Тема с обложки: топологии беспроводных приборов

Знаете ли вы, как передать сигнал от датчика в систему управления, чтобы правильно определить платформу для беспроводных приборов? В статье представлены основные рекомендации по выбору такой платформы для стационарных приборов.

Любой, кто читал Control Engineering и другие подобные издания в течение последних лет, заметил увеличение количества статей, посвященных беспроводным измерительным приборам и более тесной интеграции беспроводной технологии на предприятии. Подобно тому, как это было в «войнах полевых шин», такие обсуждения больше разогревают атмосферу, нежели проясняют ситуацию, но, тем не менее, потенциал беспроводной технологии неоспорим. Если вы уже задумались о том, как использовать эту технологию на предприятии, перед вами стоит огромный выбор. В данной статье мы ограничимся рассмотрением стационарных приборов и связанных с ними дискретных устройств. Темы интеграции в масштабе предприятия, определения местоположения сотрудников, поддержки беспроводной связи с работниками и т.п. будут обсуждаться в другом месте.

Как и в сфере проводных соединений, существует множество вариантов передачи сигнала от данного прибора в более крупную систему управления. Прежде всего, вам необходимо выбрать способ связи беспроводных приборов. Главная особенность состоит в том, что беспроводные устройства используют одну общую среду передачи. В то время как всегда есть возможность увеличить количество проводов для большего количества приборов, в беспроводных устройствах возможна ситуация, когда пропускная способность на данной частоте достигнет предела. С практической точки зрения добавление проводов требует некоторых финансовых вложений, и к тому же всегда существуют физические ограничения для проводников и кабельных каналов. С другой стороны, существует несколько достаточно четких правил, определяющих насыщение пропускной способности беспроводного соединения. Ситуации, когда помехи по беспроводной сети создают значительные трудности, возникают не очень часто.

Варианты конфигурации прибора и радиопередатчика

В последнее время широко обсуждается рост количества предлагаемых приборов со встроенным беспроводным коммуникационным модулем. Передатчики оснащаются антеннами, а радиомодули стали неотъемлемой частью электронной аппаратуры. В то время как интегрированные беспроводные передатчики являются самым простым решением, выбор все еще достаточно узкий. Большинство производителей начали с выпуска самых простых приборов со встроенными беспроводными модулями, поэтому сейчас широко доступны датчики температуры и давления, но не так много более сложных приборов, например, кориолисовых расходомеров. Зачастую это связано с возможностью питания приборов от батареи, поэтому производители попросту игнорируют датчики с большей потребляемой мощностью, такие как электромагнитные расходомеры. .

Некоторые компании предлагают беспроводные коммуникационные модули, которые могут подключаться к существующему оборудованию. Обычно они допускают использование стандартных аналоговых и дискретных протоколов связи, таких как 4-20 мА. Как правило, передатчик запитывается отдельно – либо от внешнего источника питания, либо от батареи. Это расширяет возможный выбор производителя и позволяет использовать практически любой тип датчиков, однако требует добавления отдельного устройства. В зависимости от потребностей данного приложения, цена такого решения может быть не очень высокой.

Варианты питания

Решение использовать беспроводную технологию обычно вызвано желанием или требованием отказаться от проводных соединений. Означает ли это демонтаж каждого провода? Конечно, при установке датчика температуры на стенке вращающейся печи обжига от проводных соединений лучше отказаться. С другой стороны, зачастую достаточно избавиться только от проводов передачи данных. Если прибор расположен далеко от точки ввода/вывода и близко к источнику питания, есть смысл использовать такую возможность. Аккумуляторы имеют ограниченный срок службы, даже если он исчисляется годами, и ограничение на мощность, отдаваемую передатчику. Сигналы большой мощности, как правило, меньше подвержены ошибкам и более надежны, поэтому, если это возможно, лучше подключать внешний источник питания.

Есть и другие альтернативы, включая солнечные коллекторы, которые могут помочь, когда питание от сети невозможно, или потребляемая мощность настолько велика, что затрудняет использование традиционных аккумуляторов. В этой статье под питанием от батареи подразумевается использование отдельного аккумулятора.

Протоколы связи

Учитывая сложности в создании коммуникационных протоколов, производители приборов часто используют те же протоколы, которые применяются в информационных системах и в товарах широкого потребления. Ваш беспроводной преобразователь давления может отправлять свои показанию по ZigBee или Bluetooth. В качестве беспроводного транспортного канала для сегмента полевой шины наиболее вероятно использование Wi-Fi или Bluetooth.

Во многих отношениях коммуникационный протокол не обязательно должен быть главным критерием выбора. Беспроводной датчик давления от компании «A», вероятнее всего, не спроектирован для взаимодействия с датчиком компании «Б», даже если они оба используют ZigBee. Технические возможности и ограничения каждого протокола будут определять границы его применения.

Безопасность

Учитывая, что большая часть беспроводного оборудования была разработана сравнительно недавно, вопросы информационной безопасности являются неотъемлемой частью практически всех существующих платформ. Для обеспечения безопасности в беспроводных приборах используются две основные технологии:

Одна из них опирается на ограничение зоны распространения сигналов за счет тщательного запитывания передатчика и применения узконаправленной антенны. Это минимизирует возможность утечки данных за границы предприятия, где хакеры могут подключиться, внедрить ложную информацию или использовать незащищенные точки для проникновения в основную сеть. К сожалению, во многих случаях это не всегда возможно, особенно если предприятия расположены в густонаселенных районах.

По другой технологии в большинстве систем используют комбинацию шифрования данных и идентификации. Помимо того, что данные посылаются в формате, который трудно расшифровать, для участия в обмене данными приборы также должны пройти процедуру идентификации. Платформы могут использовать сложные ID-коды для каждого прибора, что усложняет возможность их прослушивания неавторизованными устройствами. Соответствующий брэндмауэр способен помешать хакерам пробиться из сети приборов в  информационные системы высокого уровня.

Частота обновления, типы данных

Большинство беспроводных приборов спроектировано для передачи значений переменной процесса через определенный промежуток времени. Хотя стандартные проводные устройства 4-20 мА передают информацию непрерывно, это редко бывает необходимо для технологии, за исключением наиболее критических приложений. Беспроводные приборы обычно оцифровывают сигнал и возвращают данные, независимо от нахождения значения в заданном интервале. Передача данных может осуществляться один раз в секунду или быстрее для критических данных, или раз в час для данных, которые не могут измениться быстро. Высокие скорости обновления приводят к увеличению потребляемой мощности, т.к. больше времени уходит на передачу данных, поэтому этот интервал непосредственно влияет на продолжительность работы батареи. Более того, интервал поступления сообщений влияет на количество приборов, способных работать с данным шлюзом. Высокая частота сообщений означает меньшее количество датчиков и меньший срок работы батареи, поэтому не стоит делать интервал меньше, чем это на самом деле необходимо.

Некоторые платформы поддерживают функции предупреждения, где устройство с большим периодом опроса может прервать ожидание и передать аварийное сообщение, если значение переменной достигло критического уровня. Для этого необходимо, чтобы датчик продолжал работать во время нахождения радиопередатчика в спящем режиме. Это может показаться не очень важной функцией, однако она имеет большое практическое значение, позволяя вам установить большое время опроса датчика, и в то же время быть уверенным, что в случае возникновения проблемы, сообщение об этом появится сразу же.

Большинство приборов может передавать переменную процесса в виде одного значения, и радиопередатчику гораздо проще обрабатывать очень короткий пакет данных. Однако для таких устройств, как датчики вибрационной диагностики, которые передают сложные данные в виде осциллограммы, требуется гораздо больше времени. Для некоторых систем это не проблема, но если процесс зависит от передачи сложных данных, это может стать критическим элементом и заслуживает более глубокого обсуждения.

Простые системы точка-точка полезны, но для сложных систем существуют более эффективные подходы.

Простые системы точка-точка полезны, но для сложных систем существуют более эффективные подходы.
Кластеры обособленных приборов используют общий шлюз, но отдельные приборы не поддерживают друг друга.
Концентратор данных кластера передает больше данных с помощью только одного радиосигнала.

Точка-точка

Самая старая и самая простая технология – точка-точка, где отдельный прибор с собственным радиопередатчиком посылает сигнал на шлюз (приемник), который подключен к системе управления. Шлюз получает сигналы только от передатчика. Такое решение хорошо работает только на относительно небольших сетях. Для приложений, где не так много приборов или где датчики расположены на большой территории, также есть смысл использовать данную технологию. Однако это значительно повышает стоимость из-за большого объема оборудования и может привести к возникновению помехи между параллельно работающими системами.

В более масштабных системах могут использоваться группы отдельных приборов, которые обмениваются данными через один шлюз. Каждое устройство посылает свои данные по очереди, и шлюз отсортировывает их таким образом, что система управления получает показания разных датчиков индивидуально. Приборы не взаимодействуют друг с другом, поэтому отдельный датчик не зависит от соседей.

Системы точка-точка обычно являются оригинальной разработкой производителя, хотя в них могут использоваться стандартные или коммерческие протоколы связи. Для передачи данных прибора в систему управления обычно применяется собственное программное обеспечение, которое не имеет возможности взаимодействовать с другими платформами.

Эффективность систем с проводными полевыми шинами может быть увеличена за счет использования беспроводных коммуникаций.

Эффективность систем с проводными полевыми шинами может быть увеличена за счет использования беспроводных коммуникаций.

Концентраторы данных

Приложения только с одним или двумя приборами контроля встречаются достаточно редко. Обычно датчики объединяются в группы вокруг какой-либо установки или блока. Хотя связь группы датчиков с одним шлюзом может быть подходящим решением, часто проще использовать концентратор данных, который собирает сигналы и отправляет их через один передатчик. Это позволяет устранить избыточную передачу данных, что может стать важным в переполненном диапазоне радиочастот. Концентратор данных также может использовать стандартные приборы без возможностей радиосвязи. Большинство устройств имеет внешний источник питания, что позволяет использовать мощный радиопередатчик с сильным и надежным сигналом, принимаемым на больших расстояниях.

Концентраторы данных обычно имеют модульную конфигурацию, аналогичную системами ввода-вывода ПЛК. Радиопередатчик может иметь различные блоки ввода данных, в зависимости от количества и типа приборов. Например, если резервуар имеет расходомер, преобразователь давления и преобразователь уровня вместе с сигнализаторами уровня и давления для сигнализации аварийных ситуаций, вы можете сконфигурировать входы так, чтобы воспринимать, как скалярные, так и битовые устройства. Шлюз разделяет переменные для системы управления. В некоторых используются протоколы типа Modbus для сбора и передачи данных, также можно получить данные по HART-протоколу.

Беспроводные полевые шины

Беспроводная связь используется с полевой шиной, как привило, в рамках одного из двух вариантов:

  • В первом передатчик собирает данные с проводного сегмента полевой шины и передает их на шлюз. В этом случае он работает как усовершенствованный концентратор данных. Обычно в качестве транспортного канала используется Wi-Fi, но возможны и другие варианты.
  • Во втором для связи со специальными приборами, которые не подключены к полевой шине, в устройство сбора данных полевой шины встраивается беспроводной шлюз. Представим ситуацию, когда сегмент полевой шины включает все приборы, установленные на реакторе. Если реактор имеет съемную крышку с установленным датчиком уровня, то использование одного беспроводного датчика, в то время как все остальные приборы объединены кабельной шиной, будет идеальным решением. Беспроводной прибор обменивается данными со шлюзом, и его данные объединяются с показаниями проводных датчиков сегмента.

Ячеистые сети

Ячеистая сеть с питанием от батареи требует меньшей инфраструктуры, но накладывает некоторые стратегические ограничения.

Ячеистая сеть с питанием от батареи требует меньшей инфраструктуры, но накладывает некоторые стратегические ограничения.
Ячеистая сеть узлов требует более обширной инфраструктуры, но выигрывает в скорости и мощности.

Большая часть нашего обсуждения касается растущих возможностей датчиков со встроенным радиопередатчиком создавать ячеистую сеть. Базовая концепция заключается в том, что отдельные приборы обмениваются информацией друг с другом и общим шлюзом, обеспечивая в результате устойчивую и надежную передачу данных. В рамках этого подхода существуют две основные методологии.

Первый подход целиком зависит от отдельных приборов, запитываемых от батареи. Ярким примером такого подхода является новый протокол WirelessHART. Каждый датчик является одновременно передатчиком и приемником, и приборы, располагающиеся рядом, обмениваются данными между собой и шлюзом. Радиомодули используют общие часы и включаются в определенное время для обмена данными. Приборы, расположенные далеко от шлюза, отправляют данные с одного датчика на другой, повторяя их по мере необходимости и продвигая вперед с каждым скачком. Каждый прибор участвует в каждом цикле обмена данными, даже если он не имеет своих показаний для передачи из-за большого времени обновления. К приборам, не имеющим радиопередатчика, он может подключаться как внешнее устройство, хотя прибору, скорее всего, понадобится собственный источник питания.

Хотя такое решение добавляет некоторую задержку при передаче данных, время, необходимое для доступа к шлюзу, обычно гораздо меньше времени обновления данных. Приборы организуют свою собственную сеть и самовосстанавливаются, т.к. способны реконфигурировать направление обмена данными в случае помех в эфире или повреждения одного из них. Если датчик выпадет из сети, другие сообщат об его отсутствии.

Эта топология имеет много преимуществ. По сравнению с другими она требует гораздо меньшего внешнего управления и использует свое собственное программное обеспечение для конфигурирования коммуникаций и потребляемой мощности. Если сеть оптимизирована, батареи могут работать пять, десять лет или еще больше, благодаря эффективному энергосбережению.

С другой стороны, радиопередатчики, питающиеся от батареи, вынуждены жертвовать мощностью передачи и пропускной способностью для минимизации энергопотребления. Надежность коммуникаций зависит от небольших радиопередатчиков, поддерживающих друг друга, а не от более мощных передатчиков, запитанных со стороны.

Другой протокол ячеистой сети также использует работающие от батарей приборы и, помимо этого, промежуточные устройства, запитанные от внешнего источника. Отдельные приборы обмениваются данными с узлами и не взаимодействуют друг с другом. Узлы работают как повторители, обмениваясь информацией друг с другом, когда это необходимо, и передают данные на шлюз. Отдельные приборы могут связываться более чем с один узлом для организации резервного пути.

Несмотря на то, что такая технология требует масштабной инфраструктуры, она имеет ряд преимуществ перед топологией, где все приборы питаются от батарей. Прежде всего, узлы используют более мощные радиопередатчики с большей пропускной способностью в сравнении с отдельными приборами. Поэтому данные удаленного датчика поступают на шлюз быстрее за меньшее число скачков. Кроме того, из-за большей мощности передача сигналов от узла в шлюз гораздо более устойчива к ошибкам.

Отдельные приборы могут дольше находиться в спящем состоянии и сохранять емкость батареи, так как они включаются только во время опроса, а не в каждом цикле сбора данных. Поскольку узлы получают сигнал постоянно, для предупреждения об аварии прибор может передать данные в любое время.

Однако добавление узлов усложняет начальную установку. Даже если отпадает потребность в кабеле передачи данных, им необходимо питание, что увеличивает количество проводов. Если кабель передачи данных доступен, узел также может функционировать как второй шлюз, увеличивая гибкость маршрутизации данных в сложных системах.

Представляется, что ячеистая сеть по сравнению с другими менее масштабными вариантами лучше подходит для больших приложений. В то время как решения на основе концентраторов данных и систем точка-точка хорошо подходят для сегментов из пяти,десяти устройств, ячеистая сеть предназначена для систем с сотнями устройств. Ячеистая сеть с питанием всех приборов от батарей становится более надежной с добавлением каждого нового устройства. Экономическая целесообразность использования ячеистой сети с узлами, запитанными от внешнего источника, зависит от количества установленных датчиков. В то время как фактически все поставщики планируют постепенное внедрение такой платформы, делая выбор, лучше представлять всю картину возможного развития вашего приложения.

Изучите вашу технологию

Выбор лучшей беспроводной платформы, как и любого другого оборудования, зависит от понимания потребностей вашего технологического процесса. Расположение приборов, уровень точности, частота обновления данных, и т.п., все это является предметом обсуждения. Имея четкое представление о том, как все эти факторы взаимодействуют, и как приборы и получаемые данные поддерживают стратегию управления, вы сможете определить ясные и адекватные цели для вашей беспроводной сети.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *