Nowe możliwości zastosowań komunikacji bezprzewodowej w przemyśle

Transkrypt

1 Nowe możliwości zastosowań komunikacji bezprzewodowej w przemyśle Tadeusz Goszczyński Szybki rozwój technologii transmisji bezprzewodowej w kilku ostatnich latach doprowadził do powstania wielu nowych rozwiązań w dziedzinie systemów i elementów, a także usług korzystających z kilkunastu bezprzewodowych technologii stosowanych w automatyce. Obecnie, dzięki odpowiedniej jakości i niezawodności, bezprzewodowe systemy komunikacji są stosowane do automatyzacji w przemyśle. Przemysłowe instalacje bezprzewodowe mogą być niezawodne, bezpieczne i łatwe do wdrożenia, pod warunkiem poczynienia odpowiednich przygotowań. przemyśle znane były dwie podstawowe grupy zastosowań bezprzewodowej technologii radiowej: transmisja sygnałów monitorowania do systemu automatyki (najczęściej stosowany znany system Bluetooth) oraz rozbudowane systemy sieci Wireless LAN. Do niedawna technologia bezprzewodowa była dość rzadko stosowana z powodu niewystarczającej niezawodności opartych na niej systemów. Nie spełniała ona wymagań dotyczących bezpieczeństwa urządzeń przemysłowych, a oferta bezprzewodowych elementów automatyki była niewielka. Dopiero w ciągu ostatnich 3 lat pojawiły się konkurujące ze sobą systemy sieci bezprzewodowych stosujące inteligentne czujniki i przetworniki bezprzewodowe. Uzyskany poziom niezawodności nowych systemów sieciowych sprawia, że można je stosować nawet tam, gdzie oprócz monitorowania procesu odbywa się również sterowanie urządzeniami automatyki. Systemy te muszą jednak spełniać wymagania dotyczące odpowiednio krótkiego czasu zwłoki oraz czasu na aktualizację programu użytkowego dla urządzeń oddalonych. Dlatego technologie bezprzewodowe najczęściej są stosowane do łączenia urządzeń z regulacją w otwartej pętli, a także do układów pomocniczych. Popularnym rodzajem sieci bezprzewodowych są sieci samoorganizujące się. Podczas rozbudowy takiej sieci, nowe urządzenia dołączają się do niej automatycznie, przesyłając dane bezpośrednio do bramy lub do innych zainstalowanych w pobliżu urządzeń, które mają dostęp do bramy. W takich systemach nie trzeba wstępnie sprawdzać możliwości instalacyjnych na mgr inż. Tadeusz Goszczyński Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów Punkt dostępowy do bezprzewodowej sieci SCALANCE firmy SIEMENS obiekcie, gdyż urządzenie samo skonfiguruje się w sieci, co znacznie obniża koszt montażu. Taka sieć jest ponadto bardziej odporna na zakłócenia, gdyż przy wystąpieniu lokalnego zakłócenia uniemożliwiającego przesyłanie danych, samoczynnie zmienia drogi transmisji, zapewniając komunikację wszystkim urządzeniom. Specjalne wymagania dla zastosowań przemysłowych Bezpieczeństwo Bezpieczeństwo pracy sieci bezprzewodowej jest w przemysłowych zastosowaniach najważniejszym problemem. Administrator sieci musi mieć dostęp z jednej ze stacji do systemu konfiguracji sieci i możliwość aktualizacji oprogramowania firmowego. Czynność ta nie może narazić instalacji na niebezpieczeństwo. Natomiast w wypadku awarii punktu dostępowego, sąsiednie punkty muszą przejąć jego zadania. Aby punkty dostępowe nie zakłócały się wzajemnie, muszą mieć możliwość automatycznego wyboru kanału transmisyjnego. Musi być także zapewniona alternatywna droga komunikacji. 5

2 większych odległościach wykorzystywany może być system GSM. Ostatnio dla zastosowań przemysłowych oferowanych jest coraz więcej nowych technologii. System z bezpieczną rozległą instalacją wykorzystujący punkty dostępowe firmy LANCOM Sieci bezprzewodowe narażone są na szereg zagrożeń takich, jak m.in. ataki terrorystyczne, podsłuchiwanie transmisji, podszywanie się pod użytkownika, nieautoryzowane punkty dostępowe. W celu uniemożliwienia podsłuchiwania transmisji niektóre sieci umożliwiają szyfrowanie danych. Nie są to jednak jeszcze zadawalające systemy, gdyż mogą zostać złamane w ciągu kilku godzin pracy systemu. Ataki destabilizujące pracę sieci są niestety dosyć łatwe do wykonania. Wygenerowanie silnego sygnału elektromagnetycznego w pobliżu sieci może skutecznie zablokować transmisję w całej sieci. Podszywanie się polega na zdobyciu danych autoryzujących użytkownika. W tym celu może być uruchomiony punkt dostępowy, który przekierowuje połączenia na fałszywą, stworzoną przez atakującego stronę autoryzacyjną, umożliwiając mu kradzież haseł użytkowników sieci. Dlatego przy projektowaniu i wdrażaniu systemu należy dokonać oceny ryzyka. Analiza zagrożeń powinna wskazać środki konieczne do zabezpieczenia systemu. Jednym z głównych parametrów umożliwiających ocenę pracy sieci bezprzewodowej jest dostępność. Pierwsze sprawdzenia powinny być wykonane na etapie projektowania instalacji. Następnie należy stworzyć mapę zasięgu sieci oraz poziomu sygnałów w poszczególnych miejscach przedsiębiorstwa lub instalacji w terenie. Testy muszą być powtarzane w określonych odstępach czasu, gdyż na wyniki mogą wpływać pojawiające się w terenie nowe źródła zakłóceń elektromagnetycznych. Czasem może okazać się konieczna zmiana kanału transmisji, by uniknąć zakłóceń. Ocena dostępności przeprowadzana okresowo pozwala na utrzymanie niezawodnego działania sieci bezprzewodowej. Odległości Różne rodzaje technologii bezprzewodowych mogą być stosowane zależnie od zasięgu przewidywanej komunikacji. Może to być zastąpienie przewodu pomiędzy dwoma punktami, transmisja od czujników do sieci kablowej, komunikacja z wielu punktów do jednego punktu lub instalacja całej sieci przemysłowej. Po wybraniu zakresu należy rozważyć, która technologia będzie najlepsza. Na krótkich i średnich odległościach (od 10 m do 100 m) można wykorzystać technologię Bluetooth. Przy Ilość przesyłanych danych W niektórych zastosowaniach koniecznych jest kilka aktualizacji zmiennych procesowych na sekundę, tam gdzie np. monitorowana jest temperatura lub poziom medium w zbiorniku, zwykle wystarcza aktualizacja danych co kilka minut. Jeżeli monitoruje się tylko sytuacje awaryjne, można zastosować rozwiązanie właściwe dla transmisji informacji o zdarzeniach. Zasilanie W niektórych aplikacjach nie da się doprowadzić zasilania przewodami, dotyczy to szczególnie urządzeń mobilnych. Konieczne jest wtedy wykorzystanie technologii, w której może być zastosowane zasilanie bateryjne. Od kilku lat znane są rozwiązania urządzeń z własnymi miniaturowymi generatorami prądu. Otoczenie W najprostszych zastosowaniach wystarczy sprawdzenie, czy pomiędzy danymi lokalizacjami istnieje tzw. linia widzenia oraz wyznaczenie mocy sygnału radiowego nadajników i czułości odbiorników. W bardziej skomplikowanych badania obejmują pomiary mocy sygnałów transmisji oraz uzyskanie zezwoleń na zmiany drogi sygnału radiowego. Zmiany toru muszą uwzględniać np. obecność pojazdów oraz możliwe w przyszłości zmiany infrastruktury, a także zmiany drzewostanu znajdującego się na drodze transmisji. Najczęściej stosowane technologie Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych ETSI ustala w Europie reguły dopuszczenia do stosowania bezprzewodowej transmisji dotyczące zakresu pasma częstotliwości i stosowanych protokołów transmisji. WirelessLAN czyli WLAN Są to bezprzewodowe lokalne sieci zgodne ze standardem IEEE , który określa wymagania dla dwóch najniższych warstw sieciowych według modelu ISO/OSI: warstwy fizycznej i warstwy łącza da- Przenośne interfejsy HMI z komunikacją przez sieć WLAN typu Simatic Mobile Panel 277 6

3 nych. Transmisja bezprzewodowa może odbywać się w paśmie 2,4 GHz oraz w podczerwieni przy długości fali od 850 nm do 950 nm. Ponadto standard określa warstwę MAC dostępu do medium transmisyjnego oraz warstwę fizyczną dla bezprzewodowej transmisji pomiędzy węzłami mobilnymi i stałymi w sieci lokalnej. Najważniejsze standardy z grupy opisano w poniższym zestawieniu. IEEE a z dodatkowymi uzupełnieniami w h określa wymagania dla przesyłania sygnału o bardzo dużych szybkościach (do 54 Mbit/s) na odległość około 50 m. Stosowana do niedawna tylko w USA do normalizacji amatorskich systemów radiowych i wojskowych systemów radarowych została ostatnio dopuszczona także w Europie z ograniczeniami dotyczącymi mocy nadawania. IEEE b określa przesyłanie danych w paśmie od 2400 MHz do 2483,5 MHz z szybkością do 11 Mbit/s. Stosuje technologię DSSS z ograniczeniem - tylko 3 niezależne systemy LAN mogą pracować na tym samym terenie. Zakres transmisji wynosi około 50 m wewnątrz budynku. Ze względu na to, że także systemy z prywatnymi protokołami mogą być stosowane w tym paśmie, nie ma pewności co do jakości transmisji danych. IEEE g definiuje przesyłanie transmisji o szybkości 54 Mbit/s w paśmie 2,4 GHz. Przyjęty został dla modulacji schemat OFDM z techniką modulacji CCK. System jest kompatybilny z poprzednio omawianym standardem ale ma też i jego słabości. IEEE n trwają prace nad tym standardem. Przez równoczesne stosowanie wielu anten nadawczych i odbiorczych, odbicia będą wykorzystywane do poprawy jakości transmisji. Norma ta, której wydanie ma nastąpić w 2009 roku, przewiduje szybkość transmisji do 600 Mbit/s. Sieć WLAN stosowana była na początku głównie w urządzeniach konsumenckich. Może być w niej stosowane spontaniczne organizowanie się węzłów w tzw. sieci ad-hoc, wtedy, gdy poszczególne węzły znajdą się w swoim zasięgu transmisji. Obecnie WLAN ma liczne zastosowania na lotniskach, w szpitalach i w logistyce transportu, a także w liniach produkcyjnych. W zastosowaniach przemysłowych sieci te stosują zwykle topologię gwiazdy z punktami dostępowymi do sieci przewodowej Ethernet. Z powodu wzrostu liczby zastosowań przemysłowych wersji Ethernet (takich jak sieć Profinet), spodziewany jest wzrost zastosowań także elementów sieci WLAN. Ostatnio jest oferowanych coraz więcej produktów WLAN w tzw. wersji OEM przeznaczonych do zintegrowania we własnym urządzeniu. Pozwala to niewielkim firmom oferować elementy automatyki kompatybilne z WLAN. Wi-Fi Wireless Fidelity Jest to popularny system dostępu urządzeń WLAN do Internetu lansowany przez organizację Wi-Fi Alliance. Sieć Wi-Fi działa w darmowym paśmie częstotliwości od 2400 MHz do 2485 MHz i 5000 MHz. Do komunikacji za pomocą mikrofal wykorzystuje się pasmo 2,4 GHz (w standardzie b oraz g) lub też 5 GHz Modemy do realizacji sieci bezprzewodowych - firma ELPRO TECHNOLOGIES (w tym modem industrial Wi-Fi) (w standardzie a). Pasmo 2,4 GHz podzielone jest na 14 kanałów w paśmie 2,4 2,5 GHz, które układają się co 5 MHz od 2412 MHz do 2477 MHz. Każdy kanał ma swoją częstotliwość nośną, która jest modulowana przy przesyłaniu informacji. Szybkość przesyłania danych zależna jest od standardu i odległości między użytymi urządzeniami i wynosi najczęściej 11, 22, 44, 54 lub 108 Mbit/s (przy transmisji w dwóch kanałach jednocześnie). Wi-Fi umożliwia łatwy bezprzewodowy dostęp do Internetu, np. przenośnych komputerów wyposażonych w elementy WLAN. Ze względu na stosowanie protokołu internetowego, nie ma dodatkowych wymagań dla wyższych warstw protokołu (jak w przypadku systemu Bluetooth). Dlatego dla użytkowników urządzeń domowych i biurowych łączonych do Internetu certyfikacja Wi-Fi jest bardzo wygodna, natomiast w środowisku przemysłowym stosować trzeba industrial Wi-Fi, gdyż protokół Internetu przemysłowego jest inny niż jego standardowa wersja. WPAN Wireless Personal Area Networks Są to bezprzewodowe lokalne sieci zgodne z IEEE określającym wymagania dla sieci w bliskim otoczeniu człowieka. Nazwa sieci jest historyczna i obecnie jej zasięg transmisji nie różni się od zasięgu sieci WLAN. IEEE określa przesyłanie danych w paśmie od 2400 MHz do 2483,5 MHz. Warstwa fizyczna i łącza danych są zaadoptowane z technologii Bluetooth w wersji v1.1. Stosuje się technikę FHSS z 80 kanałami na różnych częstotliwościach nośnych z pasmem 1 MHz w każdym z nich. Węzły dołączające się do działającej sieci potrzebują pewnego czasu na zsynchronizowanie się z siecią. IEEE określa przesyłanie danych z dużą szybkością ponad 20 Mbit/s w paśmie 2,4 GHz. IEEE określa przesyłanie danych w paśmie od 868 MHz do 868,6 MHz w Europie i od 2400 MHz 7

4 do 2483,5 MHz na całym świecie. Szybkość transmisji jest mała i może wynosić: 20 Kbit/s, 40 Kbit/s lub 250 Kbit/s. Produkty spełniające w pełni jej parametry są bardzo rzadko używane. Są już osiągalne i stosowane elementy zgodne z IEEE Ostatnio pojawia się także wiele elementów spełniających wymagania normy IEEE Niski pobór mocy i niskie ceny spowodowały, że są już liczne aplikacje stosujące protokół stosu ZigBee lub protokół transmisji z warstwami wyższymi od warstwy łącza danych ZigBee. IEEE stosowany jest przez Bluetooth i sieć firmy ABB nazwaną WISA, która korzysta z warstwy fizycznej tego standardu. Do zastosowań w automatyce wytwarzania stosuje jednak dodatkowe wymagania dla warstwy dostępu do medium, aby spełnić ograniczenia czasowe. Niewątpliwie IEEE sprzyja zastosowaniom przemysłowym. Wykorzystują to producenci aparatury przemysłowej, oferując systemy sieci typu mesh (sieć kratowa) z licznymi węzłami małej mocy pokrywającymi dużą przestrzeń. Wykorzystywany jest protokół TSMP opracowany przez firmę Dust Networks i korzystający z rozwiązania warstwy fizycznej stosowanego w sieci Wireless HART. Istnieje wiele organizacji użytkowników sieci WPAN: Bluetooth Special Interest Group SIG, Zig- Bee Allianz, Hart Communication Foundation HCF, ISA-SP100 Wireless Systems for Automation działająca pod patronatem ISA (The Instrumentation, Systems and Automation Society) i grupa WG12 Wireless Sensor Actor Networks ustanowiona przez User Organisation PROFIBUS & PROFINET International (PI). Wszystkie one pracują nad urządzeniami zgodnymi z IEEE Przewiduje się, że wkrótce prace te zaczną być synchronizowane przez zewnętrzną organizację użytkowników. Bluetooth Technologia ta wykorzystuje standard IEEE z wyższymi warstwami protokołu oraz profilami aplikacyjnymi określonymi przez organizację SIG. Zależnie od mocy nadawania, zakres transmisji wynosi od 10 m do 100 m. Stosowana jest topologia gwiazdy (Piconet) z jednym węzłem master i kilkoma (od 1 do 7) węzłami slave synchronizowanymi na bieżąco przez węzeł master. W sieci może być jednocześnie do 256 węzłów w trybie oczekiwania park. W zastosowaniach przemysłowych szczególnie ważne są funkcje współpracy z sieciami WLAN (Adaptive Frequency Hopping) oraz zwiększanie szybkości przesyłania danych dzięki funkcji EDR (Enhanced Data Rate). Obecnie z technologii Bluetooth korzysta dużo urządzeń przeznaczonych do zastosowań domowych i biurowych np. karty do komputerów PC, modemy RS-232 i pendrive USB. Coraz częściej są spotykane zastosowania w palmtopach i telefonach komórkowych, które mogą być wykorzystywane jako interfejsy do wprowadzania i odczytu danych z systemu automatyki (HMI). Dla systemów automatyki istnieje duża liczba modułów Bluetooth opracowanych przez różne firmy. Są to najczęściej modemy, bramy i oddalone wejścia/wyjścia przeznaczone do różnych systemów sieci przemysłowych. Stale brak jest jednak zdefiniowanych wymagań przedstawianych w tzw. profilach aplikacyjnych koniecznych do uzyskania szerokiego zastosowania tej technologii w automatyce przemysłowej. ZigBee Technologia ta jest oparta na standardzie IEEE z wyższymi warstwami protokołu oraz profilami aplikacyjnymi określonymi przez organizację ZigBee Allianz. Przeznaczona jest do taniej komunikacji radiowej o małej mocy. Szybkość transmisji wynosi 250 Kbit/s w paśmie 2,4 GHz. Uzyskano takie właściwości dzięki dłuższym czasom uśpienia węzłów i skróceniu czasu ich aktywności. Ma, podobnie jak Bluetooth, elementy łatwe do integrowania w urządzeniach automatyki, szczególnie jako modemy bezprzewodowe. ZigBee ma także możliwości pracy w sieci typu mesh, co umożliwia redundancję transmisji, zastępując jedne ścieżki transmisji innymi i pokrywając w pełni przestrzeń objętą systemem. Gotowe elementy sieci bezprzewodowej przeznaczone do wbudowania w urządzenia automatyki firma FORMOSA Sieci typu mesh mają już swoją grupę roboczą, która pracuje nad normalizacją. Ostateczne zatwierdzenie IEEE s ma nastąpić w 2009 r. GSM/GPRS/HSCSD, UMTS GSM (Global System for Mobile Communication) jest uznawany za system drugiej generacji telefonii komórkowej. System pracuje na częstotliwościach 900 MHz i 1800 MHz. Jedno połączenie wykorzystuje jeden spośród zestawu kanałów FDMA i jeden slot czasowy z zestawu slotów TDMA. Maksymalna szybkość transmisji wynosi 9,6 Kbit/s. Można stosować technikę HSCSD pozwalającą na korzystanie z kilku kanałów i wielu slotów czasowych, co zapewnia szybkości 38,4 Kbit/s i 57,6 Kbit/s. W nowszej wersji technologii GPRS pakiety danych są transmitowane wtedy, gdy jest wolny slot czasowy z szybkością 53,6 Kbit/s. Technologia UMTS jest uznawana za trzecią generację telefonii komórkowej i oferuje szybkość transmisji 144 Kbit/s dla poruszających się węzłów (z szybkością do 500 km/h) i 2 MBit/s dla węzłów stacjonarnych. 8

5 Modem GPRS, firmy Phoenix Contact zapewnia dostęp do danych procesu z dowolnego miejsca za pomocą bezpiecznego połączenia typu VPN umożliwiając poprzez protokół TCP/IP dołączenie dowolnego sterownika z interfejsem szeregowym. W modemie zintegrowano dwa wejścia dwustanowe umożliwiając wysyłanie przesyłek alarmowych, w przypadku zmiany stanu tych wejść, za pomocą SMS lub . Wadą tych technologii jest pełna zależność techniczna i ekonomiczna od dostawcy usług. Są jednak liczne ich zastosowania w instalacjach przemysłowych. Większość dotyczy zdalnego monitorowania i sterowania w systemach wodociągowych. Przewiduje się, że za 10 lat technologia UMTS zastąpi systemy GSM. DECT/DPRS System DECT stanowi system telefonii bezprzewodowej, który realizuje metodą radiową dostęp do sieci stałych na obszarach dużego natężenia ruchu telekomunikacyjnego takich, jak porty lotnicze, centra miast czy stacje kolejowe. Wykorzystuje zakres częstotliwości od 1,88 GHz do 1,90 GHz. System transmisji zawiera węzły typu stałego FP (Fixed Parts) i do 12 przenośnych PP (Portable Parts). Maksymalna szybkość transmisji w jednym kanale wynosi 64 Kbit/s. Przy mocy nadawania 250 mw zakres transmisji wynosi 50 m w budynkach i 300 m na zewnątrz. Przy zastosowaniu transmisji pakietowej DPRS osiągana jest szybkość 553 Kbit/s, zastosowanie modulacji DQPSK zwiększa ją do 1,3 MBit/s, a wybranie wersji modulacji D8PSK do 2 MBit/s. DECT ma pewne zalety ważne dla zastosowań przemysłowych. Ma zarezerwowaną częstotliwość, a standaryzacja jej jest zakończona i niezmienna. W Europie nie jest wymagana licencja na jej stosowanie. Technologia ta jest ogólnie uznana za pewną i będzie wykorzystywana jeszcze przez wiele lat, gdyż jest stosowana w telefonii bezprzewodowej, gdzie nie ma innych rywalizujących z nią konkurentów. Są już gotowe urządzenia pracujące w tej technologii, ale niewiele firm je stosuje. WMAN Wireless Metropolitan Networks WMAN to bezprzewodowe sieci miejskie. Podstawowe zadanie tej technologii to przyłączenie użytkownika do szerokopasmowej sieci miejskiej z niezbędnej w mieście odległości ostatniej mili i umożliwienie przesyłania głosu i sygnału wideo. Według IEEE są przewidziane częstotliwości od 2 GHz do 11 GHZ oraz od 10 GHz do 66 GHz. Realnie patrząc, można będzie uzyskać szybkość 20 Mbit/s i zasięg 600 m. W drugim wariancie IEEE celem jest łączenie urządzeń z poruszającego się z szybkością 250 km/h pojazdu do sieci stacjonarnej. Przydzielono tu częstotliwość 3,5 GHz i oczekuje się szybkości transmisji 1 Mbit/s na odległość do 15 km. WiMax Forum to organizacja użytkowników mająca na celu umożliwienie współpracy różnym urządzeniom wykorzystującym tę technologię np. komputerom przenośnym. Technologie te potencjalnie mogą być wykorzystywane w nowych koncepcjach automatyzacji. Obecnie koszt stacji bazowej wynosi około USD, a elementów do laptopa 100 USD. UWB Ultra-Wideband Jest to technologia wykorzystująca nadzwyczaj szerokie pasmo transmisji ponad 500 MHz lub co najmniej 20 % średniej wartości częstotliwości nośnej, która dla Europy wynosi od 3,1 GHz do 10,6 GHz. Podstawowe zastosowania tej sieci to radio o małym zasięgu. Istnieją dwa nurty w UWB. DS-UWB (Direct Sequence UWB) wykorzystuje modulację impulsów, oferując zakres transmisji 100 m przy szybkości transmisji 110 Mbit/s i 1 m przy szybkości 480 Mbit/s. Drugi nurt, MB-OFDM czyli Multi-Band, stosuje przełączanie częstotliwości oraz modulację BPSK lub DQPSK. Uzyskuje się tu zakres transmisji od 1 m do 10 m przy szybkości transmisji do 622 Mbit/s. W przeciwieństwie do USA, w Europie nie wydaje się jeszcze licencji na to pasmo. Z tego powodu oraz braku zatwierdzenia IEEE a, nie ma jak dotąd znanych zastosowań. Organizacje użytkowników UWB Forum i WiMedia Alliance pracują nad zastosowaniami tych sieci w elektronice powszechnego użytku, urządzeniach przenośnych i komputerach PC. W przygotowaniu jest technologia Certified Wireless USB pojawiły się już do niej układy scalone i pierwsze produkty je wykorzystujące. Technologia ta może być w przyszłości bardzo atrakcyjna do zastosowań przemysłowych. Techniki transmisji bezprzewodowej z zastosowaniem niestandardowych protokołów transmisji Ogólnym warunkiem korzystania z systemów transmisji radiowej jest stosowanie w nich częstotliwości zgodnych z przydzielonymi przez odpowiednie urzędy oraz ograniczeń dotyczących przede wszystkim maksymalnej mocy. Poza wymienionymi już standardami transmisji bezprzewodowej w grupie zastosowań dotyczących układów automatyki przemysłowej jest dopuszczone także stosowanie niestandardowych firmowych protokołów transmisji. W grupie tej określonej jako Non-specific Short Range Devices nie jest wymagane stosowanie żadnych norm. Nieokreślone SRD to za- 9

6 stosowania krótkiego zasięgu dotyczące niepublicznych, przenośnych urządzeń przeznaczonych do zdalnego sterowania, alarmowania i przesyłania danych a także, w ograniczonym zakresie, przesyłania sygnałów audio i wideo. Urządzenia działające w tych pasmach nie wymagają uzyskiwania licencji oraz ponoszenia kosztów operacyjnych związanych z korzystaniem z nich. Dlatego są wykorzystywane przez wiele firm, które oferują liczne urządzenia z firmowymi protokołami transmisji. Stosowane są następujące pasma częstotliwości: od 443,05 MHz do 434,79 MHz często stosowane w domowych aplikacjach takich jak: wykrywanie ruchu, systemy immobilizerów, zestawy głowic HiFi, systemy otwierania drzwi i stacje badania pogody. Ten zakres jest rzadko stosowany w automatyce przemysłowej ze względu na dużą liczbę użytkowników i stąd możliwość zakłóceń w transmisji. Ponadto maksymalna szybkość transmisji danych wynosi tylko kilka Kbit/s przy zakresie do 1,5 km. od 868 MHz do 870 MHz zakres podzielony na kilka podzakresów o różnych wypełnieniach i różnej mocy nadawania. Dzięki temu uzyskano mniejsze zakłócenia wzajemne. Pasmo to jest stosowane przez urządzenia w systemach alarmowych. Podobnie jak poprzednio opisane pasmo, ma małe zastosowanie w przemyśle, podobną szybkość i zakres transmisji. od 2400 MHz do 2483,5 MHz pasmo o znacznie większej szerokości i szybkości transmisji do 54 MBit/s. Zasięg transmisji jest znacznie mniejszy: tylko 50 m w budynku i 300 m na zewnątrz przy mocy nadawania 100 mw. W tym paśmie popularne jest stosowanie technologii rozproszonego pasma FHSS i DSSS. Pozwalają one na stosowanie kilku systemów bezprzewodowej transmisji w tej samej przestrzeni bez wzajemnego zakłócania się. Urządzenia muszą spełniać wymagania IEEE , gdzie określono warstwę fizyczną i warstwę łącza danych w protokole transmisji. od 5725 MHz do 5875 MHz zastosowanie tego pasma jest niewielkie ze względu na jeszcze mniejszy zasięg niż w poprzednio opisanym paśmie i bardzo duże tłumienie tak dużej częstotliwości w przeszkodach z ciała stałego. Liczba urządzeń stosujących własne protokoły transmisji w wymienionych pasmach częstotliwości rośnie. Stopień bezpieczeństwa i zakres temperatury pracy odpowiadają wymaganiom przemysłowym. Są nawet rozwiązania przeznaczone do stref zagrożonych wybuchem i dla systemów bezpieczeństwa. Uzyskiwane są czasy reakcji zbliżone do 100 ms. Znane są zastosowania w przemyśle gazowniczym i przetwórstwa System Wtrans firmy JUMO stosuje firmowy protokół w paśmie transmisji 868 MHz do przesyłania danych z wielu czujników temperatury ropy naftowej, w kopalniach, papierniach, zakładach energetycznych, ściekowych i wodnych. Najczęstsze sposoby zastosowania to bezprzewodowe połączenie punktowe pomiędzy dwoma urządzeniami kablowej sieci przemysłowej przesyłającej dane oraz małe stacje zbierania danych z wejściami analogowymi i cyfrowymi. Najczęściej stosowane jest pasmo 868 MHz. Ze względu na brak wymagania uzyskania licencji powstało już wiele takich systemów, m.in. EnOcean, nanonet, Z-Wave i Konnex, znane z zastosowań w budynkach, i WirelessUSB 2,4 GHz opracowany przez Cypress Semiconductor. Powstały też dwie technologie: MDMA kładąca nacisk na dużą odporność na zakłócenia transmisji i wykorzystująca wielościeżkowość transmisji oraz PSSS uzyskująca dużą szybkość transmisji (1 Mbit/s), przy małym poborze mocy. Wymienione pasma częstotliwości używane są także do innych zastosowań. Najważniejsze z nich to identyfikacja za pomocą technologii RFID, której został poświęcony oddzielny artykuł w tym numerze PAR. Przykład firmowego rozwiązania sieci bezprzewodowych Protokół WirelessHART Communication to pierwszy w pełni otwarty standard przeznaczony dla zakładów przemysłowych i oparty na protokole HART, który ma obecnie najwięcej praktycznych zastosowań w systemach sterowania procesami przemysłowymi. Protokół ten ma między innymi tę zaletę, że jego nowsze wersje są zawsze kompatybilne ze starszymi pracującymi już w wielu fabrykach. Jego podstawowe zalety to niski koszt eksploatacji i proste zasady instalowania oraz duża pewność i bezpieczeństwo systemu. Dzięki temu opłaca się go instalować w tych oddalonych instalacjach, dla których tradycyjne systemy komunikacyjne Firma Pepperl+Fuchs oferuje bramę systemu WirelessHART oraz adaptery do transmisji radiowej dla zainstalowanych wcześniej przetworników pomiarowych 10

7 były nieopłacalne lub trudne do realizacji. Użytkownicy systemu zrzeszeni są w organizacji Hart Communication Fundation, która jest międzynarodową organizacją typu non-profit zrzeszającą ponad 200 firm światowych (w tym ABB, Siemens, Endress+Hauser, Emerson i Phoenix Contact) i kontrolującą rozwój tej technologii oraz jej standaryzację. Sieć oferuje obecnie protokół HART 7 najnowszą wersję protokołu zawierającą także rozwiązania dla bezprzewodowej komunikacji. Stosowane są w niej trzy podstawowe rodzaje elementów sieci: bezprzewodowe urządzenia pomiarowe bramy pełniące jednocześnie rolę urządzenia zarządzającego siecią oprogramowanie do zarządzania siecią Network Manager, które może być zainstalowane w bramach lub w specjalnym sterowniku przeznaczonym do sterowania procesem. Urządzenia pomiarowe typu wireless lub tradycyjne przetworniki z przystawkami do komunikacji bezprzewodowej połączone są drogą radiową z bramami bezpośrednio lub, przy większej odległości, poprzez sąsiadujące urządzenia wireless. Oprogramowanie Network Manager jest odpowiedzialne za nieprzerwaną transmisję w sieci i wybiera w tym celu optymalne trasy do przesyłania wiadomości. Transmisja odbywa się w nielicencjonowanym paśmie 2,4 GHz. Ma to swoje zalety, ale mogłoby też być powodem zakłóceń od innych systemów pracujących w tym samym paśmie. Dlatego sieć WirelessHART stosuje technikę FHSS, czyli skakanie po 16 kanałach zgodnie ze standardem IEEE Urządzenia pracujące w tym systemie mają zasięg do 300 m. Wymiana informacji odbywa się w ściśle określonych oknach czasowych. Zmniejsza to pobór mocy urządzeń i zwiększa odporność na zakłócenia przez inne systemy, ale wymaga synchronizacji czasowej urządzeń. Protokół transmisji zapewnia poświadczanie odbioru przesyłek i kodowanie w celu uniemożliwienia odczytu przez niepowołane osoby. Elementy systemu EnOcean z własnym zasilaniem wykonane jako elementy typu OEM do wbudowania w różne produkowane urządzenia Zakończenie Nowością ostatnich lat jest uniezależnianie urządzeń nadawczych od zawodnych źródeł zasilania przez wyposażanie ich we własne, wewnętrzne i bezobsługowe generatory energii elektrycznej. Wykorzystuje się do tego miniaturowe przetworniki energii mechanicznej, słonecznej lub cieplnej zależnie od wersji urządzenia i jego możliwości uzyskania energii z zewnątrz. Wiele firm stosuje już w swoich produktach takie rozwiązanie autorstwa firmy EnOcean. Na przykład nadajniki monitorujące pracę mechanicznych przełączników, kontrolujących pozycję ruchomych części maszyn, oferuje firma.steute. Zastosowano w nich generatory elektrodynamiczne wykorzystujące ruch przełącznika do uzyskania energii elektrycznej potrzebnej do wysłania sygnału radiowego. Różnorodność rozwiązań technicznych w transmisji bezprzewodowej stwarza potrzebę dalszej ich standaryzacji. Szczególnie dla instalacji przemysłowych ważne jest, aby urządzenia różnych firm i różnych systemów były licznie wykorzystywane i mogły współpracować ze sobą. 11