Давно затихли активные дискуссии о пригодности беспроводных коммуникационных технологий, таких как WLAN или Bluetooth, для промышленного использования, и беспроводная передача данных незаметно проникла во многие области промышленной автоматизации.

 

Споры о безопасности и надежности беспроводных технологий постепенно сошли на нет. Сейчас специалисты активно обсуждают проблемы сосуществования различных беспроводных технологий и возможности максимально эффективного и полезного использования ограниченного диапазона частот. Это свидетельствует о широком распространении беспроводных технологий на производственных предприятиях. Вместе с тем остаются открытыми вопросы о том, какая из беспроводных технологий наиболее востребована в промышленной среде и какие тенденции намечаются в этой сфере.

 

ДРУЖЕЛЮБНОЕ К ПОЛЬЗОВАТЕЛЯМ РЕШЕНИЕ PROFINET

 

Рисунок 1. Функции управления, предусмотренные в Phoenix Contact, позволяют легко реализовать гибридные инсталляции с Interbus и Profinet.

За последние годы требования к беспроводным решениям изменились. Если поначалу основное внимание уделялось беспроводным полевым шинам или их расширениям, то с распространением сетей Ethernet на передний план вышла беспроводная коммуникация по Ethernet. Для многих пользователей возможность передачи данных Ethernet по беспроводным сетям служит решающим аргументом в пользу перехода от классических концепций с использованием полевых шин к промышленным сетям Ethernet вроде Profinet, Modbus/TCP или Ethernet/IP. Преимущество в том, что такой переход может осуществляться постепенно в рамках гибридных инсталляций (см. Рисунок 1). В этом случае через Ethernet и беспроводные соединения реализуется только динамичный обмен данными с мобильными или подвижными элементами сети. В статичной части решения автоматизации данные передаются как и прежде, через систему полевых шин. Такая гибридная концепция по умолчанию поддерживается многими производителями устройств управления: в их распределенных программируемых контроллерах (SPS) имеются разъемы не только для полевых шин, но и для промышленного Ethernet.

Если на предприятии используется Profinet, преимущества беспроводной коммуникации оказываются наиболее доступными, ведь комбинация Interbus или Profibus и Profinet реализуется дружелюбно для пользователей. Так, с точки зрения технического проектирования и программирования не имеет значения, где находится устройство — в системе на базе полевой шины или в Profinet. Организация Profibus International (PI), высоко оценивая роль беспроводной передачи данных в процессе автоматизации, учла требования к беспроводной коммуникации Profinet. В настоящее время в качестве стандартов передачи данных в Profinet в нормативах IEC 61158-2:2008 и 61784-2:2008 специфицированы Bluetooth 802.15.1 и WLAN 802.11.

Функционально защищенный обмен данных посредством Bluetooth и WLAN легко реализуется с помощью Profinet/PROFIsafe. Рамочные условия, установленные Союзом работников технического надзора Германии (TÜV) и Институтом охраны труда (IFA) Фонда социального страхования от несчастных случаев (DGUV), заданы в профиле PROFIsafe. Особые физические свойства и правовые предписания существенно ограничивают возможности инсталляции беспроводных систем, поэтому с их помощью, в отличие от кабельных систем, не удастся реализовать все требования в одной-единственной беспроводной сети. В результате в промышленной автоматизации получили распространение несколько беспроводных технологий передачи данных, прежде всего Bluetooth и WLAN. Оба стандарта отличаются по функциям, поэтому нацелены на различные области применения.

Сильная сторона WLAN заключается в возможности создания беспроводных сетей, охватывающих большие площади и объединяющих множество участников, что типично, к примеру, для инфраструктур электрических подвесных дорог. Bluetooth же — помимо стабильной и надежной передачи данных — позволяет одновременно эксплуатировать несколько независимых сетей Bluetooth в ограниченном пространстве и, таким образом, отлично подходит для реализации отдельных участков передачи данных, как это требуется, к примеру, в случае обрабатывающих машин или реечных конвейеров.

Потребность в совместном существовании, то есть в локальном параллельном функционировании WLAN и Bluetooth без создания взаимных помех, легко реализуется, если промышленная технология Bluetooth поддерживает режим слабого излучения (Low Emission Mode, LEM) и функцию задаваемых вручную черных списков каналов (Black Channel Listing). Поскольку теперь устройства Bluetooth можно настраивать так, чтобы они использовали незанятые диапазоны частот в промежутках между каналами WLAN, обе эти технологии оптимально дополняют друг друга. Кроме того, оптимизируется эксплуатация доступных частот (см. Рисунок 2).

 

 

Рисунок 2. Однозначное разделение каналов: благодаря функции Black Channel Listing, технологии WLAN и Bluetooth работают в раздельных диапазонах частот.

 

WLAN 5 ГГЦ ЛИШЬ ОТНОСИТЕЛЬНО ПРИГОДЕН

Те три канала WLAN в диапазоне 2,4 ГГц, которые могут использоваться без наложения частот, на многих предприятиях уже заняты, поэтому еще свободным каналам WLAN в диапазоне 5 ГГц уделяется все более пристальное внимание. В настоящее время в Европе 19 каналов практически полностью выделены для сетей WLAN, которые, однако, могут блокироваться метеорологическими РЛС или военными системами, имеющими приоритет перед объектами, предназначенными для промышленного использования. По этой причине в модули WLAN должны интегрироваться функции, позволяющие распознавать привилегированных пользователей — к примеру, радары — и сразу же освобождать соответствующий канал. В результате работы соответствующих механизмов коммуникация может быть прервана на период до одной минуты.

Кроме того, планирование частот, как в диапазоне 2,4 ГГц, где каждому беспроводному решению можно присвоить фиксированный канал или диапазон частот, не предусматривается. За исключением нижних четырех каналов в диапазоне 1, распределение каналов, а также настройка мощности сигнала должны производиться автоматически. Из-за этих ограничений для систем автоматизации высокой доступности в помещениях подходят только нижние четыре канала 36–48.

 

IEEE 802.11N УЛУЧШАЕТ ДЕТЕРМИНИРОВАННОСТЬ WLAN

Принятый осенью 2009 года стандарт IEEE 802.11n содержит ряд новых функций, представляющих интерес и для промышленных сетей WLAN. Чаще всего в качестве достоинства нового стандарта упоминается пропускная способность свыше 300 Мбит/с, однако для промышленной автоматизации этот параметр имеет второстепенное значение. Гораздо важнее заявленные функции и улучшения показателей надежности и детерминированности. Так, новая антенная технология множественного ввода/вывода (Multiple Input/Multiple Output, MIMO) позволяет увеличить не только пропускную способность, но и дальность действия за счет функции «формирование луча» (Beamforming). В результате применения пространственно-временного блочного кодирования (Space Time Block Coding, STBC) — специализированной технологии кодирования — в комбинации с избыточной отправкой кадров данных, можно рассчитывать на значительную оптимизацию беспроводных соединений в плохой или отражающей среде, типичной для промышленных цехов.

Дополнительные функции призваны улучшить поведение WLAN в реальном времени. В их число входит механизм «энергосберегающего множественного опроса» (Power Save Multi-Poll, PSMP), предоставляющий оптимальный канальный доступ к устройствам с небольшими объемами передаваемых данных, но налагающий высокие требования к циклическому функционированию в реальном времени. Эта разработка создавалась с расчетом на применение в решениях, где используется технология передачи голоса по WLAN (Voice over WLAN), однако она отлично подходит и для коммуникации через Profinet. В отличие от устаревших стандартов, таких как функция точечной координации (Point Coordination Function, PCF), которые никогда не были реализованы в микросхемах WLAN, функцию PSMP в своих продуктах собираются поддерживать различные производители. Уже сейчас на рынке представлены решения с аналогичными функциями, но у каждого производителя они реализованы нестандартно, поэтому подходят только для замкнутых сетей, построенных на базе оборудования соответствующих поставщиков. Новый стандарт IEEE 802.11n предоставляет возможность построения открытых и стандартизованных сетей WLAN с улучшенными функциями реального времени для таких систем автоматизации, как Profinet.

 

ГРЯДУТ НОВЫЕ БОЛЕЕ МОЩНЫЕ БЕСПРОВОДНЫЕ РЕШЕНИЯ

 

Рисунок 3. Специальная антенна в адаптере порта WLAN/Ethernet обеспечивает надежное подключение для рельсовых систем путем взаимодействия с излучающими элементами.

В последние годы технологии беспроводной передачи данных активно внедрялись в промышленную автоматизацию. Прогнозы многих экспертов не оправдались, и полевые устройства или датчики не стали подключать к беспроводным сетям. Сегодня отдельные соединения зачастую заменяются прозрачной для проколов беспроводной коммуникацией на основе Ethernet. Непрерывное развитие таких беспроводных стандартов, как Bluetooth или WLAN, приведет к тому, что в промышленных цехах можно будет реализовать еще более производительные беспроводные решения (см. Рисунок 3).

Юрген Весцерек — менеджер по беспроводным сетевым технологиям в компании Phoenix Contact Electronics в Бад-Пирмонте.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Купить номер с этой статьей в PDF