En jämförelse av trådlösa protokoll för industriell automatisering

Den fjärde industriella revolutionen (Industry 4.0) har gett maskiner med mer intelligens och automatiserade anläggningar med mer effektivitet och flexibilitet. Dessa allt mer komplicerade system har drivit på användningen av trådlös kommunikation i industriella miljöer. När allt kommer omkring definieras de smarta maskinerna och den modulära automatiseringen i Industry 4.0 av:

• Säkra och anpassningsbara anslutningar för styrning
• Insamling och kontinuerlig justering av processvärden i produktionen
• Övervakning av maskinens status för förebyggande underhållsrutiner
• Nätverk för analys av stora datamängder

Trådlösa tekniker med stöd för dessa funktioner är baserade på standarder och protokoll för mobiltelefoner, WiFi, Bluetooth och IEEE 802.15.4. Det beror delvis på att konstruktörer förväntar sig kompatibilitet mellan komponenter från olika leverantörer - vilket per definition kräver anslutning via industriella standardgränssnitt och inte proprietära gränssnitt. I själva verket är interoperabilitet bara en aspekt av Industry 4.0.

Figur 1: Trådlös anslutning är nyckeln till samordning av materialhantering och samarbetande monotona uppgifter. (Bildkälla: Getty Images)

Enskilda enheter som innehåller trådlös kommunikation är vanligtvis dyrare än kabelansluna nätverk. Men, den ökade direktkostnaden kompenseras på flera sätt ... och trådlösa enheter visar sig ofta vara det mest kostnadseffektiva alternativet på lång sikt. Det beror på att kostnaden för att förlägga kablar genom ett produktionsområde kan vara betydande. Det krävs insatser för att planera kabelförläggningen och dess anslutningar. Dessutom kräver kablar skydd och fysiskt stöd från kabelkanaler och rör ... och de behöver kopplingsdosor och andra tillbehör. Planering, beställning och installation av all denna kabelrelaterade hårdvara förlänger den tid det tar att implementera ett nätverk.

WiFi-baserade standarder för automatisering

År 1997 släppte Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.11 och definierade standarden för trådlös implementering av lokala nätverk (LAN). För att säkerställa att marknaden utnyttjar denna standard fullt ut, grundades sedan industrikonsortietWi-Fi Alliance kort därpå - lett av företag inom trådlösa enheter som var intresserade av att upprätta test- och certifieringsprogram för att upprätthålla interoperabilitet mellan olika produkter. Idag kompletteras WiFi-standarden enligt IEEE 802.11 av ytterligare standardiseringar från Wi-Fi Alliance för exceptionellt tillförlitlig kompatibilitet mellan enheter som uppfyller kraven.

Figur 2: Industri 4.0 (även kallat Industrial Internet of Things eller IIoT) är oupplösligt knutet till användningen av trådlös teknik. Genom att använda standardiserade gränssnitt för att möjliggöra anslutning mellan olika enheter och datorsystem, kan dessa trådlösa tekniker, inklusive mobila enheter som används som gränssnitt mellan människa och maskin (som visas här) samt otaliga andra trådlösa fältkomponenter, kommunicera maskinstatus. (Bildkälla: Getty Images)

Även om WiFi är ganska användbart för övervakning av tillämpningar och anslutning av maskiner till företagssystem, har problem med WiFi-anslutningens hastighet, latens och stabilitet begränsat dess tillämpning i krävande industriella automatiseringsapplikationer som är relaterade till maskinstyrning. Det innebär att WiFi i industriella applikationer idag oftast är begränsat till användningar som är relativt förlåtande. Dessa inkluderar:

• Streckkodsläsare som kommunicerar data till tillverkningssystem (MES) och tillåter en fördröjning på en till två sekunder
• Rörelsesensorer som inte är inblandade i funktioner för realtidsstyrning
• Långtidsövervakning av maskinstatus med sensorer såsom accelerometrar (för att spåra genererade vibrationer över tid) samt sensorer för temperatur, tryck, fukt och gas för övervakning av utrustningens effektivitet och status

Figur 3: Även om det inte är lämpligt för maskinstyrning, är WiFi användbart för tillämpningar inom maskinövervakning och anslutning av verkstadsgolvet till företagssystem. (Bildkälla: Wi-Fi Alliance)

Det har gjorts flera försök att anpassa WiFi för industriella styrtillämpningar, men med begränsad framgång. Ett protokoll som utgör ett undantag med viss framgångsrik användning inom IIoT är det trådlösa nätverket för industriell automatisering och processautomation (WIA-PA) - en kinesisk industriell trådlös kommunikationsstandard.

WiFi fungerar givetvis med både 2,4 eller 5 GHz, där högre frekvenser möjliggör snabbare dataöverföring men minskad räckvidd på grund av hur högre frekvenser lättare sprids när de passerar genom väggar och andra fasta föremål. Specialiserade standarder använder andra frekvensband. Som exempelvis, IEEE 802.11ah low-data Wi-Fi (HaLow Wi-Fi) som arbetar kring 900 MHz - och vanligtvis används i sensorer som behöver utökade räckvidder och väldigt låg strömförbrukning. Å andra sidan, arbetar IEEE 802.11ad Wi-Fi (WiGig ) kring cirka 60 GHz för att ge en mycket snabb dataöverföring.

Trådlösa standarder baserade på IEEE 802.15.4

Andra trådlösa alternativ ärlow-rate wireless personal networks eller LR-WPAN enligt definitionen i standarden IEEE 802.15.4. Tekniken LR-WPAN prioriterar låg kostnad och låg effekt framför hastighet och räckvidd. Med den grundläggande specifikationen som möjliggör dataöverföringshastigheter på 250 kbit/s och räckvidder på 10 m, är teknik som använder LR-WPAN avsedd att möjliggöra kommunikation mellan billiga enheter utan ytterligare infrastruktur för kommunikation. Protokoll baserade på standarden IEEE 802.15.4 som 6LoWPAN, WirelessHART och ZigBee är snabbt på väg att bli föredragna IIoT-protokoll.

1. WirelessHART: Ett protokoll baserat på 802.15.4 som stöds avHART Communications Foundation , ABB, Siemens och andra kallas för WirelessHART. Det är en robust standard med bra stöd för industriella automatiseringstillämpningar. Nätverkssäkerheten bibehålls med hjälp av ett frekvenshoppande mesh-nätverk med tidssynkronisering. I motsats till de flesta trådlösa kommunikationsprotokoll baserade på WiFi och mobilteknologi som använder en mindre robust stjärnnätstopologi som kräver att alla enheter är anslutna till en central enhet. All kommunikation krypteras med 128-bitars AES och användaråtkomsten kan kontrolleras noggrant.

Figur 4:LTP5903-WHR SmartMesh-nätverkshanteraren har stöd för trådlösa WirelessHART-gateways för att göra det möjligt för konstruktörer att integrera ett standardbaserat trådlöst sensornätverk för skalbar dubbelriktad kommunikation. (Bildkälla: Analog Devices)

Eftersom WirelessHART använder en mesh-topologi kan data dirigeras direkt mellan enheter. Detta kan utöka nätverkets räckvidd och skapa redundanta kommunikationsvägar. På det sättet kan sändaren automatiskt växla till en redundant kommunikationsväg, om en väg går försvinner. Frekvenshoppning gör det även möjligt för WirelessHART att undvika problem med störningar.

2. 6LoWPAN: IPv6 över trådlösa personliga nätverk med låg effekt (vanligtvis kallat 6LoWPAN) är ett protokoll som gör att IPv6-paket kan sändas över ett nätverk baserat på IEEE 802.15.4. Det innebär att enheter med mycket låg effekt kan ansluta till internet vilket gör det väl lämpat för IoT-sensorer och andra enheter med låg effekt.

3. ZigBee: Underhålls avZigbee Alliance och används mest i tillämpningar för smarta hem och byggnadsautomation. ZigBee är kanske det mest etablerade protokollet baserat på IEEE 802.15.4. Det låter noder förbli i viloläge den största delen av tiden för att förlänga batteriets livslängd rejält. ZigBee arbetar normalt i 2,4 GHz-bandet med en fast dataöverföringshastighet på 250 kbit/s. Det har stöd för olika nätverkstopologier inklusive stjärna, träd och mesh. Träd- och mesh-topologier utökar nätverkets räckvidd

Figur 5: Zigbee är användbart för (bland andra tillämpningar) rörelse-, vibrations-, fuktighets-, temperatur- och närvarosensorer i industriella miljöer. (Bildkälla: ZigBee Alliance)

Bluetooth LE och mobil IoT inom industriell automatisering

Bluetooth Low Energy (BLE) är ett alternativ till IEEE 802.15.4 där låg kostnad och låg effekt är viktiga prioriteringar, och hastighet likväl som räckvidd, kan offras. Den arbetar inom samma 2,4 GHz-frekvens som vanliga Bluetooth. Den största fördelen med Bluetooth LE är stödet från mobila operativsystem som Android från Open Handset Alliance, iOS från Apple och olika kombinationer av Microsoft Windows. Detta, tillsammans med det faktum att stora elektronikleverantörer somLogitech Corp. har har investerat den största delen FoU förklarar varför Bluetooth LE fortfarande i första hand är ett alternativ för trådlös anslutning av konsumentenheter. Detta i motsats till WirelessHART, som har varit och är i första hand fokuserat på IIoT-tillämpningar.

Figur 6: Standarden Bluetooth Low Energy (BLE) har en seriell portprofil som systemen känner igen som ett komplett seriellt gränssnitt - användbart för att ersätta kabelanslutna enheter med uppgraderingar anslutna via BLE. (Bildkälla:Bluetooth Special Interest Group )

Med detta sagt, har de senaste åren varit ett bombardemang av sensorer, fjärrkontroller, lås och handhållna enheter som använder Bluetooth LE för industriella automatiseringsuppgifter. Den trenden kommer sannolikt att öka de kommande åren.

Till skillnad från protokoll baserade på BLE och IEEE 802.15.4 för kortdistanskommunikation med låg effekt, är mobil teknik en trådlös kommunikation med lång räckvidd. Mobilprotokollet 2G GSM har ofta ersatts av mobilprotokollen 3G och 4G för hög hastighet som är så vanliga i mobiltelefoner och IoT-enheter. Nackdelen är att mobil kommunikation förbrukar betydande mängder ström, så i industriella applikationer (särskilt vid anslutning av maskiner) är systemet anslutet till en konstant kabelansluten strömförsörjning. Mobila LTE-kategorier anger maximala dataöverföringshastigheter - dock till priset av en högre strömförbrukning. Anslutningar med LTE Cat-0 och Cat-1 är lämpligt för IoT-enheter. Däremot är LTE-M ett mobilprotokoll med låg strömförbrukning som utformats särskilt för tillämpningar maskin-till-maskin och med IoT.

I motsats till dess relativt utbredda användning i mobiltelefoner, är industriella tillämpningar med 5G mindre mogna. Det beror på att konsumenter prioriterar nedladdningshastigheter (och därmed har varit snabba att använda de första enheterna med 5G) och konstruktörer av IIoT-system prioriterar låg latens och ständigt tillgänglig täckning. Faktum är att låg latens är av största vikt vid industriell automatisering. Det är sant att de första 5G-nätverken har en latens på under 30 ms, men det pågår ansträngningar för att minska latensen ytterligare till endast 1 ms. Det är tillräckligt snabbt för krävande realtidstillämpningar inom industriell styrning (inte bara övervakning) - som exempelvis överföring av återkopplingssignaler i verktygsmaskiner.

Ett sätt som 5G minskar latensen på är nätverksuppdelning. Denna nätverksteknik delar upp ett nätverks bandbredd i olika virtuella banor som sedan hanteras individuellt. Vissa banor är reserverade för överföringar med låg latens - där den stora delen av trafik är förbjuden att använda dessa banor. Så det är bara industriella styrtillämpningar som behöver den snabbaste överföringen som får använda dessa reserverade snabba banor.

Ökningen av det trådlösa protokollet LoRA

Long-range wide-area network modulation (LoRA) är det billiga trådlösa protokollet som föredras för fjärr- och offshore-tillämpningar inom förnybar energi, gruvdrift och logistikindustri. Det är en trådlös teknik med låg effekt som kan kommunicera över mycket långa avstånd - till och med längre än 10 km - på ett batteri i upp till tio år. Kort sagt, LoRA är en teknik som inte använder mobilnät och arbetar i de licensfria frekvensbanden. Den använder frekvensband under Gigahertz, såsom 433 och 915 MHz och spread-spectrum-modulering baserat på chirp spread spectrum-modulering (CSS). Detta gör det mycket väl lämpat för IoT-enheter som är placerade på avlägsna platser och bara behöver blygsamma dataöverföringshastigheter. LoRA har även 128-bitars kryptering och autentiseringskontroll. En annan användbar funktion (särskilt för sensorer i IIoT-applikationer) är geolokalisering med hjälp av triangulering mellan enheter.

LoRA använder proprietär teknik som utvecklats av Semtech Corp. men har ett brett utbud av element med öppen källkod. Det stöds (och enhetens driftkompatibilitet säkerställs) av LoRa Alliance - en stor förening som inkluderar IBM, Cisco, TATA, Bosch, Swisscom och Semtech.

Slutsats

Det finns trådlösa protokoll för industriell automatisering i överflöd. De är var och en lämpade för vissa tillämpningar. Användningar som kräver låg strömförbrukning och accepterar kortdistansöverföringar drar ofta nytta av anslutningarna ZigBee och Bluetooth LE. Mer krävande industriella tillämpningar som behöver stabil kommunikation kan behöva enheter med trådlösa anslutningar som använder WirelessHART. Tillämpningar som kräver långdistansöverföring med höga dataöverföringshastigheter behöver mobilnät. Här är 5G redo att omvandla den trådlösa kommunikationen. Kommunikation av data över mycket långa avstånd (och minimal strömförbrukning) sker ofta bäst med LoRa.