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
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.
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.
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. |
BEZPIECZEŃSTWO TRANSMISJI
Pierwszą próbą zabezpieczenia przesyłanych informacji było kodowanie WEP (Wired Equivalent Privacy), jednakże ten typ zabezpieczenia – porównywalny z zabezpieczeniem przewodowej wersji Ethernetu, okazał się niewystarczający. Zastosowano w nim statyczne klucze kodujące o różnej długości, które wybierane były przy konfiguracji urządzenia. Sam klucz generowany był na podstawie podanego hasła.
|
Pasmo 2,4GHz
|
Lepszym rozwiązaniem okazało się WPA (Wi-fi Protected Access). Tego typu zabezpieczenie oparte jest o analogiczny typ kodowania co WEP, lecz wzbogacono je m.in. o uwierzytelnianie i klucze dynamiczne.
Istnieją tutaj dwa poziomy uwierzytelniania – klucz współdzielony dla systemów o mniejszych wymaganiach bezpieczeństwa oraz, dla wyższych poziomów, standard IEEE 802.1x zapewniający bezpieczne połączenie pomiędzy klientem a serwerem uwierzytelniającym, takim jak RADIUS (Remote Authentication Dial-In User Service).
Serwer ten odpowiedzialny jest za weryfikację klienta i dopuszczenie go do zasobów sieci. Właśnie taki poziom jest najczęściej stosowany w przedsiębiorstwach. Kolejnym ważnym sposobem zabezpieczenia jest używanie kluczy dynamicznych, które są cyklicznie zmieniane. Stosowany jest tutaj TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), który generuje klucze.
Chociaż WPA jest dobrym sposobem zabezpieczania sieci i zapewnia wysoki poziom ochrony, jest ono wrażliwe na bardziej zaawansowane ataki z powodu wykorzystania kodowania pochodzącego z poprzedniego standardu, tj. WEP.
Z tego też powodu w przypadkach, gdy konieczny jest bardzo wysoki poziom zabezpieczenia sieci, WEP i WPA nie są wystarczające. Dlatego też komitet IEEE opracował nowy standard bezpieczeństwa: 802.11i, znany również jako WPA2.
WPA2, CZYLI PEŁNE BEZPIECZEŃSTWO
W przypadku WPA2 korzysta się z algorytmu szyfrowania AES (Advanced Encryption Standard), który jest, zdaniem wielu ekspertów ds. bezpieczeństwa, nie do złamania w typowych warunkach.
WPA2 również utrzymuje wysoki poziom kontroli dostępu poprzez zastosowanie 802.1x do komunikacji z serwerem uwierzytelniającym. Wykorzystywana metoda wstępnego uwierzytelniania umożliwia urządzeniu klienta połączenie z jednym punktem dostępowym w trakcie połączenia z innym.
Pozwala to klientowi na przełączanie pomiędzy punktami dostępu niezauważalnie, bez utraty połączenia. Jest to szczególnie istotne w przypadku urządzeń mobilnych takich jak laptopy, palmtopy, itp., które nie muszą kończyć kontaktu z dotychczasowym punktem dostępowym, aby nawiązywać połączenie z innym, nowym punktem.
Nie należy również zapominać o najprostszych metodach zabezpieczenia i utrudniania dostępu niepożądanym klientom: filtrowaniu adresów MAC urządzeń sieciowych oraz o blokadzie rozgłaszania identyfikatora SSID.
Jeszcze inną metoda zabezpieczania sieci bezprzewodowych jest stosowanie sieci wirtualnych VPN (Virtual Private Networks), gdzie pakiety są "tunelowane" pomiędzy klientem a punktem dostępowym.
BUDOWA PRZEMYSŁOWEJ SIECI WI-FI
Komunikacja bezprzewodowa w warunkach przemysłowych wymaga rozważenia pewnych kwestii technicznych pod kątem innym niż w przypadku tworzenia typowej sieci domowej lub biurowej.
Przede wszystkim, inaczej niż ma to miejsce w przypadku współczesnych komputerów przenośnych, interfejs do komunikacji bezprzewodowej nadal rzadko jest elementem wbudowanym urządzenia przemysłowego.
O ile część komputerów przemysłowych lub paneli operatorskich ma tego typu układ, w przypadku czujników, elementów wykonawczych i wielu innych urządzeń, które sterowane są często z wykorzystaniem komunikacji szeregowej lub ethernetowej, konieczne jest zastosowanie dodatkowych elementów, takich jak bezprzewodowe serwery portów szeregowych.
| Tabela. Zestawienie podstawowych parametrów standardu IEEE 802.11 | ||||
| Wersja | Częstotliwość | Modulacja | Przepustowość | Zasięg |
| 802.11a | 5GHz | OFDM | do 54Mb/s | 35–120m |
| 802.11b | 2,4GHz | DSSS, FHSS | do 11Mb/s | 38–140m |
| 802.11g | 2,4GHz | DSSSS, OFDM | do 54Mb/s | 38–140m |
| 802.11n | 2,4GHz lub 5GHz | OFDM | do 250Mb/s | 70–250m |
Ważnym zagadnieniem jest też wybór architektury. Większość sieci Wi-fi pracuje w tzw. trybie infrastruktury, w którym węzły sieci komunikują się między sobą za pośrednictwem punktu dostępowego, fizycznie połączonego z główną siecią przewodową. Innym rozwiązaniem jest sieć, w której węzły komunikują się bezpośrednio między sobą, czyli w trybie ad hoc. Jest to odpowiednie podejście np. w sieci biurowej, w której kilka komputerów chce współdzielić zasoby bezprzewodowo. W rozwiązaniach przemysłowych tryb ad hoc może być wykorzystany w zamkniętej sieci, która nie wymaga centralnego zarządzania. Większość aplikacji potrzebuje jednak w tym przypadku centralnego sterowania, stąd często wybierany jest tryb infrastruktury.
|
Case study: bezprzewodowe sterowanie dźwigami portowymi Dźwigi transportujące kontenery z ładunkiem na statek dotychczas sterowane były z wykorzystaniem sieci przewodowej. Ze względu na specyfi kę aplikacji, gdzie wymagana jest duża swoboda operowania dźwigiem, stosowanie dodatkowego okablowania jest problematyczne. Z tego powodu w systemie takim z powodzeniem zastosowana może być transmisja bezprzewodowa. W wykorzystywanym rozwiązaniu punkt dostępowy pracujący jako klient umieszczany na ruchomym ramieniu dźwigu. Operator maszyny steruje ramieniem, korzystając z innego punktu dostępowego, który pracujące w trybie AP. W opisywanej aplikacji można wykorzystać przykładowo punkt dostępowy AWK-3121 firmy Moxa. Jest on przeznaczony do zastosowania w trudnych warunkach. Zakres temperatur pracy wynosi od 0 do 60ºC w wersji standardowej i od -40 do 75ºC w wykonaniu specjalnym. |
|
Case study: automatycznie sterowane wózki magazynowe Sieci Wi-Fi można wykorzystać także w sterowaniu bezobsługowymi wózkami magazynowymi. W tym przypadku wymagane jest centralne zarządzanie ruchem poszczególnych pojazdów w czasie rzeczywistym. Jednostka główna na podstawie danych z czujników wózka wyznacza jego pozycję oraz kieruje pojazdem i jednocześnie przesyła informacje o jego położeniu do centralnego systemu zarządzania, który w czasie rzeczywistym śledzi pozycję wszystkich wózków znajdujących się w danym obszarze. Aby uniknąć kolizji, konieczna jest także możliwość aktualizacji trasy na bieżąco. Chwilowa utrata danych również nie jest akceptowalna, więc konieczne jest przechowywanie wysyłanych informacji w buforze. |
|
Case study: sieć bezprzewodowa w rafinerii W rozległych zakładach przemysłowych, w szczególności w rafineriach, centra sterowania mogą się znajdować w kilku miejscach na terenie całego zakładu. Pracują one często jako niezależne „wyspy” z ograniczoną wzajemną łącznością. Jednocześnie na obszarze zakładu rozproszone są też różne inne urządzenia, takie jak np. zawory i czujniki, które muszą komunikować się z systemem nadrzędnym. Aby efektywnie przesyłać informacje pomiędzy tymi elementami i systemami, trzeba stworzyć sieć pozwalającą na bezpieczną i niezawodną transmisję danych. W takich przypadkach rozwiązaniem może być wykorzystanie do komunikacji z oddalonymi stacjami sieci bezprzewodowych – w szczególności takich, gdzie zaimplementowana została odpowiednia obsługa błędów. Zdalna kontrola urządzeń znajdujących się w różnych miejscach zakładu to nie jedyne zastosowanie sieci bezprzewodowej w rafinerii. Częstą aplikacją jest tutaj pomiar poziomu cieczy w zbiornikach. W rafi- nerii, która dziennie produkuje 150 tys. baryłek ropy, zbiorników takich może być nawet ponad 50. Są to duże zbiorniki o wysokości i szerokości rzędu kilkunastu metrów, które zazwyczaj rozmieszczone są wokół zakładu w różnej odległości – od kilkuset metrów do kilku kilometrów. Precyzyjne monitorowanie objętości ropy w zbiornikach jest niezwykle ważne – zarówno z powodów ekonomicznych, jak i środowiskowych (np. ze względu na zagrożenie wyciekiem). Tradycyjny sposób pomiaru polega na odczycie poziomu wypełnienia zbiornika przez pracownika oddelegowanego do tego zadania. Dane te są następnie przekazywane operatorowi, który w zależności od odczytu uruchamia lub zatrzymuje pompę. Taka metoda jest jednak kosztowna i niewydajna. Z tego powodu coraz częściej wykorzystuje się zdalne odczyty i kontrolę poziomu w zbiornikach. Do pomiaru poziomu cieczy w zbiorniku można wykorzystać np. czujnik Enraf Smart- Radar firmy Honeywell. Dokładność pomiaru tego urządzenia wynosi 3mm w całym zakresie pomiarowym. Czujnik pracować może w szerokim zakresie temperatur – od –40°C do 80°C. Problemem okazuje się jednak transmisja danych. W opisywanym przykładzie, w zakładzie, w którym znajduje się 50 takich zbiorników, koszt okablowania światłowodowego niezbędnego do połączenia z czujnikiem można oszacować nawet na kilkaset tysięcy dolarów lub więcej. Jednocześnie przygotowania niezbędne do budowy takiej instalacji przewodowej zajęłyby kilka miesięcy. Dlatego dużo lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie komunikacji bezprzewodowej. W tym celu można wykorzystać bezprzewodowy przyrząd pomiarowy XYR 6000 (również firmy Honeywell) przesyłający dane pomiarowe do centralnego punktu sterowania. |
| Janusz Szeląg Dział Techniczny, Tekniska Polska
Z uwagi na specyfi czne warunki panujące w środowiskach przemysłowych, wykonanie niezbędnego okablowania sieciowego jest często bardzo kosztowne lub wręcz niemożliwe. W takich przypadkach ekonomicznie uzasadnionym, a czasem jedynym rozwiązaniem jest wykorzystanie technologii bezprzewodowej. Jak dotąd, z uwagi na duże koszty i perturbacje związane z uzyskaniem licencji, najczęściej stosowane były urządzenia pracujące w nielicencjonowanych pasmach ISM (Industrial, Scientifi c & Medical). Obecnie procedury przyznawania częstotliwości zostały uproszczone, a koszty licencji znacznie zredukowane. Dzięki temu technologia bezprzewodowa coraz częściej wykorzystywana jest również w tych aplikacjach, w których ze względu na ograniczenia, jakim podlegają pasma ISM (moc nadajnika i czas aktywności), wcześniej nie była brana pod uwagę.
W aplikacjach radiowych, podobnie jak w przewodowych, coraz częściej stosowane są rozwiązania wykorzystujące Ethernet. Znajdują one zastosowanie w rozproszonych systemach sterowania, monitoringu, kontroli procesów, wizualizacji. Wykorzystywane są w wielu różnych gałęziach przemysłu. Między innymi w systemach transportowych, przemyśle chemicznym, spożywczym, dystrybucji ropy i gazu oraz energetyce. Szeroko stosowane są również bezprzewodowe urządzenia I/O, pozwalające na transmisję sygnałów cyfrowych, analogowych i licznikowych oraz bezprzewodowe bramki zapewniające komunikację w rozproszonych aplikacjach pracujących z różnymi protokołami transmisji. Rozwiązania te wykorzystywane są między innymi w stacjach pogodowych, przepompowniach, systemach kontroli poziomu i jakości wody, systemach alarmowych i przeciwpożarowych.
Transmisja bezprzewodowa dotychczas wzbudzała wątpliwości z punktu widzenia bezpieczeństwa. Dzięki nowoczesnym technologiom szyfrowania i zabezpieczania transmisji, staje się coraz bardziej popularna. Obserwujemy wzrost zapotrzebowania na różnego rodzaju routery bezprzewodowe, zarówno Wi-Fi, jak i GPRS/ EDGE/HSDPA. W przypadku Wi-Fi coraz częściej wykorzystywane są urządzenia pracujące w paśmie 5GHz (IEEE 802.11a). |
NIEZAWODNOŚĆ TRANSMISJI
Kolejną kwestią jest zagwarantowanie odpowiedniego obszaru pokrycia sieci i możliwie niezawodnych połączeń w obrębie tego terenu. Optymalną liczbę punktów dostępowych oraz ich rozmieszczenie najlepiej wyznaczać na podstawie badań w terenie. Polegają one na pomiarach oraz analizie sygnałów w sieci Wi-Fi w rzeczywistych warunkach. W przypadku aplikacji przemysłowych testy takie są decydujące dla zapewnienia odpowiednich parametrów transmisji.
W sieciach takich, w przeciwieństwie do domowych lub biurowych, zazwyczaj niedopuszczalne jest przerwanie połączenia lub nieprzewidziane zmiany jego parametrów. Dlatego też na wstępie przewidzieć trzeba m.in. jak różne budowle i materiały konstrukcyjne wpływają na jakość transmisji (patrz tabela), a następnie przeprowadzić odpowiednie testy w terenie, sprawdzając wpływ potencjalnych źródeł zaburzeń transmisji.
Globalny rynek przemysłowych sieci bezprzewodowych – perspektywyFirma VDC Research przedstawiła w 2008 roku raport dotyczący infrastruktury w zakresie sieci kablowych oraz bezprzewodowych. Zgodnie z wynikami opracowania globalny rynek przemysłowych sieci przewodowych może w najbliższych latach wrosnąć z poziomu 1,87 mld dolarów w 2007 roku do 5,6 mld dolarów w 2012 roku (średnie roczne tempo rozwoju – CAGR – wyniesie 24,6%). Wyniki analizy zawierają również bardzo pozytywną prognozę dla rynku sieci bezprzewodowych. Wartość tego sektora może wzrosnąć z 299 mln dolarów w 2007 roku do prawie miliarda dolarów za 3 lata. Wśród głównych przyczyn takiego wzrostu wymienia się nie tylko powszechnie znane zalety komunikacji bezprzewodowej, ale również zwiększanie się świadomości użytkowników w zakresie wdrażania tej technologii. Nie bez znaczenia pozostaje też zwiększenie zaufania w zakresie niezawodności i bezpieczeństwa transmisji w sieciach bezprzewodowych. Jednocześnie prognozowany jest spadek średnich cen sprzedaży komponentów sieciowych, co z pewnością także wpłynie na popularyzację tej metody komunikacji. W przeciwieństwie do rynku domowych sieci bezprzewodowych, sektor sieci przemysłowych najszybciej rozwija się w USA. Znacznie wolniej technologia ta przyjmuje się w Europie oraz na Środkowym Wschodzie i w Afryce. Analitycy upatrują przyczynę tego stanu rzeczy w kryzysie gospodarczym, który rozpoczął się w USA. W związku z tym to właśnie firmy w tym regionie znalazły się nagle pod olbrzymią presją ograniczania kosztów i zwiększania wydajności. Wdrożenie sieci bezprzewodowych okazało się jednym z częściej wybieranych sposób na redukcję zbędnych kosztów. Podobny wzrost zainteresowania łącznością bezprzewodową w przemyśle wkrótce, zdaniem analityków z VDC Re search Group, będzie można zaobserwować w regionie Azji i Pacyfiku. Mimo to rynek amerykański pozostanie największym i sytuacja taka utrzyma się prawdopodobnie przez kilka najbliższych lat. |
| Tabela. Prognozy rozwoju rynku infrastruktury przemysłowych sieci bezprzewodowych (dane w mln dolarów, źródło:VDC, prognoza z 2008 roku) | |||
| Region | 2007 | 2012 | CAGR |
| Ameryka | 179,5 | 530,4 | 24,2% |
| EMEA | 80,5 | 239,4 | 24,4% |
| Azja-Pacyfik | 39,3 | 158,3 | 32,1% |
| Całkowity | 299,3 | 928,1 | 25,4% |
W zależności od tego, czy dane urządzenie pracujące w trybie infrastruktury będzie mobilne, rozważyć należy przełączanie od jednego do drugiego punktu dostępowego, czyli tzw. roaming. Aplikacje przemysłowe często wymagają większej kontroli tej operacji niż w "zwykłych" sieciach Wi-Fi. Czasem konieczne jest utrzymanie połączenia z danym punktem dostępowym tak długo, jak długo poziom sygnału mieści się w dopuszczalnym zakresie.
|
Na rynku polskim produkty do tworzenia bezprzewodowych sieci przemysłowych znaleźć można u dystrybutorów specjalizujących się w tego typu urządzeniach oraz u kompleksowych dostawców automatyki, jak np. w firmie Siemens. Przykładowe produkty to: Advantech EKI-1352 Serwer dwóch portów szeregowych RS-232/422/485 Moxa AWK-3121 Urządzenie do tworzenia sieci bezprzewodowych pracujące jako Access Point, AP Client, Bridge Phoenix Contact FL WLAN 24 DAP 802-11 Podwójny punkt dostępowy Siemens Scalance W-780 Bridge / Router, Access Point / Client / WDS |
Jeżeli jednak ostatecznie okaże się, że mimo starań w otoczeniu urządzenia występują czynniki utrudniające odbiór sygnału o odpowiedniej jakości rozwiązaniem może być użycie dwóch lub więcej anten urządzenia odbiorczego.
Dla polepszenia parametrów transmisyjnych i w celu uniezależnienia się choć częściowo od przeszkód terenowych można stosować dodatkowe anteny zamontowane niezależnie od miejsca zainstalowania punktu dostępowego.
W standardowych aplikacjach komunikacji bezprzewodowej utrata części danych, np. w momencie chwilowej przerwy w łączności, bywa akceptowana. W przemyśle najczęściej jednak nie jest to tolerowane, m.in. ze względów bezpieczeństwa.
Jeżeli komunikacja Wi-fi będzie używana głównie jako rezerwowa metoda nawiązywania łączności, wymagania pod tym względem nie muszą być już tak ostre. W przypadku gdy specyfika aplikacji wymaga zachowania pełnej integralności danych, można zastosować odpowiednie rozwiązania pozwalające gromadzić transmitowane informacje – np. w buforze portów w bezprzewodowych serwerach portów szeregowych.
PODSUMOWANIE
W przypadku gdy priorytetem jest transfer dużych ilości danych w krótkim czasie i na względnie niewielkie odległości, użycie Wi-fi może być najlepszym wyborem sieci bezprzewodowej.
Rozwiązanie takie w porównaniu z innymi sieciami wymaga jednak większej mocy obliczeniowej, a procedury programowe zajmują więcej miejsca w pamięci. Mimo to sieci Wi-fi w przemyśle wydają się mieć przed sobą dobrą przyszłość, chociaż wybór między Wi-fi a innymi dostępnymi na rynku technologiami w ogromnym stopniu zależy od wymagań aplikacji.
Urządzenia bezprzewodowe oparte o standard IEEE802.11 zapewniają ponadto wystarczającą przepustowość do transmisji danych audio i wideo.
Zainstalowanie systemu nadzoru w taki sposób pozwala zminimalizować koszty i czas realizacji takiego zadania. Może to być monitorowanie bram wjazdowych i innych obiektów nawet wymagających dwustronnej komunikacji głosowej.
Komunikacja Wi-fi szczególnie przydatna wydaje się także w łączeniu urządzeń mobilnych np. do celów diagnostycznych lub przesyłu dużej ilości informacji pomiędzy dwoma dużymi systemami.
W wielu przypadkach najlepszym rozwiązaniem może okazać się również połączenie kilku technologii np. ZigBee na poziomie rozległej sieci czujników i reszty infrastruktury sieciowej opartej na Wi-Fi.
Jarosław Husakowski,
Monika Jaworowska, Zbigniew Piątek
