Sammenligning af trådløse protokoller til industriel automatisering

Den fjerde industrielle revolution (Industry 4.0) har givet maskiner mere intelligens og automatiserede faciliteter med mere effektivitet og fleksibilitet. Disse stadig mere komplekse systemer har drevet indførelsen af trådløs kommunikation i industrielle miljøer. Industri 4.0 intelligente maskiner og modulær automatisering defineres trods alt af:

• Sikker og fleksibel kontrolforbindelse
• Indsamling og løbende justering af produktionsprocesværdier
• Overvågning af maskinkondition til forudsigelige vedligeholdelsesrutiner
• Netværk til store dataanalysefunktioner

Trådløse teknologier, der understøtter disse funktioner er baseret på standarder og protokoller for cellulær, Wi-Fi, Bluetooth og IEEE 802.15.4 kommunikation. Det skyldes til dels, at designingeniører forventer kompatibilitet af komponenter fra forskellige leverandører, hvilket pr. definition kræver konnektivitet gennem standard industri-grænseflader og ikke proprietære grænseflader. Interoperabilitet er faktisk kun et aspekt af industri 4.0.

Figur 1: Trådløs forbindelse er nøglen til at koordinere materialehåndtering og opvaer til kollaborative robotter. (Billedkilde: Getty Images)

Individuelle enheder, der indeholder trådløs kommunikation, er typisk dyrere end kabelforbundne netværk. Dette øgede forskud på omkostningerne udlignes dog på flere måder og trådløse enheder viser sig ofte at være den mest omkostningseffektive løsning på lang sigt. Det er fordi omkostningerne ved at føre kabler gennem et produktionsområde kan være betydelige. Det kræver en indsats at planlægge føringen af kabler og deres stik. Yderliger kræver kabler beskyttelse og fysisk støtte fra kabelbakker eller bærere, koblingsbokse og andet tilbehør. Planlægning, bestilling og installation af al denne kabelrelaterede hardware forlænger den tid, det tager at implementere et netværk.

Wi-Fi-baserede standarder for automatisering

Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) udgav 802.11 i 1997, hvor standarden for trådløs implementering af lokalnetværk (LAN'er) blev defineret. For at sikre, at markedet udnytter denne standard fuldt ud, er fuldte industrikonsortiet op med Wi-Fi Alliance kort tid efter, ledet af virksomheder med trådløse enheder, der er interesserede i at etablere test- og certificeringsprogrammer for at opretholde interoperabilitet på tværs af leverandører. I dag er Wi-Fi-standarden som defineret af IEEE 802.11 suppleret med yderligere Wi-Fi Alliance-standardisering for usædvanlig pålidelig kompatibilitet af enheder, der overholder disse krav.

Figur 2: Industri 4.0 (også kaldet Industrial Internet of Things eller IIoT) er uløseligt bundet til adoption af trådløse teknologier. Ved at anvende standardiserede grænseflader til at muliggøre tilslutning mellem forskellige enheder og computersystemer omfatter disse trådløse teknologier mobile enheder, der bruges som HMI'er (som vist her), samt utallige andre trådløse feltkomponenter, der kommunikerer maskinstatus. (Billedkilde: Getty Images)

Mens Wi-Fi er ganske nyttigt til overvågning af applikationer men tilslutning af maskiner til systemer på virksomhedsniveau, Wi-Fi-hastighed, forsinkelse og tilslutning-stabilitet har begrænset sin anvendelse i krævende industrielle automatisering applikationer relateret til maskinstyring. Det betyder, at Wi-Fi i industrielle applikationer i dag for det meste er begrænset til anvendelser, der har begrænsede krav. Disse inkluderer:

• Stregkodescannere, der kommunikerer data til produktionseksekveringssystemer (MES), og som acceptere forsinkelser
• Bevægelsessensorer, der ikke er involveret i realtidsfunktioner
• Langtidsovervågning af maskinens tilstand med sensorer såsom accelerometre (til sporing af vibrationsdannelse over tid) samt temperatur-, tryk-, fugtigheds- og gaskoncentrationssensorer til overvågning af udstyrets effektivitet og sundhed

Figur 3: Selvom Wi-Fi ikke er egnet til maskinstyring, er Wi-Fi nyttigt til applikationer til maskinovervågning og tilslutning fra fabriksgulvet til systemer på enterprise niveau. (Billedkilde: The Wi-Fi Alliance)

Der har været flere forsøg på at tilpasse Wi-Fi til industrielle kontrolapplikationer, men disse har haft begrænset succes. En undtagelsesprotokol med en vis vellykket IIoT-indførelse er det trådløse netværk til industriel automatisering og procesautomatisering (WIA-PA), der er en kinesisk industriel trådløs kommunikationsstandard.

Wi-Fi fungerer naturligvis ved enten 2,4 eller 5 GHz, med højere frekvenser, der muliggør hurtigere dataoverførsel, men reduceret rækkevidde på grund af den måde, hvorpå højere frekvenser lettere spredes, når de passerer gennem vægge og andre faste genstande. Specialiserede standarder anvender andre frekvensbånd. For eksempel opererer IEEE 802.11ah lav-data Wi-Fi (HaLow Wi-Fi) omkring 900 MHz og anvendes normalt i sensorer, der har brug for udvidede områder og meget lavt strømforbrug. Den anden ekstreme IEEE 802.11ad Wi-Fi (WiGig) fungerer ved omkring 60 GHz for at levere meget hurtig dataoverførsel.

IEEE 802.15.4-baserede trådløse standarder

Andre trådløse indstillinger er lavpris trådløse personlige netværk eller LR-WPAN'er som defineret af IEEE 802.15.4-standarden. LR-WPAN-teknologier prioriterer lave omkostninger og lav effekt frem for hastighed og rækkevidde. Den grundlæggende specifikation, der tillader dataoverførselshastigheder på 250 kbit/sek og rækkevidde op til 10 m, er teknologier, der anvender LR-WPAN-kommunikation, beregnet til at muliggøre kommunikation mellem billige enheder uden yderligere kommunikationsinfrastruktur. Protokoller baseret på IEEE 802.15.4-standarden såsom 6LoWPAN, WirelessHART og ZigBee bliver hurtigt de foretrukne IIoT-protokoller.

1. WirelessHART: En 802.15.4-baseret protokol understøttet af HART Communications Foundation, ABB, Siemens og andre der kaldes WirelessHART. Dette er en velunderstøttet og robust standard for industrielle automatiseringsapplikationer. Netværkets pålidelighed opretholdes ved hjælp af et frekvenshoppende mesh-netværk med tidssynkronisering. I modsætning hertil bruger de fleste trådløse kommunikationsprotokoller baseret på Wi-Fi- og cellulære teknologier en mindre robust stjernenetværkstopologi, der kræver, at alle enheder opretter forbindelse til en central enhed. Al kommunikation krypteres ved hjælp af 128-bit AE'ER, og brugeradgangen kan kontrolleres nøje.

Figur 4: LTP5903-WHR SmartMesh-netværksmanager understøtter line-powered WirelessHART-gateways for at lade ingeniører integrere et standardbaseret trådløst sensornetværk til skalerbar tovejskommunikation. (Billedkilde: Analog Devices)

Da WirelessHART bruger en mesh-topologi, kan data dirigeres direkte mellem enheder. Dette kan udvide netværksområdet og danne redundante kommunikationsveje. Hvis en sti mislykkes, skifter afsenderen automatisk til en overflødig sti. Frekvenshopping giver også WirelessHART mulighed for at undgå problemer med interferens.

2. 6LoWPAN: IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks (almindeligvis kaldet 6LoWPAN) er en protokol, der gør det muligt for IPv6-pakker at sende over et IEEE 802.15.4-baseret netværk. Det betyder, at meget lave strømenheder kan oprette forbindelse til internettet, hvilket gør det velegnet til IoT-sensorer og andre lavenergienheder.

3. ZigBee: Vedligeholdes af Zigbee Alliance og den mest brugt i applikationer til smart-home og bygningsautomation er ZigBee måske den mest etablerede IEEE 802.15.4-baserede protokol. ZigBee lader knudepunkter forblive i dvaletilstand det meste af tiden for at forlænge batterilevetiden. ZigBee fungerer typisk i 2,4 GHz-båndet og har en fast dataoverførselshastighed på 250 kbit/sek. Det kan understøtte forskellige netværkstopologier, herunder stjerne, træ og mesh. Træ- og mensh-topologier udvider netværksområdet.

Figur 5: Zigbee er nyttig til (blandt andre applikationer) bevægelses-, vibrations-, fugtigheds-, temperatur- og tilstedeværelsessensorer i industrielle omgivelser. (Billedkilde: Zigbee Alliance)

Bluetooth LE og cellulær IoT i industriel automatisering

Bluetooth Low Energy (BLE) er et alternativ til IEEE 802.15.4, hvor lave omkostninger og lav effekt er topprioriteter, og hastighed såvel som rækkevidde kan ofres. Det opererer på samme 2,4 GHz-frekvens som standard Bluetooth. Den største fordel ved Bluetooth LE er, hvordan det er understøttet af mobile operativsystemer som Android fra Open Handset Alliance, iOS fra Apple og forskellige permutationer af Microsofts Windows. Dette, samt det faktum, at store elektronikleverandører som f.eks Logitech Corp. har investeret store beløb i R & D gør at Bluetooth LE stadig primært er en trådløs tilslutningsmulighed for forbrugsenheder. Dette er i modsætning til WirelessHART, som primært har været og forbliver fokuseret på IIoT-applikationer.

Figur 6: Bluetooth Low Energy (BLE) -standarden har en seriel portprofil, som systemerne genkender som en komplet seriel grænseflade , der er nyttig til at erstatte kablede enheder med opgraderinger forbundet med BLE. (Billedkilde: Bluetooth Special Interest Group)

Når dette er sagt, har vi de seneste par år set en del af sensorer, fjernbetjeninger, låse og håndholdte enheder, der anvender Bluetooth LE til industrielle automatiseringsopgaver. Denne tendens vil sandsynligvis stige i de kommende år.

I modsætning til BLE og IEEE 802.15.4-baserede protokoller til energibesparende kommunikation til kort distance me cellulære teknologier trådløs kommunikation til lang distance. 2G GSM cellulære protokol er for det meste blevet erstattet af 3G og 4G højhastigheds cellulære protokoller i mobiltelefoner og IoT-enheder. Ulempen er, at mobilkommunikation bruger betydelig mere strøm, så i industrielle applikationer (især til sådanne tilslutningsmuligheder på maskiner) er systemet tilsluttet en permanent kablet strømforsyning. Cellulære LTE-kategorier angiver maksimale dataoverførselshastigheder på bekostning af højere strømforbrug. LTE Cat-0 og Cat-1-tilslutning er velegnet til IoT-enheder. I modsætning hertil er LTE-M en cellulær protokol med lav effekt, der er designet specielt til M2M- (maskin-til-maskine) og IoT-applikationer.

I modsætning til dets relativt udbredte anvendelse i mobiltelefoner er industrielle 5G-applikationer mindre moden. Det skyldes, at forbrugerne prioriterer downloadhastigheder (så har været hurtige til at anvende indledende 5G-enheder), og ingeniører af IIoT-systemer prioriterer lav forsinkelsestid og dækning. Faktisk er lav forsinkelsestid af største betydning i industriel automatisering. Det er sandt, at de første 5G-netværk har en forsinkelsestid på under 30 msek, men der er bestræbelser på at bringe forsinkelsestidden yderligere ned til blot 1 msek. Det er hurtigt nok til krævende realtids industriel kontrol (ikke kun overvågning) applikationer - som f.eks. transmission af feedback-signaler i værktøjsmaskiner.

En måde, 5G reducerer forsinkelsestiden er med netværksopdeling (network slicing). Denne netværksteknik opdeler et netværks båndbredde i forskellige virtuelle databaner, som derefter administreres individuelt. Nogle databaner er forbeholdt transmissioner med lav forsinkelse, hvor størstedelen af trafikken er forbudt at benytte disse databaner. Så må kun industrielle styringsapplikationer, der har brug for den hurtigste transmission, benytte disse reserverede hurtige databaner.

Stigningen i den trådløse LoRA-protokol

Langtrækkende bredspektret netværksmodulation (LoRA) er den billige trådløse protokol, du vælger til fjerntliggende og offshore-applikationer inden for vedvarende energi, minedrift og logistikindustri. Det er en trådløs teknologi med lav effekt, der kan kommunikere over meget lange afstande - selv ud over 10 km på et batteri i op til 10 år. Kort sagt er LoRA en ikke-cellulær teknologi, som opererer i de licensfrie frekvensbånd. Det benytter subgigahertz frekvensbånd såsom 433 og 915 MHz og spread-spectrum graduering baseret på chirp spread spektrum (CSS) graduering. Dette gør det meget velegnet til IoT-enheder, der er indstalleret på fjerntliggende steder, der kun har brug for lav dataoverførselshastigheder. LoRA er også udstyret med 128-bit kryptering og godkendelse kontrol. En anden nyttig funktion (især for sensorer i IIoT-applikationer) er geolokalisering ved hjælp af trilateration mellem enheder.

LoRA bruger beskyttede teknologier udviklet af Semtech Corp., men har et stort udvalg af open source-elementer. Det understøttes (og enhedsinteroperabilitet sikres) af LoRa Alliance, som er større forening, der omfatter IBM, Cisco, TATA, Bosch, Swisscom og Semtech.

Konklusion

Der er masser af trådløse protokoller til industriel automatisering. Hver er velegnet til bestemte applikationer. Anvendelser, der kræver lavt strømforbrug og accepterer kortdistance transmissioner, nyder ofte godt af ZigBee og Bluetooth LE tilslutning. Mere krævende industrielle applikationer, der kræver robust kommunikation, kan det være nødvendigt at benytte enheder, der har trådløse WirelessHART-forbindelser. Anvendelser, der kræver langdistance transmission, høje dataoverførselshastigheder, kræver cellulær forbindelse. Her er 5G klar til at transformere trådløs kommunikation. Kommunikation af data over meget lange afstande (og forbrugende minimal effekt) er ofte bedst gennem LoRa.