Brezžično povezovanje naprav v industrijskih okoljih

I. UVOD

Pri povezovanje naprav v Industrijskih okoljih morajo biti zadovoljene posebne zahteve, ki jih morajo produkti in rešitve za brezžično povezovanje v celoti izpolnjevati. Le-te so predvsem: popolna varnost, zanesljivost, prilagodljivost ter razširljivost. Glavna prednost brezžičnega povezovanjea naprav je učinkovito nadomeščanje dragega žičnega povezovanja v zahtevnih industrijskih okoljih in omogočanje lokalnega in oddaljenega upravljanja in nadzora naprav v industrijskih obratih, na proizvodnih linijah, v avtomatizaciji in nadzoru javnih, zasebnih in poslovnih objektih, čistilnih napravah, vodovodnih postajah, elektrodistribucijskih postajah, skladiščih naftnih derivatov, naftovodih, hidro elektrarnah, itd.

II. PREDNOST BREZŽIČNIH POVEZAV

V obstoječih zahtevnih industrijskih okoljih je ob namestitvi dodatnih naprav, ki jih je potrebno centralizirano nadzirati in upravljati, dodatno polaganje povezovalnega ožičenja zelo zahtevno in drago opravilo. Primernejša rešitev je uporaba brezžičnega povezovanja. Implementacija produktov in rešitev za brezžično povezovanje je enostavna, hitra in velikokrat cenovno ugodnejša. Omogoča učinkovit nadzor in upravljanje naprav. Naprave brezžično povežemo na centralni upravljalni sistem z ustreznmi brezžičnimi adapterji (modemov).
Pomembna prednost brezžičnih naprav je tudi neobčutljivost na mehanske, fizične in kemijske poškodbe, na katere so zelo občutljive žične povezave. Brezžične povezave omogočajo tudi veliko prilagodljivost ob premestitvah naprav in izredno poenostavijo dodajanje novih naprav na obstoječe instalacije. Zamudno in drago polaganje kablov ni potrebno. Zelo pomembna prednost brezžičnih povezav je, da omogočajo tudi povezovanje premičnih strojev (bagerji, kamioni, žerjavi,...).
Produkti in rešitve brezžičnega povezovanja naprav omogočajo učinkovito M2M (Machine to Machine) komuniciranje in s tem naprednejše možnosti povezovanja naprav preko interneta, ki bo omogočilo nov zagon pri razširitvah uporabe interneta.

III. SLABOSTI TRADICIONALNEGA BREZŽIČNEGA POVEZOVANJA

V svojem bistvu je brezžični prenos manj varen kot žični prenos. Pokritost z brezžičnim signalom ni povsod ustrezno zagotovljena, kvaliteta signala ni vedno stabilna in je podvržena motnjam. Zelo razširjena in popularna brezžična tehnologija Wi-Fi (IEEE 802.11) in Bluetooth se nista uspešno uveljavila v industrijskih aplikacijah, saj tudi nista bili razviti za uporabo v industrijskih okoljih in ne izpolnjujeta posebnih zahtev tega okolja, v katerem je varnost in zanesljivost povezav bistvenega pomena. Tradicionalni brezžični produkti in rešitve enostavno niso ustrezni za uporabo v industrijskih aplikacijah.

IV. ZAHTEVE ZA BREZŽIČNO POVEZOVANJE V INDUSTRIJSKIH OKOLJIH

Brezžično omrežje mora biti zanesljivo in enostavno za namestitev, obratovanje in vzdrževanje ter ne sme zahtevati veliko človeških posegov. Vse naprave morajo biti sposobne brezžičnih povezav z mesta kjer so postavljene, na način da jih ni potrebno premikati. Uporaba brezžičnega povezovanja mora biti ekonomsko upravičena, cenejša od žičnega povezovanja. Napake pri prenosu morajo biti manjše od nivoja napak, ki ga pričakujejo uporabniki.
Zelo velike prenosne hitrosti niso potrebne, izrednega pomena pa so zanesljivost, prilagodljivost in razširljivost. Naprimer, industrijski senzorji pošljejo le nekaj bitov dolgo podatkovno sporočilo (temperatura, pritisk, vlaga,...) na sekundo ali minuto. Torej ni potrebna velika prenosna hitrost, pomembno pa je, da se ti podatki prenašajo varno in zanesljivo.
Varen prenos podatkov je v industrijskih okoljih najpomembnejši in brezžične povezave morajo zagotoviti enako varnost prenosa kot žične povezave. Pomembna zahteva je prilagodljivost. Rešitev brezžične povezave se mora enostavno prilagoditi in vključiti v obstoječe okolje nameščene opreme, brez njenega premikanja. Razširljivost mora omogočiti enostavno povečanje števila naprav vključenih v brezžične povezave. Omogočeno mora biti delovanje v razširjenem delovnem temperaturnem območju -30°do + 70°C.

Vsem tem zahtevam v največji možni meri zadostijo produkti in rešitve delujoči na osnovi ZigBee tehnologije in tehnologije mobilnih omrežji GPRS/EDGE/UMTS.

V. KAJ JE ZIGBEE?

ZigBee je brezžična tehnologija razvita kot odprt globalni standard, primerna za uporabo v nizko cenovnih brezžičnih omrežjih. Ta standard v največji možni meri izkorišča prednosti IEEE 802.15.4 radijske specifikacije in obratuje na nelicenčnih frekvencah 2,400 – 2,484 Ghz, 902 – 928 Mhz in 868,0 – 668,6 Mhz. Specifikacija je paketno orientiran protokol, ki omogoča zelo nizko porabo energije. ZigBee protokol je bil definiran v okviru ZigBee Alliance, ki je neprofitno svetovno združenje proizvajalcev polprevodnikov, OEM proizvajalcev in končnih uporabnikov. Protokol je bil specificiran z namenom, da bi omogočil OEM proizvajalcem in sistemskim integratorjem rešitve brezžičnega povezovanja naprav, ki so enostavne za uporabo in zahtevajo nizko porabo energije, omogoča gradnjo enostavno razširljivih omrežij (do 65.000 priključnih točk) in zagotavlja zelo varne povezave (128 bitna enkripcija AES), na večjih razdaljah. Produkti in rešitve, ki uporabljajo ZigBee tehnologijo so zelo primerni za uporabo pri brezžičnem povezovanju v industrijskih okoljih. Omogočajo enostavno in ceneno izgradnjo zanesljivih rešitev brezžičnega povezovanja: nadzor osvetljevanja, avtomatsko odčrtavanje števcev (AMR), detektorji dima in CO2, senzorji (temperature, vlage, pritiska, premikanja,...), telemetrija, HVAC nadzor, centralno ogrevanje in hlajenje, varnost na domu, nadzor okolja, nadzor bolnikov, nadzor živali, industrijska avtomatizacija, avtomatizacija poslovnih in zasebnih stavb, dvigala, gradbeni stroji, kamioni, itd.
Pomankljivst ZigBee tehnologije je lahko le nižja prenosna hitrost, ki je tipično manjša od 100 kb/s. Za veliko večino aplikacij pri nadzoru in upravljanju naprav v industrijskih okoljih pa je ta hitrost povsem zadovoljiva.
ZigBee tehnologija omogoča izgradnjo cenovno ugodnih inteligentnih sistemov za nadzor in upravljanje naprav v zahtevnih okoljih ob nizki porabi energije in nizkih stroških vzdrževanja.
S produkti, ki uporabljajo ZigBee tehnologijo lahko realiziramo različne lokalne mrežne topologije:

točka do točke (Point to Point)

točka do več točk (Point to Multipoint)

Brezžično Mesh omrežje

Naprave povezane v lokalno ZigBee omrežje lahko z uporabo ustreznih prehodov (Gateway) - GPRS/UMTS usmerjevalnikov brezžično povežemo preko mobilnega GPRS/UMTS omrežja do oddaljenega mesta centralnega upravljanja in nadzora.

VI. ZIGBEE PRODUKTI

Ameriški proizvajalec MaxStream je na trgu prvi ponudil ZigBee certificirane produkte. Družino produktov Xbee sestavljajo OEM moduli za vgradnjo in samostojni modemi.

XBee – PRO RF Modul specifikacije:
- prenosna frekvenca: 2,4 Ghz, ISM
- prenosna hitrost: 250 kb/s
- doseg v zaprtih prostorih/urbanih okoljih: 100m
- doseg v odprtih okoljih: 1,6 km
- vgradno ohišje

XBee – PRO RF Modem specifikacije:
- presnosna frekvenca: ISM 2,4 Ghz
- prenosna hitrost: 250 kb/s
- doseg v zaprtih prostorih/urbanih okoljih: 100m
- doseg v odprtih okoljih: 1,6km
- priključki RS 232 ali USB
- poraba 300 mA (5V napajanje)
- delovno temperaturno območje: 0 do + 70 C (komercialna verzija),
- 40 do + 85 C (industrijska verzija)
- industrijsko ohišje z izmenljivo anteno. Možna uporaba zunanje antene.

VII. POVEZOVANJE NAPRAV PREKO MOBILNEGA GPRS/UMTS OMREŽJA

Za povezovanje naprav na lokacijah na katerih ni prisotna obstoječa komunikacijska infrastruktura (transformatorske postaje, vodovodne postaje, vremenske merilne postaje, prevozna sredstva, itd.) je primerna uporaba mobilnega GPRS/UMTS omrežja, ki omogoča centraliziran nadzor in upravljanje dislociranih naprav.

Posebne zahteve za povezovanje naprav v industrijskih okoljih preko globalnega mobilnega omrežja izpolnjujeta produkta Digi Connect WAN VPN (mobilni prehod/usmerjevalnik) in Digi Connect Port WAN VPN (mobilni UMTS/HSDPA 3G usmerjevalnik)

Digi Connect WAN VPN specifikacije:
- GPRS/EDGE mobilni prehod/usmerjevalnik z VPN IPSec funkcionalnostjo
- 10/100 BaseT priključek
- RS 232/422/485 serijski priključek, 230kb/s, varnost SSL, SSHv2, FiPS197
- 256 bitno AES enkripcije prenosa podatkov
- napajanje 9-30 V DC
- delavno temperaturno območje -30°do + 70°C
- industrijsko ohišje z izmenljivo anteno. Možna uporaba dodatne zunanje antene

Digi Connect Port WAN VPN specifikacije:
- 3G usmerjevalnik omogoča povezovanje po GSM / GPRS / EDGE / UMTS / HSDPA mobilnih omrežjih
- podpora več-tunelnim VPN prenosom podatkov z IPSec z IKE/ISAKMP; GRE
- 256 bitna AES enkripcija, DES, 3DES
- Always on funkcionalnost
- 4 x 10/100 Base T Ethernet priključek
- 1 x USB priključek
- 2 x RS 232 serijski priključek z varnostjo SSL; SSHv2, FiPS 197
- PCMCIA slot za GPRS/EDGE/UMTS/HSDPA kartica
- PCI Express slot za GPRS/EDGE/UMTS/HSDPA kartica
- napajanje 9 – 30 V DC
- delovno tempreaturno območje-30°do + 70°C
- industrijsko ohišje z izmenljivo anteno. Možna uporaba dodatne zunanje antene.

Novi produkt Digi Connect Port X bo imel poleg GPRS/UMTS modema vgrajen XBee-PRO OEM modem in bo lahko vršil funkcijo prehoda (Gateway) med lokalno ZigBee mrežo in globalnim mobilnim omrežjem. Omogočil bo centraliziran nadzor in upravljanje dislociranih lokalnih naprav.

VIII. ZAKLJUČEK

Brezžično povezovanje naprav je izredno zanimivo področje. Povezovanje naprav preko interneta, ki omogoča učinkovit centraliziran nadzor in upravljanje naprav, bo v bodoče omogočilo novi val hitrega razvoja in uporabe interneta. Nameščenih je veliko število naprav, ki jih je potrebno ustrezno povezati z namenom učinkovitega nadzora in upravljanja. Brezžično povezovanje je zaradi svoje prilagodljivosti zelo primerno za povezovanje različnih naprav v različnih okoljih. Sodobne brezžične tehnologije, uporabljene v opisanih produktih za brezžično povezovanje, omogočajo dovolj varno in zanesljivo lokalno in globalno povezovanje naprav tudi v zahtevnih industrijskih okoljih.