Plnění rostoucích potřeb chytrých závodů pomocí bezdrátových technologií

Chytré závody jsou náročným prostředím pro bezdrátové komunikační technologie, ale technologie Wi-Fi se vyvíjejí a jsou v těchto moderních závodech stále užitečné.

Když byla síť Wi-Fi poprvé nasazena v propojených závodech, měla jednoduchý úkol: přimět několik zařízení, aby spolu komunikovala. Dnes je situace zcela jiná. Jestliže ještě před deseti lety připomínal chytrý závod prázdné náměstí, dnes je to spíše rušné tržiště. Místo děje je stejné, ale kontext se radikálně změnil. Stejně jako na hlučném trhu je v éteru rušno a zařízení se musí hodně snažit, aby je bylo slyšet.

Bezdrátové technologie se neustále vyvíjejí, aby splňovaly stále náročnější požadavky trhů, kterým slouží. Wi-Fi není výjimkou. Postupující digitalizace závodů a nové případy použití zvyšují nároky na Wi-Fi, která podle odhadů přenáší 45 % celosvětového IP provozu a 60 až 80 % bezdrátového provozu.

Jak se technologie Wi-Fi vyvíjely

Od dob, kdy maximální rychlost Wi-Fi dosahovala 54 Mb/s, urazila Wi-Fi dlouhou cestu. V roce 2009 přinesla Wi-Fi 4 – nebo jak se dříve říkalo IEEE 802.11n – obrovský skok v propustnosti díky kombinaci pásma 5 GHz zavedeného v IEEE 802.11a a vyšších přenosových rychlostí v obou pásmech. Zpětná kompatibilita přístupových bodů Wi-Fi 4 se zařízeními se staršími verzemi technologie pomohla zvýšit rozšíření této technologie.

V roce 2013 přinesla Wi-Fi 5 neboli IEEE 802.11ac další skok ve výkonu, který dosáhl maximální rychlosti 6,8 Gb/s, přičemž provoz byl omezen na pásmo 5 GHz. Wi-Fi 6 přinesla zlepšení výkonu a zvýšila svou schopnost efektivněji zpracovávat větší provoz od většího počtu klientů, proto se také označuje jako vysoce efektivní bezdrátové připojení (HEW).

Několik inovací pomáhá Wi-Fi 6 plnit dnešní požadavky na vyšší propustnost (téměř 10 Gb/s) a zároveň poskytuje výkon na velké vzdálenosti, nízkou latenci, minimální nároky na napájení, koexistenci a rychlé předávání.

Potřeby Wi-Fi ve výrobě

S každou další verzí standardu Wi-Fi se zlepšoval výkon, a tak se tato technologie dostávala do složitějších a náročnějších případů použití. Současně pokračuje poptávka po dalším zdokonalení standardu, aby vyhovoval novým potřebám bezdrátové komunikace, včetně těch, které jsou běžné v průmyslových aplikacích.

Vysoká dostupnost je nanejvýš důležitá v závodech, kde výpadky znamenají ztrátu příjmů. V přeplněném rádiovém prostředí to zahrnuje odolnost vůči rušení od jiných zařízení a také vysokou propustnost, která umožňuje zkrátit dobu přenosu a uvolnit šířku pásma po každé komunikaci. Vzhledem k tomu, že Wi-Fi nabízí připojení k síti pro stále větší počet zařízení, je klíčové zajistit škálovatelnost – možnost připojit k síti další klienty bez nutnosti přidávat hotspoty. Rychlejší odezva je nezbytná pro průmyslové automatizační systémy, které se používají například k řízení procesů ve složitých výrobních linkách. Vzhledem k tomu, že se k síti připojuje stále více pohybujících se zařízení, od robotů až po chytré elektrické nářadí, nabývá na významu bezproblémový roaming, aby se zabránilo zdlouhavým pokusům o opětovné připojení, když zařízení vstoupí do dosahu nového přístupového bodu. Pro zjednodušení provozu a udržení nízkých nákladů je nezbytné jednoduché uvedení do provozu a údržba.

OBRÁZEK 2: Graf zobrazující vývoj rychlostí, rychlosti přenosu dat, frekvence a šířky pásma Wi‑Fi

Pět výhod Wi-Fi 6

Jestliže Wi-Fi 4 přinesla „vysokou propustnost“ a Wi-Fi 5 „velmi vysokou propustnost“, Wi-Fi 6, která byla poprvé uvedena v roce 2018, se zaměřila na „vysokou efektivitu“. Skok z 6,8 Gb/s na 9,6 Gb/s je možná méně výrazný než některé řádově vyšší nárůsty, které přinesly předchozí verze. Avšak Wi-Fi 6 efektivněji využívá dostupnou šířku pásma, takže na jeden přístupový bod lze umístit více klientů, aniž by se snížil výkon sítě. Klíčem k efektivnímu zvládání většího počtu klientů jsou technologické inovace, které jsou uvedeny níže:

1. Víceuživatelský ortogonální vícenásobný přístup s frekvenčním dělením (MU-OFDMA) je technika, která se používá k rozdělení dostupné šířky pásma na různě velké jednotky prostředků, což přístupovým bodům umožňuje flexibilně obsluhovat více klientů současně s požadovanými prostředky. MU-OFDMA čtyřnásobně zvyšuje počet klientů, které může pevný počet přístupových bodů obsloužit.
2. Víceuživatelský vícenásobný vstup a výstup (MU-MIMO) umožňuje přístupovým bodům směrovat jedinečné datové toky k více klientům současně, a to ve vzestupném i sestupném směru.
3. Kvadraturní amplitudová modulace 1024 (1024 QAM) umožňuje zakódovat více informací do každého symbolu. Wi-Fi 6 dokáže do jednoho symbolu vměstnat 10 bitů, což je o 25 % vyšší kapacita než u Wi-Fi 5, která používala 256 QAM.
4. Barevné odlišení základní sady služeb (BSS) pomáhá zajistit, aby se kanály s odlišnou „barvou“ vzájemně nerušily.
5. Funkce plánované doba probuzení (TWT) umožňuje zařízením šetřit baterie a zvýšit autonomii napájení.

Stejné technologie, které umožňují zvýšit hustotu klientů, zvyšují také propustnost: Namísto rozdělení šířky pásma pro obsluhu více zařízení může technologie MIMO spojit šířku pásma a zpřístupnit více datových toků jednomu klientovi.

Díky tomu, že MU-OFDMA umožňuje současný přenos dat z/do více klientů, pomáhá snižovat přetížení – běžný problém v hustých sítích – a zajišťuje doručování dat s minimálním zpožděním. Díky funkci TWT mohou přístupové body instruovat zařízení, aby přešla do režimu nízké spotřeby a s předem naplánovaným časem probuzení. Velmi dlouhá dosažitelná doba spánku může zvýšit životnost baterie, zejména u bezdrátových senzorů, které přenášejí data sporadicky.

Spektrum 6 GHz s Wi-Fi 6E

K překonání hlavního omezení zdrojů, dostupného spektra, otevřely regulační agentury, jako je FCC, pásmo 6 GHz pro nelicencovanou Wi-Fi komunikaci, což v některých případech více než zdvojnásobilo množství dříve dostupného spektra v pásmech 2,4 a 5 GHz dohromady. Přístupové body a koncová zařízení schopná využívat 1 200 MHz nového spektra budou označeny jako Wi-Fi 6E.

Mezi výhody pásma 6 GHz patří blízkost již široce využívaného pásma 5 GHz a také množství nepřekrývajících se kanálů s různou velikostí. Vzhledem k tomu, že nové spektrum je dosud z velké části nevyužité, nebudou se zařízení muset potýkat se staršími klienty, kteří zahlcují rádiové vlny.

Wi-Fi 6 pomáhá 5 systémům

Wi-Fi se stala základem chytrých závodů a často ji doplňuje technologie Bluetooth a proprietární i neproprietární mobilní komunikační technologie. Wi-Fi 6 posílí svou pozici zejména díky pěti funkcím.

1. Průmyslové senzorové sítě: Bezdrátově připojené senzory se v průmyslovém prostředí rozšířily a používají se například ke sledování vibrací a teploty pro prediktivní údržbu. Dnes se často spoléhají na komunikační protokoly s optimalizovanou spotřebou energie, jako je Bluetooth Low Energy nebo IEEE 801.15.4.
2. Nízká spotřeba Wi-Fi 6 je umožněna tím, že zařízení mohou přejít do režimu spánku na delší dobu pomocí funkce TWT. Snížení energetické náročnosti senzorů s podporou Wi-Fi zvyšuje jejich energetickou autonomii a zjednodušuje údržbu. Vyřazení zařízení z vysílání zároveň snižuje přetížení spektra.
3. Polohování: Snížení latence a zvýšení kvality služeb poskytované technologií OFDMA činí z Wi-Fi 6 slibnou bezdrátovou komunikační technologii pro řídicí aplikace. Zároveň je pravděpodobné, že případy použití konfigurace zařízení budou i nadále těžit z nízké energetické náročnosti a všudypřítomnosti technologie Bluetooth.
4. Rozhraní HMI: Schopnost přístupových bodů Wi-Fi 6 zvládnout vyšší hustotu zařízení při zachování dobré propustnosti pro každé zařízení v kombinaci s nízkou latencí činí z Wi-Fi 6 slibnou technologii, která může umožnit provoz jednoduchých HMI na bázi tabletů používaných ke čtení dat z připojených strojů až po pokročilejší HMI s rozšířenou realitou.
5. Rozšířená realita (AR): Přirozeným pokračováním rozhraní HMI, která využívají statická nebo ruční grafická uživatelská rozhraní (GUI), je rozšířená realita. Ať už je zprostředkována pomocí tabletů nebo chytrých brýlí, může rozšířená realita překrývat informace, dokumentaci nebo plány v reálném čase na obrazovce kamery tabletu nebo pomocí chytrých brýlí přímo v zorném poli uživatele. Rozšířená realita také umožňuje technikům schematicky vizualizovat vnitřní fungování průmyslových strojů a vyhodnocovat problémy, aniž by museli přerušovat výrobní procesy.
6. Sítě typu mesh: Technologie sítí mesh má v průmyslovém prostředí různé možnosti využití, včetně centrálního ovládání inteligentních světel v celém objektu a sběru dat z distribuovaných senzorů pro zpracování v cloudu. Zatímco Bluetooth je stále nejpoužívanější bezdrátovou technologií pro přenos dat z uzlu do uzlu až k bráně, Wi-Fi je lépe přizpůsobena pro poslední část přenosu z brány do podnikového cloudu. Uvidíme, zda se díky nízké spotřebě energie Wi-Fi 6 podaří připravit půdu pro širší přijetí řešení Wi-Fi mesh v průmyslovém prostředí.

OBRÁZEK 3: Chytrý závod je závislý na spolehlivé bezdrátové technologii pro sběr dat z monitorování stavu, polohování, rozšířené reality (AR), sítí průmyslových senzorů a rozhraní HMI

Další typy Wi-Fi v závodech

Přestože Wi-Fi 6 překonává Wi-Fi 4 téměř ve všech ukazatelích, mnoha aplikacím dobře slouží i starší verze této technologie. V takovém případě mohou manažeři provozů těžit z nižších nákladů a zjednodušeného vývoje Wi-Fi 4.

Zatímco se Wi-Fi 6 zabydluje, probíhají snahy o další zvýšení výkonu vydáním Wi-Fi 7, což se očekává někdy po roce 2024. Podle organizací IEEE a Wi-Fi Alliance, které řídí vývoj standardů Wi-Fi, se Wi-Fi 7 výrazně zaměří na výkon v oblasti videa, včetně deterministické latence, vysoké spolehlivosti a kvality služeb (QoS). Díky širším kanálům (až 320 MHz) a vyšším řádům modulace QAM nabídne třikrát vyšší propustnost (30 Gb/s). 

Inovace v oblasti Wi-Fi

Chytré závody budou stále nabírat na síle, přesto budou i nadále záviset na směsici doplňkových bezdrátových komunikačních technologií, které budou využívat Wi-Fi, Bluetooth, 4G LTE, 5G a další. Funkce Wi-Fi 6, jako jsou vyšší rychlost přenosu dat, nižší latence, nižší spotřeba energie, vyšší kapacita sítě a větší dosah, mají potenciál rozšířit působnost této technologie v chytrých závodech.

Autorem článku je Pelle Svensson, manažer rozvoje trhu, produktové centrum rádiových technologií krátkého dosahu, u-blox. Upravil Chris Vavra, ředitel pro webový obsah časopisu Control Engineering, CFE Media and Technology,Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript..