Průmysl 4.0 je definován bezpečným a adaptabilní ovládáním, které je schopno se přizpůsobit jakémukoliv výrobnímu procesu. Součástí je neustálé monitorování strojů pro prediktivní údržbu. Pro rychlou a přesnou analýzu dat je nutné mít k dispozici všude přítomnou rychlou a spolehlivou síť.

Bezdrátové technologie pro průmyslové prostředí jsou založeny na standardech a protokolech mobilních sítí, Wi-Fi, Bluetooth nebo IEEE 802.15.4.To je dáno tím, že je požadována kompatibilita komponent od různých dodavatelů. Pro konstruktéry výrobních linek je výhodnější konektivita prostřednictvím standardních průmyslových rozhraní a nikoli pomocí proprietárních řešení. Nakonec interoperabilita je jedním z aspektů Průmyslu 4.0.

Obrázek 1: Bezdrátové připojení je klíčem ke koordinaci pohybu s materiálem a společných robotických úkolů. (Zdroj obrázku: Getty Images)

Jednotlivá zařízení zahrnující bezdrátovou komunikaci jsou obvykle dražší než zařízení s kabelovým připojením. Tento počáteční cenový rozdíl, se rychle eliminuje. Kabelové propojení v průmyslové hale není levná záležitost. Plánování, kde bude kabel veden, kde bude kabel ukončen není jednoduché, jelikož se musí vzít v potaz bezpečnost a také nějaká flexibilita. Navíc kabely vyžadují fyzickou ochranu v podobě kabelových žlabů, spojovacích skříněk a dalšího příslušenství, které stojí nemalé finanční prostředky.

Standardy založené na Wi-Fi

Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) vydal standard 802.11 v roce 1997 definující standardní bezdrátovou implementaci lokálních sítí (LAN). Aby bylo zajištěno, že trh plně využije tento standard, brzy následovalo průmyslové konsorcium Wi-Fi Alliance - vedené společnostmi zabývajícími se bezdrátovými zařízeními, které mají zájem o zavedení testovacích a certifikačních programů pro zachování interoperability produktů mezi dodavateli.

Obrázek 2: Průmysl 4.0 (nazývaný také průmyslový internet věcí nebo IIoT) je neoddělitelně spjat s přijetím bezdrátových technologií. Tyto bezdrátové technologie využívající standardizovaná rozhraní umožňují propojení mezi různými zařízeními, výpočetními systémy nebo mobilními zařízeními používaná jako HMI (jak je zde ukázáno).(Zdroj obrázku: Getty Images)

Problémy s rychlostí, latencí a stabilitou připojení Wi-Fi v náročných aplikacích způsobily omezení použití této technologie v průmyslu pro řízení strojů. To znamená, že Wi-Fi se v průmyslových aplikacích používá následujícím způsobem:

• Čtečky čárových kódů, které sdělují data výrobním systémům (MES), sekundové zpoždění není problémem
• Pohybové senzory, kde není vyžadována reakce v reálném čase
• Dlouhodobé monitorování stavu stroje pomocí senzorů, jako jsou akcelerometry (sledování vibrací v čase), jakož i senzory teploty, tlaku, vlhkosti a koncentrace plynu pro monitorování účinnosti a stav zařízení – prediktivní údržba

Obrázek 3: Ačkoli technologie Wi-Fi není vhodná pro přímé ovládání strojů, své uplatnění najde pro monitorování strojů a pro připojení k podnikovým systémům. (Zdroj obrázku: Aliance Wi-Fi)

Bylo několik pokusů o přizpůsobení Wi-Fi průmyslovým řídicím aplikacím, ale výsledek byl vždy nepřesvědčivý. Za zmínku stojí bezdrátová síť pro průmyslovou automatizaci (WIA-PA) - čínský průmyslový standard bezdrátové komunikace.

Wi-Fi pracuje na frekvenci 2,4 nebo 5 GHz. Specializované standardy Wi-Fi používají i jiná frekvenční pásma. Například IEEE 802.11ah low-data Wi-Fi ( HaLow Wi-Fi) pracuje kolem 900 MHz a obvykle se používá u senzorů vyžadujících rozšířený dosah a velmi nízkou spotřebu energie. Na druhém konci pásma pracuje IEEE 802.11ad Wi-Fi ( WiGig ) kolem 60 GHz, který vyniká velmi rychlým přenosem dat.

Bezdrátové standardy založené na IEEE 802.15.4

Protokoly založené na standardu IEEE 802.15.4 jsou 6LoWPAN, WirelessHART a ZigBee. Technologie LR-WPAN upřednostňuje nízké náklady a nízkou spotřebu před rychlostí a dosahem. Základní specifikace umožňuje přenos dat rychlostí 250 kbit / s a ​​dosahem 10 m.

WirelessHART: 

Protokol na bázi 802.15.4 podporovaný HART Communications Foundation , ABB, Siemens a dalšími se nazývá WirelessHART. Jedná se o dobře podporovaný a robustní standard pro průmyslovou automatizaci. Frekvenční hopping s časovou synchronizací zvyšuje spolehlivost sítě. Většina bezdrátových komunikačních protokolů založených na Wi-Fi a mobilních technologiích používá méně robustní hvězdnou síťovou topologii, která vyžaduje připojení všech zařízení k centrálnímu zařízení. U sítě WirelessHART tomu tak není. Veškerá komunikace je šifrována pomocí 128bitového AES a přístup uživatelů lze důrazně kontrolovat.

Obrázek 4: Správce sítě LTP5903-WHR SmartMesh podporuje brány WirelessHART napájené z linky a umožňuje technikům integrovat bezdrátovou síť senzorů založenou na standardech pro škálovatelnou obousměrnou komunikaci. (Zdroj obrázku: Analog Devices )

Protože WirelessHART používá mesh topologii, lze data směrovat přímo mezi zařízeními. To rozšiřuje rozsah sítě a tvoří další redundantní komunikační cesty. Pokud jedna cesta selže, odesílatel se automaticky přepne na redundantní cestu. Přeskakování frekvencí také umožňuje WirelessHART vyhnout se problémům s rušením.

6LoWPAN: 

IPv6 přes bezdrátovou síť s nízkou spotřebou (běžně nazývané 6LoWPAN) je protokol, který umožňuje přenos paketů IPv6 přes síť založenou na IEEE 802.15.4. To znamená, že zařízení s velmi nízkou spotřebou energie se mohou připojit k internetu, takže se dobře hodí pro senzory IoT a další zařízení s nízkým výkonem.

ZigBee

Tento protokol je udržován organizac Zigbee Alliance a je nejrozšířenější v aplikacích pro inteligentní domácnosti a automatizaci budov. Je možná nejrozšířenějším protokolem založeným na IEEE 802.15.4. Umožňuje uzlům zůstat většinu času v režimu spánku a výrazně tak prodloužit výdrž baterie. ZigBee obvykle pracuje v pásmu 2,4 GHz a má pevnou rychlost přenosu dat 250 kbit / s. Může podporovat různé topologie sítě, včetně hvězdy, stromu a mesh sítě. Topologie strom a mesh značně rozšiřuje dosah sítě.

Obrázek 5: Zigbee protokol je vhodný pro snímače pohybu, vibrací, vlhkosti, teploty a přítomnosti v průmyslovém prostředí. (Zdroj obrázku: Zigbee Alliance)

Bluetooth LE a mobilní IoT v průmyslové automatizaci

Bluetooth Low Energy (BLE) je alternativou k IEEE 802.15.4, kde jsou nejvyšší prioritou nízká cena a nízká spotřeba energie a je možné obětovat rychlost i dosah. Pracuje na stejné frekvenci 2,4 GHz jako standardní Bluetooth. Hlavní výhodou Bluetooth LE je to, jak je nativně podporován mobilními operačními systémy, jako je Android Open Handset Alliance, iOS společnosti Apple a různé verze systému Windows. Velcí dodavatelé elektroniky, jako je Logitech Corp., investovali mnoho finančních prostředků do výzkumu a vývoje. Není proto divu, že Bluetooth LE je tak vehementně rozšířen ve spotřebních zařízeních. To je rozdíl od WirelessHART, který byl a zůstává primárně zaměřen na průmyslové aplikace.

Obrázek 6: Standard Bluetooth Low Energy (BLE) má profil sériového portu, který systémy rozpoznávají jako úplné sériové rozhraní - užitečné pro nahrazení kabelových zařízení upgradem připojeným pomocí BLE. (Zdroj obrázku: Bluetooth Special Interest Group )

V posledních několika letech došlo k rozvoji senzorů, dálkových ovladačů, zámků a ručních zařízení využívajících Bluetooth LE pro průmyslovou automatizaci.Tento trend se pravděpodobně v příštích letech ještě zvýší. Protokoly BLE a IEEE 802.15.4 jsou určeny pro nízkoenergetickou komunikaci na krátkou vzdálenost. Mobilní bezdrátové technologie jsou určeny pro komunikací na velkou vzdálenost.

2G GSM mobilní protokol byl většinou nahrazen 3G a 4G vysokorychlostními mobilními protokoly. Háček spočívá v tom, že mobilní komunikace spotřebovává značnou energii, takže v průmyslových aplikacích, zejména pro připojení přímo na strojích, musí být tento komunikační modul mít vlastní napájecí zdroj o velké kapacitě.

Konektivita LTE Cat-0 a Cat-1 je vhodná pro zařízení IoT. Naproti tomu LTE-M je nízkoenergetický mobilní protokol navržený speciálně pro aplikace typu stroj-stroj a IoT.

Na rozdíl od relativně rozšířeného použití v mobilních telefonech jsou průmyslové aplikace 5G méně rozšířené. Je to proto, že spotřební zákazníci upřednostňují rychlost stahování, ale v průmyslu je požadována nízká latence. První 5G sítě drží latenci pod 30 ms, ale existují snahy snížit latenci ještě více a to na 1 ms. To by bylo již dostatečně rychlé pro náročné aplikace průmyslového řízení v reálném čase (nejen pro monitorování) - například pro přenos signálů zpětné vazby v obráběcích strojích.

Jedním ze způsobů, jak 5G snižuje latenci, je segmentace sítě. To znamená, že šířka pásma sítě se rozdělí do různých virtuálních sub-pásem, které jsou poté jednotlivě spravovány. Některé sub-pásma jsou vyhrazena pro přenosy s nízkou latencí - většina provozů má zakázáno tyto sub-pásma používat. Některé vyhrazené rychlé sub-pásma slouží jen pro průmyslové řízení, které vyžadují nejrychlejší přenos.

Vzestup bezdrátového protokolu LoRA

Long-range wide-area network modulation (LoRA) je nízkonákladový bezdrátový protokol pro vzdálené aplikace. Jedná se o bezdrátovou technologii s nízkou spotřebou, která dokáže komunikovat na velmi dlouhou vzdálenost - dokonce i přes 10 km - na jednu baterii až 10 let. Stručně řečeno, LoRA je technologie pracující v bezlicenčních frekvenčních pásmech.  Využívá sub-gigahertzová frekvenční pásma, jako je 433 a 915 MHz, a modulaci rozprostřeného spektra založenou na modulaci chirp spread spectrum (CSS). Díky tomu je velmi vhodná pro zařízení IoT, která potřebují komunikovat na dlouhou vzdálenost a neopotřebují přenášet velký objem dat. LoRA obsahuje 128bitové šifrování a autentizaci. Další užitečnou funkcí (zejména u senzorů v aplikacích IIoT) je geolokace pomocí trilaterace mezi jednotlivými zařízeními.

LoRA používá proprietární technologie vyvinuté společností Semtech Corp.,  ale má širokou škálu prvků typu open-source. Podporuje a interoperabilitu jednotlivých zařízení zajišťuje Aliance LoRa - velká asociace členů IBM, Cisco, TATA, Bosch, Swisscom a Semtech.

Závěr

Bezdrátových protokolů pro průmyslovou automatizaci je spousta. Každý z nich je vhodný pro určité aplikace. Pro aplikace, které vyžadují nízkou spotřebu energie a potřebují komunikovat na krátkou vzdálenost, jsou vhodné protokoly ZigBee a Bluetooth LE. Náročnější průmyslové aplikace vyžadující robustnost komunikace lze připojit pomocí WirelessHART. Pro komunikaci na velké vzdálenosti, ke není nutné přenášet velké množství dat lze zvolit technologii LoRa. 5G je připraveno transformovat bezdrátovou komunikaci a v budoucnu možná nabídne alternativu pro průmyslovou komunikaci, pokud klesne latence na požadovanou úroveň.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Jody Muelaner.