Proč bezdrátové snímače? - Emerson Process Management

komunikační systémy
Proč bezdrátové snímače?
Společnost Emerson Process Management
uvedla na evropský trh bezdrátové snímače
určené zejména pro chemický a petrochemický průmysl, energetiku a další obory patřící
do skupiny tzv. procesních výrob. Emerson
již má zkušenosti s těmito snímači na americkém trhu, kde prodává jejich 900MHz
variantu. Snímače určené pro evropský trh
pracují na frekvenci 2,4 GHz. V současné
době Emerson Process Management nabízí
„startovní balíček“ pro pět až sto přístrojů
Smart Wireles, který umožní zájemcům získat s touto technikou první provozní zkušenosti (obr. 1).
Bezdrátové snímače pro všeobecné
použití
Bezdrátové komunikace nejsou v průmyslové automatizaci úplnou novinkou. Používají
se především v rozsáhlých provozech, distribučních sítích a v podmínkách, kdy je velmi
obtížné nebo nemožné realizovat komunikaci
pomocí kabelů. Uvádí se, že zhruba 1 % provozních přístrojů v procesní výrobě komunikuje bezdrátově, nejčastěji pomocí sítí WiFi, ZigBee, GSM apod. Společnost Emerson
očekává, že v nejbližších letech se podíl bezdrátově komunikujících zařízení v průmyslových provozech velmi významně zvýší. Proto již nyní uvádí na trh bezdrátové snímače
a převodníky Smart Wireless, určené pro všeobecné použití.
Podstatnou výhodou bezdrátových snímačů je úspora nákladů na kabeláž (obr. 2).
Instalují-li se snímače v provozu, který potom
pracuje beze změn patnáct nebo dvacet let,
náklady na kabeláž vztažené na rok provozu jsou ještě přijatelné. Ovšem tam, kde je
nutné počítat s častými úpravami, přestavbami a změnami, a to je v moderní průmyslové
výrobě téměř všude, představují náklady na
kabeláž citelnou položku.
Bezdrátové převodníky instalované na
již existujících provozních přístrojích navíc
umožňují přenášet dodatečné informace, které dříve nebylo možné využívat a které přispívají ke zvýšení kvality výroby, zamezují
odstávky výrobních zařízení a snižují náklady na údržbu.
Proč jsou tedy, přes uvedené výhody, bezdrátové snímače zatím tak málo používány?
Je tomu tak proto, že je třeba uspokojivě
vyřešit několik problémů:
− zabezpečení komunikace,
− napájení snímačů a síťových komponent,
− spolehlivost komunikace ve smyslu odolnosti proti ztrátě informací.
Podívejme se nyní postupně na to, jak se
s těmito problémy vypořádala společnost
Tato rizika jsou ovšem dobře známá a známé
jsou i metody, jak se proti nim bránit.
K zabezpečení komunikace přispívá:
− autentifikace odesílatele a příjemce,
− verifikace zpráv, tedy ověření, zda jsou
údaje opravdu určeny danému příjemci
Zabezpečení bezdrátových komunikací
a zda jsou kompletní,
Zabezpečená bezdrátová komunikace je
− šifrování dat, aby nebyla čitelná pro třetí
taková, kde jsou ověřené údaje přenášeny
osoby.
z důvěryhodného zdroje výhradně důvěryEmerson k těmto funkcím, jež jsou standardem pro většinu bezdrátových sítí, ješhodnému příjemci. Prostředí, v němž se beztě přidává správu šifrovacích
klíčů a nástroj pro omezení
výpadků v důsledku přetížení
sítě (anti-jamming).
Bezdrátové sítě, protože
jsou považovány z hlediska zabezpečení za slabý článek, paradoxně bývají zabezpečeny mnohem důkladněji
než jiné komunikační systémy. Výhodou řešení od firmy Emerson je, že k dispozici jsou nástroje i pro zabezpečení informačních systémů,
a to shodné jako u bezdrátových sítí (tab. 1). To umožňuje koncovému zákazníkoObr. 1. V současné době lze zakoupit sadu Smart Wireless vi, aby si vytvořil jednotná
SmartPack™ pro pět až sto provozních přístrojů
bezpečnostní pravidla.
Emerson, která pro své snímače Smart Wireless zvolila síť s volnou topologií (mash),
s přístupovým schématem TDMA a s vyspělou správou napájení.
drátové signály šíří, je ale dostupné všem
v okruhu dosahu rádiových vln, a vždy zde
existuje možnost odposlechu, rušení, přeslechů nebo vysílání záměrně chybných dat.
Napájení snímačů a síťových komponent
Mají-li být bezdrátové snímače efektivně používány ve výrobních provozech, musí
panel s provozními svorkami
svazek kabelů
dispečink
řídicí počítač
a aplikace
rozbočovač (rozbočovače)
90% snížení nákladů
dispečink
řídicí počítač a aplikace
Obr. 2. Bezdrátové snímače významně spoří náklady na kabelové rozvody (nahoře zapojení
s proudovou smyčkou, dole s bezdrátovými snímači)
AUTOMA 3/2007
komunikační systémy
pracovat bez údržby řádově měsíce, lépe však
roky. Jak toho dosáhnout?
Málokde je na místě instalace snadno dostupný rozvod elektrického napájení, a snímače jsou proto většinou napájeny z baterií. Prvním úkolem je tedy vybrat
Příklady použití
V jakých případech je vhodné použít bezdrátové snímače Smart Wireless?
Bezdrátové komunikace se používají
např. k monitorování vzdálených zařízení.
Tab. 1. Zabezpečení bezdrátových sítí i informačního systému spolu těsně souvisejí
síťová zařízení
autentifikace účastníků
verifikace zpráv
šifrování dat
správa šifrovacích klíčů
anti-jamming
+
+
+
+
vhodný typ napájecí baterie. Nabídka na trhu
je již dosti široká. Relativně levné, masově
vyráběné baterie z mobilních zařízení (telefonů, PDA) ale nejsou vhodné, protože se
u nich nepočítá s tak dlouhou dobou provozu bez napájení.
Za druhé je třeba zvolit snímače, které
mají malou spotřebu. S tímto požadavkem je
nutné počítat již při konstrukci snímačů.
Za třetí je třeba zvolit rádiovou síť, která je z hlediska spotřeby energie co nejméně
náročná. V síti využívající přístupové schéma
TDMA (Time Division Multiple Access) má
každá stanice přidělen pevný časový interval, v němž může vysílat. Podle tohoto přístupového schématu nemůže dojít ke kolizím a k nutnosti opakovat vysílání zprávy,
a tím je spotřeba energie omezena na nezbytné minimum.
Za čtvrté je nutné optimálně nastavit správu napájení, aby byl snímač v době, kdy není
aktivní, co nejdříve uveden do stavu „spánku“
s nízkou spotřebou.
A nakonec, a to je specialita společnosti Emerson, je možné pro napájení snímačů využít „alternativní“ zdroje energie, např.
ztrátové teplo, vibrace nebo fotovoltaické
články.
Výsledek: bezdrátové snímače Emerson
mohou pracovat bez nutnosti výměny baterií až sedm let.
Spolehlivost komunikace
V průmyslové automatizaci může mít velmi nepříjemné následky skutečnost, že některá zpráva nedorazí ke svému adresátovi.
V topologii bod-bod nebo hvězda k tomu
může dojít velmi snadno – stačí, postaví-li se
signálu do cesty překážka, která je pro rádiové vlny neprostupná. V síti s volnou topologií (mash) je to jinak. Zde, dojde-li k přerušení přenosové cesty, se automaticky vyhledá jiná, záložní trasa. Účastníci sítě pracují
jako retranslační stanice a postarají se o to,
aby zpráva dorazila tam, kam má. Spolehlivost sítě se tím podstatně zvyšuje, protože
i tehdy, jsou-li komunikace mezi jednotlivými účastníky méně spolehlivé, celková spolehlivost sítě je vysoká (obr. 3).
AUTOMA 3/2007
komunikační brána
(gateway)
+
+
+
+
+
podnikový informační
systém
+
+
+
+
To je oblast, kde se většinou využívají sítě
GSM, proprietární rádiové sítě nebo satelitní komunikace. Příkladem může být přenos
dat z čerpací stanice napájecí vody tepelné
elektrárny, která je umístěna na břehu řeky
několik kilometrů od vlastního elektrárenského závodu, nebo monitorování zaplnění skladovacích tanků ve vzdáleném logistickém terminálu. Podobným případem je
se přihlásí sám a parametry měření lze nastavit i na dálku.
Další příklad: moderní snímače umožňují
získávat více údajů než jen měřenou hodnotu. Tyto dodatečné údaje jsou užitečné např.
pro údržbu. Jestliže ale současná struktura řídicího systému nepočítá s jejich přenosem do systému správy výrobních zařízení
(AMS), vyžadovalo by jejich využití nákladnou instalaci nových kabelů a síťových prvků. Stačí ovšem na nynější snímače s výstupem HART nainstalovat bezdrátové převodníky Smart Wireless, a diagnostická data se
mohou přenášet bezdrátově.
Podrobněji se budeme příkladům použití
a konkrétním snímačům a převodníkům, které
jsou v tuto chvíli už na trhu k dispozici, věnovat v článku, který bude uveřejněn v čísle 6
časopisu Automa s produktovým tématem
bezdrátové přenosy dat.
Závěr
Na úvodní otázku „proč bezdrátové snímače“ odpovídá společnost Emerson příměrem:
každý řidič ví, že existuje tzv. mrtvý úhel,
tedy úhel, v němž nevidí překážku v žádném ze
celková spolehlivost sítČ min. 99 %
zpětných zrcátek. Pro bezpečný provoz je důležité
mrtvý úhel co nejvíce
zmenšit. Podobně existuC
jí mrtvé zóny v průmyslových provozech. Jsou
65 %
to zóny, kde se sice „něco
komunikaþní
děje“, ale obsluha o tom
brána
nemá žádné informace.
40 %
Pro zlepšení efektivity,
kvality a bezpečnosti proA
vozu je nutné tyto mrtvé
B
85 %
zóny zmenšovat a odstraňovat. Právě to bezdrátoObr. 3. Spolehlivost přenosu informací v sítích s volnou topologií vé snímače Smart Wireless
(zatímco u spojení účastníka A s komunikační bránou bod-bod umožňují a v tom je jejich
by byla 40 %, v síti s volnou topologií je min. 99 %)
hlavní význam.
přenos dat z bezobslužných stanic ve vlastním závodě, kde se používá např. síť Wi-Fi.
To ovšem nejsou typické příklady použití
bezdrátových snímačů – snímače zde bývají zapojeny v malé lokální (kabelové nebo
bezdrátové) síti, v níž je začleněna komunikační brána, jejímž prostřednictvím je
teprve realizována bezdrátová komunikace
s nadřazeným systémem na poměrně velkou vzdálenost.
Bezdrátové snímače Smart Wireless jsou
vhodné pro řešení jiných typů úloh. Klasickým příkladem je dodatečná instalace snímačů do provozu. Může jít např. o nutnost instalovat na horní víko několikametrové nádrže
hladinoměr jako zvýšení ochrany proti přetečení. Instalace kabelu je v tomto případě velmi nákladná. Naopak instalace bezdrátového
snímače Smart Wireless jako součásti sítě
s volnou topologií je velmi snadná: v podstatě stačí snímač připojit k zařízení – do sítě už
Zpracováno podle prezentací a autorových
záznamů z přednášek:
[1] NYQUIST, J. (Emerson Process Management):
No wires, no limits,
[2]SCHUMACHER, M. (Emerson Process Management, div.Rosemount): In-Plant Smart Wireless Solutions,
[3]ANASTASIOU, T. (BP) Customer Perspective,
[4]KARNISCHNIA, B. (Emerson Process Management, div. Rosemount): PlantWeb Smart
Wireless Demo,
přednesených 11. ledna 2007 na tiskové konferenci
v Boloni (Itálie), a přednášky
[5]TIEPOLT, G. (Emerson Process Management):
Wireless Technologie für die die Prozessindustrie, přednesené 23. 1. 2007 na Process Management Academy 2007 v Neussu (Německo).
Petr Bartošík