Po úspěchu sběrnicové síťové technologie Fieldbus v oblasti řízení procesů se objevila potřeba bezdrátového sběrnicového připojení v oblasti procesů a automatizace pro situace, kdy je třeba umístit provozní přístroje a zařízení na vzdálených místech a nejsou snadno přístupné.
Drátové připojení vzdálených zařízení představuje praktickou výzvu v podobě drsného prostředí, opakovaných poruch, problémů s údržbou atd.
Kvůli tomu byly zavedeny technologie bezdrátových sběrnicových sítí Fieldbus, které propojují snímače, akční členy, řídicí jednotky, systémy sběru dat atd. Hlavní nevýhodou bezdrátových provozních zařízení je potřeba bateriového napájení, protože baterie je třeba často měnit. Častá výměna baterií představuje velký problém při údržbě. Dnešní bezdrátová polní zařízení jsou však energeticky velmi účinná, tím se výrazně prodlužuje životnost baterií. Kromě toho jsou dnes polní zařízení většinou napájena solárně, a tak se výměna baterií stává méně častým jevem.
Mezi hlavní bezdrátové provozní sběrnice patří WirelessHART, ISA100.11a Wireless a WIA-PA.
WirelessHART (WHART)
Bezdrátová senzorová síťová technologie je první otevřený standard bezdrátové komunikace určený pro odvětví řízení procesů. Byl zaveden v roce 2007 a je součástí normy IEC 61158. V roce 2010 byl schválen Mezinárodní elektrotechnickou komisí (IEC) jako norma IEC 62591 a dnes je již v edici 2 z roku 2016.
WHART poskytuje velmi robustní a spolehlivou bezdrátovou komunikaci využívající schéma přeskakování kanálů s přímým sekvenčním rozprostřením spektra (DSSS) založené na standardu IEEE 802.15.4. Používá se pro monitorování stavu a diagnostiku zařízení, kalibraci, odstraňování problémů, monitorování kritických dat, uvádění do provozu a také pro dohledové řízení procesů.
Stávající bezdrátové technologie, jako je Bluetooth, ZigBee a Wi-Fi, se pro aplikace řízení průmyslových procesů nedoporučují kvůli nevýhodám spojeným s jednotlivými technologiemi. Bluetooth je určen hlavně pro sítě PAN (Personal Area Network) s dosahem přibližně 10 m, což zdaleka neodpovídá požadavkům procesního průmyslu. Bluetooth opět podporuje pouze hvězdicovou topologii sítě, kde je master připojen k maximálně sedmi slave. To je také v rozporu s jeho přijetím ve zpracovatelském průmyslu. ZigBee sice podporuje DSSS, ale jeho výkon nelze zaručit v průmyslovém hlučném prostředí. Wi-Fi nepodporuje přeskakování kanálů a má také poměrně vysokou spotřebu energie, což z něj činí špatnou volbu pro procesní průmysl.
Vzhledem k tomu, že bezdrátové technologie jsou v průmyslovém prostředí stále odolnější, získává bezdrátová sběrnicová technologie v procesním průmyslu stále větší prostor.
Klíčové funkce
Síť WHART se skládá z kabelových a bezdrátových (hybridních) zařízení a přístrojů a je zpětně kompatibilní. Jedná se o samoregenerační, samoorganizující se, časově synchronizovaný komunikační protokol bezdrátové sítě typu mesh s redundantní cestou, který je navržen tak, aby splňoval požadavky procesního průmyslu. Pracuje v bezlicenčním rádiovém pásmu ISM 2,4 GHz a využívá rádiové vysílání DSSS kompatibilní s IEEE 802.15.4 s možností přeskakování kanálů.
Jedná se o vysoce zabezpečené centrálně spravované komunikační zařízení, které používá blokové šifry AES-128 s individuálními klíči pro připojení a relaci a síťovým klíčem na úrovni datového spoje. WHART využívá technologii vícenásobného přístupu s časovým dělením (TDMA) k arbitráži a koordinaci komunikace mezi zařízeními v terénu. Výrazně tak snižuje pravděpodobnost kolizí. Mezi zařízení, která systém nabízí, patří autosegmentovaný blokový přenos velkých souborů dat, režimy více zpráv, které zahrnují jednosměrné publikování procesních dat, spontánní oznamování výjimek a ad hoc reakce na požadavky.
Spotřeba energie ve WHART je výrazně snížena přednastavením správce sítě tak, aby rádiové vysílače zůstaly v činnosti pouze ve vyhrazených slotech. Jediný správce sítě konfiguruje síť a správně plánuje a směruje datové pakety. Správce zabezpečení řídí distribuci různých klíčů.
WHART využívá 15 kanálů v pásmu ISM 2,4 GHz, výběr kanálu je založen na absolutním čísle slotu (ASN). Sloty mohou být různých typů. Datový provoz v systému WHART může být buď periodický, nebo sporadický. Polní zařízení mají povinnou možnost směrování.
Architektura sítě
Na obrázku 1 je znázorněna architektura sítě WHART sestávající z kabelových a bezdrátových zařízení a komponent. Architektura se skládá z provozních zařízení WHART, provozních zařízení s podporou HART, ručních provozních zařízení, přístupových bodů, brány, adaptérů, správce sítě, správce zabezpečení a hostitelských aplikací.
Za komunikaci mezi bezdrátovými a kabelovými polními zařízeními odpovídá brána. Polní zařízení WHART jsou propojena buď topologií bod-bod, nebo mesh. Když se k síti připojí nová zařízení, správce sítě přeplánuje informace o směrování. Pro každé bezdrátové zařízení existují alespoň dva propojení sousedé, kteří směrují provoz pomocí grafického směrování.
ISA 100.11a
ISA100.11a byla schválena jako standard bezdrátové komunikace Mezinárodní společností pro automatizaci (ISA) v roce 2009. Může se integrovat se sběrnicemi Foundation Fieldbus, HART, PROFIBUS a dalšími prostřednictvím adaptérů zařízení, průchodu síťového protokolu tunelováním pomocí mapování atd. Jedná se o vysoce bezpečný a spolehlivý komunikační standard v oblasti průmyslové automatizace pro nekritické monitorovací a řídicí aplikace.
Klíčové vlastnosti
Se standardem ISA100.11a je spojeno mnoho funkcí. Je to vysoce spolehlivá, škálovatelná síť a podporuje redundanci a interoperabilitu. Prezentační vrstva a relační vrstva modelu OSI v ISA100.11a chybí. Podporuje sítě typu hvězda, mesh, star-mesh a dodržuje fyzickou vrstvu standardu IEEE 802.15.4. Podporuje deterministickou komunikaci prostřednictvím TDMA pro přenos dat v reálném čase s možností proměnlivého času slotu. Dokáže vytvořit černou listinu kanálů, které neustále narušují spolehlivý přenos dat. Používá kanály 11-25 s volitelným kanálem 26. Počet provozních zařízení může být obvykle 50-100 s volitelnou možností směrovače. Data jsou modulována kombinací FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) a DSSS. Přeskakování kanálů probíhá paket po paketu a podporuje slotové, pomalé a kombinace těchto dvou způsobů. Podporuje pět předprogramovaných vzorů přeskakování. Podporuje dva adresní vzory: 128bitovou dlouhou adresu (IPv6) a16bitovou krátkou adresu. Koncová zařízení mají velmi nízkou spotřebu energie. Životnost baterie koncového zařízení se pohybuje od 2 do 5 let. Prosazuje dvouvrstvé zabezpečení: na vrstvě datového spoje a na transportní vrstvě. Komunikace v ISA100.11a může probíhat v různých režimech, například mezi dvěma uzly patřícími do stejné podsítě, mezi dvěma uzly patřícími do různých podsítí, mezi uzlem a řídicím systémem a mezi starším uzlem a řídicím systémem.
Architektura sítě
Architektura sítě ISA100.11a je zobrazena na obr. 2, kde jsou různé typy zařízení a podsítě, páteřní směrovače, páteřní síť, brána, správce systému, správce zabezpečení a řídicí síť. Data ze zařízení se mohou dostat do směrovače různými cestami.
