Jakou průmyslovou bezdrátovou síť používat?

Neustálý vývoj rychlých, deterministických a spolehlivých bezdrátových sítí v průmyslových prostředích byl v uplynulém desetiletí rozhodujícím faktorem při realizaci konceptů Průmyslu 4.0 a průmyslového internetu věcí (IIoT). Průmyslová komunikace zaznamenává další skok vpřed díky bezdrátovým technologiím IEEE 802.11ax a 5G dostupným pro průmyslová prostředí. Proto je vhodný čas vyhodnotit stav technologií průmyslových bezdrátových LAN (iWLAN) sítí podporujících výrobní závody a související logistická a skladová zařízení (LAN znamená místní síť).

Průmysloví technici pracující v prostředích operačních technologií (PT) by měli ve spolupráci se svými protějšky z podnikových informačních technologií (IT) vyvinout plány modernizace bezdrátové sítě, aby zajistili maximální výkon, spolehlivost a zabezpečení v příštích letech. Spolupráce mezi týmy PT a IT má zásadní význam, protože data lze v průmyslových prostředích používat jinak než v podnikových prostředích. Tento základní přehled průmyslové bezdrátové komunikace by měl pomoci profesionálům v oblasti PT a IT lépe spolupracovat na těchto plánech.

Je tomu více než 20 let, kdy IEEE poprvé ratifikovalo původní bezdrátový standard IEEE 802.11, přičemž rychle následovaly verze IEEE 802.11a, b, g, které byly většinou navrženy pro kancelářské a domácí aplikace pod obchodním názvem „Wi-Fi“. Přestože si někteří technici možná tyto verze vyzkoušeli v průmyslových aplikacích (většinou s nadějí, že se sníží náklady na kabeláž a získá se flexibilita konfigurace půdorysu provozní úrovně), v PT sítích se projevily deterministické nedostatky těchto raných verzí Wi-Fi. 

Eliminace latence bezdrátového připojení pro komunikaci v reálném čase

Největším nedostatkem byla latence přenosu dat, většinou z důvodu datových kolizí ve sdíleném médiu iWLAN, které vyžaduje opakovaný přenos dat. Příliš mnoho opakovaných přenosů stejné zprávy může způsobit vypršení platnosti časovacích jednotek, které monitorují dobu odezvy řízení a bezpečnostních datových přenosů mezi senzory a programovatelnými automaty (PLC), což vede k poruchám, jež mohou narušit výrobu.

To může být obzvláště problematické, když jde o roaming. Je to proto, že pohybující se klient přechází při své bezdrátové komunikaci z jednoho přístupového bodu (AP) na další. Čas potřebný k opětovnému přidružení k novému AP, který může být ještě delší, pokud musí projít řadičem AP, může také vést ke komunikačním poruchám, jež narušují účinnost řídicích a bezpečnostních systémů. Tato zpoždění mohou dokonce přimět řídící techniky, aby prodloužili časovací jednotky tak, aby vyhovovaly delší latenci, a obětovali své řídicí a bezpečnostní standardy s cílem udržet provoz výroby.

To se změnilo zavedením standardu IEEE 802.11n v roce 2009 a IEEE 802.11ac v roce 2014. Přenosové rychlosti u obou těchto standardů jsou o řády vyšší než u předchozích standardů a vývoj specifických technologií pomohl zajistit větší determinismus pro aplikace PT (s latencí pouhých 17 milisekund).

Taková technologie dostatečně redukuje, opravuje a distribuuje cykly dotazování mezi klienty, aby minimalizovala latenci a umožnila mnohem rychlejší doby roamingu. Varianta tohoto protokolu byla vyvinuta speciálně pro nepřetržitě se pohybující uzly, jako jsou uzly na palubě automaticky naváděných vozidel (AGV) a jeřábů, aby dále zvýšily výkon a zkrátily dobu roamingu pod 50 ms.

Průmyslové sítě WLAN nejsou jen hotspoty

Zřízení iWLAN vyžaduje více technologické zdatnosti než nastavení Wi-Fi v domácnosti, kanceláři nebo kavárně. Hotely, letiště a obce mohou být kvůli svému rozsahu složitějším úkolem, ale ve výrobním závodě musí bezdrátové připojení splňovat mnohem přísnější požadavky. Zde jsou další dva rozdíly:

• Spolehlivost bezpečná proti selhání: Ztráta nebo poškození dat během přenosu v neprůmyslovém prostředí nejsou vždy kritické, protože data lze často znovu přenést bez jakéhokoli zjistitelného dopadu příjemcem. V průmyslovém prostředí však mohou neúspěšné datové přenosy ohrozit řízení procesů a bezpečnosti, což vede k prostojům zařízení, problémům s kvalitou a zraněním.
• Rádiové rušení, útlum a odraz: V neprůmyslovém prostředí obvykle chybí různé zdroje vysokofrekvenčního (RF) rušení, odrazů a útlumu, které jsou běžné v průmyslových prostředích: velké kovové stroje nepravidelných tvarů, potrubí, kovové paluby a hliníkové rolovací dveře mohou odrážet RF vlny, silné betonové stěny nebo materiály uložené ve skladových regálech je mohou blokovat a k tomu zde existuje řada dalších zdrojů rádiových signálů – RFID, sousední průmyslové WLAN a kancelářské WLAN, abychom jmenovali alespoň některé. 

Možnosti poskytované sítěmi IEEE 802.11ax a 5G

Vzhledem k nárůstu počtu a hustoty zařízení IoT a IIoT posouvá IEEE 802.11ax paradigma Wi-Fi z teoretických špičkových datových rychlostí na celkovou kapacitu sítě. IEEE 802.11ax zvyšuje rychlost oproti IEEE 802.11ac až na 10 Gb/s, což je nárůst o 37 %. Pomocí ortogonálního vícenásobného přístupu s frekvenčním dělením (OFDMA), který byl vypůjčen z technologie 4G LTE, zlepšuje standard IEEE 802.11ax spektrální účinnost natolik, aby podporoval komunikaci milionu zařízení na kilometr čtvereční.

Průmyslové sítě 5G jsou něco zcela jiného. Otevírají dveře ke komplexnímu připojení všech druhů nových aplikací ve výrobě, údržbě a logistice do bezdrátové sítě. Vysoká rychlost přenosu dat, spolehlivý a výkonný širokopásmový přenos a ultrakrátké latence zvýší efektivitu a flexibilitu při vytváření průmyslové hodnoty, i když všechny tyto výhody nebudou k dispozici současně.

Průmyslové sítě 5G vyvolávají spoustu otázek, jak lze nový komunikační standard nejlépe implementovat. Některé společnosti zabývající se automatizací mají výzkumné týmy pro 5G spolupracující se standardizačními orgány, aby zákazníkům přinesly síť 5G, jakmile bude připravena na plné nasazení v průmyslovém prostředí. Mezitím se v závislosti na bezdrátové průmyslové aplikaci doporučuje držet standardů Wi-Fi IEEE 802.11, zejména IEEE 802.11n, ac a ax. 

Nastal čas na aktualizaci průmyslových sítí WLAN?

Mnoho dnes používaných sítí iWLAN mohlo být zavedeno s technologií IEEE 802.11a, b, g nebo n, která je v některých případech nyní deset let stará. Technici závodu by měli zvážit vyhodnocení svých současných sítí pro modernizaci – nebo alespoň pro plán modernizace – ve spolupráci s odborníky na průmyslové sítě a s podnikovými protějšky z oddělení IT.

Zatímco 5G a IEEE 802.11ax jsou budoucími směry bezdrátového připojení, IEEE 802.11ac a IEEE 802.11n jsou dnes schopné poskytovat rychlou propustnost a nízkou latenci, kterou průmyslové aplikace vyžadují.

Například IEEE 802.11ac může poskytnout propustnost potřebnou pro videoaplikace, zatímco IEEE 802.11n je cenná pro průmyslové aplikace MIMO (Multiple Input, Multiple Output – více vstupů, více výstupů). Posledně jmenovaný standard dokáže podporovat mobilní automatizovaná naváděcí vozidla a mostové jeřáby tím, že pomáhá vypořádat se s neustále se měnícími odrazy RF signálu při pohybu v závodě.

Kromě toho tam, kde musí být upřednostňována deterministická komunikace, jako je řízení provozu a bezpečnost, lze iWLAN optimalizovat pomocí technologie, která dodává průmyslové bezdrátové komunikaci determinismus.

Nízké latence mohou zvýšit výkon edge computingu, být přínosné pro pracovníky využívající podporu technologií virtuální a rozšířené reality (VR/AR) a poskytovat větší mobilitu zařízením závodů, strojům, autonomním strojům a logistice.

Vyšší sofistikovanost těchto aplikací bude samozřejmě vyžadovat sofistikovanější technické zajištění RF přenosu. Pro úspěšné nasazení proto budou rozhodující pečlivě provedené průzkumy pracoviště a další osvědčené postupy.

Ford Cheeseman je konzultant pro automatizační sítě společnosti Siemens. Upravil Mark T. Hoske, obsahový ředitel časopisu Control Engineering, CFE Media and Technology, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript..