu technologii sieci bezprzewodowych, są właśnie kwestie zachowania bezpieczeństwa transmisji.

Wraz z rozwojem standardu Wi-Fi wprowadzano kolejno różne technologie zabezpieczeń. Pierwsze próby zapewnienia poufności transmisji nie należały jednak do udanych. W związku z tym kwestia zabezpieczeń jest powszechnie kojarzona jako słaby punkt specyfikacji 802.11. Opinii tej nie zmienia nawet fakt, że obecnie stosowane algorytmy zapewniają już wystarczająco wysoki poziom bezpieczeństwa.

Piotr Sabak

Elmark Automatyka

Jak rozwija się rodzimy rynek przemysłowych sieci bezprzewodowych?

Sieci bezprzewodowe to obecnie jedna z najprężniej rozwijających się dziedzin komunikacji przemysłowej. Prostota instalacji oraz wygoda stosowania urządzeń Wi-Fi sprawiają, że coraz więcej aplikacji przemysłowych wykorzystuje łączność bezprzewodową. Stąd też oferta urządzeń radiowych dostępnych na polskim rynku jest coraz bogatsza, ponadto urządzenia te są coraz bardziej zaawansowane technologicznie, nie ustępując pod względem funkcjonalnym urządzeniom typowo cywilnym.

Jakiego rodzaju rozwiązania cieszą się największą popularnością? W jakich branżach?

Sieci bezprzewodowe stosowane są praktycznie we wszystkich branżach automatyki, gdzie niemożliwe jest wykorzystywanie kabli. Często także projektanci decydują się na połączenia radiowe ze względów ekonomicznych – zestawienie łącza na odległość kilkunastu kilometrów za pomocą urządzeń Wi-Fi jest tańsze niż stosowanie połączeń kablowych. W tego typu aplikacjach zastosowanie znajdują punkty dostępowe dedykowane do pracy w warunkach zewnętrznych, cechujące się wysokim stopniem ochrony IP oraz odpornością na trudne warunki pracy.

Jakie trendy technologiczne można zaobserwować?

Rynek rozwiązań bezprzewodowych rozwija się bardzo dynamicznie, stąd też nowinek technologicznych wciąż przybywa. Na pewno należy wymienić możliwość pracy w najnowszym standardzie IEEE 802.11 n, umożliwiającym transmisję z prędkością do 300Mb/s. W aplikacjach wykorzystujących urządzenia mobilne ważną kwestią jest wsparcie dla protokołów ułatwiających przełączanie klienta pomiędzy różnymi punktami dostępowymi rozlokowanymi na terenie pokrytym siecią bezprzewodową (np. protokół Turbo Roaming). Ponadto producenci urządzeń bezprzewodowych oferują coraz lepsze anteny o zysku umożliwiającym przesyłanie danych na znaczne odległości, nawet ponad 20 kilometrów.