Hodnocení bezdrátových protokolů IoT pro průmyslové aplikace
Nabízejí bezdrátové technologie založené na internetu věcí, určené pro městské, domovní a bytové senzorové sítě, něco i pro průmyslové uživatele? A co 5G?
Při technickém hodnocení musejí technici porovnávat kompromisy, například zvažovat výhody a nevýhody Coriolisova průtokoměru oproti ultrazvukovému průtokoměru pro konkrétní aplikaci, zda použít kabelovou nebo bezdrátovou komunikaci nebo jaký typ bezdrátových protokolů použít. Při srovnávání tohoto typu je jen málo situací složitějších než průmyslové bezdrátové protokoly, a to kvůli mnoha faktorům a možnostem.
Pokud se podíváme na seznam průmyslových bezdrátových protokolů, zjistíme, že každý z nich je optimalizován specifickým způsobem, aby vyvážil vzájemně se ovlivňující vlastnosti, například:
- Spotřeba energie: Bezdrátové funkce vyžadují energii, avšak přidávání funkcí zvyšuje celkovou spotřebu, což snižuje životnost baterie.
- Šířka pásma: Odesílání jen malého množství dat, například jedné procesní proměnné, je jednodušší na návrh a implementaci; zvýšení šířky pásma zvyšuje spotřebu energie.
- Frekvence aktualizace: Jak často musí zařízení odesílat data? Jednou denně nebo šestkrát za minutu? Celkovou spotřebu energie získáte vynásobením četnosti odesílání a šířky pásma.
- Vzdálenost: Zvyšující se přenosová vzdálenost vyžaduje větší výkon. Tomu však lze napomoci efektivním návrhem a umístěním antény.
- Obousměrnost: Zařízení, které pouze odesílá data, je jednodušší na konstrukci a méně náročné na spotřebu energie, ale postrádá mnoho užitečných funkcí.
- Spolehlivost: Kritická data vyžadují mechanismus pro ověření přenosu zpětným potvrzením. Nebo musí data odeslat znovu, dokud není přenos úspěšný.
- Zabezpečení: Data by měla být srozumitelná pouze určenému příjemci.
Provoz průmyslového bezdrátového zařízení dále komplikuje jeho pevné umístění. Oba konce komunikace jsou fixovány na místě a nemohou se pohybovat podél budovy pro lepší příjem.
Konkrétní příklady použití
Vezměme si dva funkční extrémy: chytrý telefon a zařízení pro hlášení vodoměru. Chytrý telefon má všechny myslitelné funkce: je obousměrný, má více rádiových frekvencí a dokáže zpracovat velké množství dat, ale jeho spolehlivost je nízká. Hovory se přerušují a stahování souborů může být neúspěšné. Je na uživateli, aby to zkusil znovu. Chytrý telefon má také krátkou výdrž baterie.
Zařízení pro hlášení vodoměru odesílá velmi malý balík dat, třeba jen jednou za měsíc, takže baterie může vydržet 10 let. Nemá funkci obousměrného přenosu, takže pokud přijímací systém zmešká přenos, může to zkusit zítra znovu.
Průmyslové aplikace se nacházejí někde mezi těmito dvěma extrémy a potřebují najít správnou rovnováhu. Již více než 13 let slouží WirelessHART (přijatý organizací International Electrotechnical Commission jako IEC 62591) průmyslovým uživatelům jako nejrozšířenější bezdrátový protokol pro procesní přístroje, akční členy a další pokročilá provozní zařízení (obrázek 1). Optimalizuje kompromisy diskutované pro tuto specifickou a kritickou aplikaci.
WirelessHART je bezpečný, interoperabilní bezdrátový standard pro více dodavatelů, který je navržen tak, aby poskytoval vysoce spolehlivé připojení s nízkou latencí pro aplikace monitorování procesů a automatizace.
WirelessHART využívá rádiovou technologii IEEE 802.15.4 s deterministickým plánováním a frekvenční, časovou a dráhovou diverzitou k dosažení spolehlivého a deterministického přenosu dat s velmi nízkou spotřebou energie. Přístroje WirelessHART mají předpokládanou životnost baterie 10 let s dobou aktualizace 30 sekund a podporují také komunikaci s nízkou latencí k následným zařízením bez újmy na životnosti baterie a spolupracují s většinou stávajících ručních provozních zařízení pro podporu kalibrace a diagnostiky v provozu.
Dosah této sítě je relativně malý, ale její samoorganizující se technologie mesh dokáže předávat zprávy z jednoho přístroje na druhý nebo prostřednictvím opakovače a překonávat tak velké vzdálenosti nebo obcházet narušení sítě. Krátký dosah sítě a malá šířka pásma prodlužují výdrž baterie i při častých aktualizacích. Baterie může také napájet senzor, například pro měření tlaku nebo teploty, který má rovněž nízkou spotřebu energie. Díky tomu je možné vyrábět vysílače tlaku, teploty a další vysílače jako vlastní přístroje v jedné jednotce, která nevyžaduje žádnou externí kabeláž. Jakýkoli přístroj s rozhraním HART lze přidáním adaptéru převést na WirelessHART (obrázek 2). Katalog procesních přístrojů a základních analyzátorů tak byl rozšířen o větší počet přístrojů WirelessHART.
Rozšíření bezdrátových aplikací
Vývoj bezdrátového protokolu a absolvování všech schvalovacích procedur je časově i finančně náročná záležitost. Vývojáři často zkoumají další možné aplikace a zákazníky, než se pustí do světa průmyslových přístrojů.
Některé složitější procesní analyzátory vytvářejí velké množství dat a používají výstupy průmyslového Ethernetu nebo Wi-Fi, ale spotřeba energie není vhodná pro napájení z baterií. Používání internetového připojení a IP adresy pro mnoho jednotlivých přístrojů se neujalo. Technologie vycházející z internetu věcí (IoT), jako je LoRaWAN, se propagují jako způsoby propojení průmyslových senzorů, senzorů pro automatizaci budov a domácností.
Sdružení LoRa Alliance popisuje tento protokol takto: „Síťová architektura LoRaWAN je zaváděna v topologii hvězdy, v níž brány předávají zprávy mezi koncovými zařízeními a centrálním síťovým serverem. Brány jsou připojeny k síťovému serveru prostřednictvím standardních IP připojení a fungují jako transparentní most, který jednoduše převádí RF pakety na IP pakety a naopak. Bezdrátová komunikace využívá vlastností fyzické vrstvy LoRa s velkým dosahem, což umožňuje spojení mezi koncovým zařízením a jednou nebo více branami. Všechny režimy mají schopnost obousměrné komunikace a podporují skupiny adresování multicast, aby bylo možné efektivně využívat spektrum při úkolech, jako jsou bezdrátové aktualizace firmwaru nebo jiné hromadné distribuce zpráv.“
Na trhu se objevilo několik průmyslových zařízení LoRaWAN s dosahem jedné míle. Toto pokrytí je však na úkor výdrže baterie – zařízení slibují pouhé čtyři roky, a to i při rychlosti aktualizace jednou za hodinu. Pomalá rychlost aktualizace omezuje toto řešení na monitorování velmi pomalu se měnících regulovaných veličin.
5G nad rámec chytrých telefonů
Nyní se 5G dostává do průmyslového světa. Nejvíce se obecně diskutuje o rozšířeném mobilním širokopásmovém připojení (eMBB) pro chytré telefony a tablety, které je ve srovnání se 4G výrazně lepší pro média virtuální reality a video v rozlišení UltraHD. eMBB podporuje přenosové rychlosti až 20 Gb/s až s 10000krát vyšším síťovým provozem než systémy 4G. Pozornost průmyslových uživatelů upoutaly dvě další oblasti:
Ultra spolehlivá komunikace s nízkou latencí (URLLC) poskytuje podporu pro kritické systémy vyžadující extrémně nízkou latenci, jako jsou samořídicí vozidla a řízení strojů. URLLC nabízí přenosovou latenci menší než 1 ms při rychlosti přenosu dat až 10 Mb/s. Stejně jako eMBB i URLLC spoléhá na využití nového rádiového přenosu 5G (5G NR).
Hromadná komunikace strojového typu (mMTC) podporuje komunikaci stroj–stroj s rychlostí přenosu dat až 100 kb/s. Mezi aplikace mMTC patří měření zařízení městských rozvodných sítí a nasazení v chytrých městech, kde jsou přijatelné extrémně nízké rychlosti přenosu dat (například jednou denně nebo méně) a vysoká latence.
Mnoho dodavatelů zařízení a koncových firemních uživatelů se těší na koexistenci průmyslových protokolů, jako je WirelessHART, se sítěmi 5G a případně dalšími bezdrátovými protokoly, které změní budoucnost globálního průmyslu.
Andrew Cureton, produktový manažer pro pervazivní snímání, Emerson. Upravil Chris Vavra, zástupce šéfredaktora časopisu Control Engineering, CFE Media and Technology, cvavra@cfemedia.com.
