Základy provozních sítí zařízení typu mesh

-- 19.02.12

U bezdrátových vysílačů nejsou žádné kabely, které byste mohli opravit. Jsou-li navrženy správně, data jdou ze snímače do řídicího systému několika bezdrátovými cestami. V článku popisujeme, jak probíhá bezdrátová komunikace mezi bezdrátovými provozními zařízeními a hostitelskou aplikací.

Bezdrátové provedení průmyslových instalací snižuje nároky na odstraňování problémů. „Jděte po kabelu,“ to nám říkával technik naší laboratoře, když do systému nepřicházela data z procesu. Následovali jsme kabel a obvykle jsme objevili buď špatný kontakt, nebo prohozené vodiče u některého z našich snímačů. U bezdrátových vysílačů nejsou žádné kabely, po kterých byste mohli jít. To je na bezdrátové technologii to krásné. Pokud jsou instalace navrženy správně, data jdou ze snímače do řídicího systému několika bezdrátovými cestami.

Tato koncepce by mohla odborníka na přístrojovou techniku vystrašit.Ale tuto počáteční reakci brzy vystřídá nadšení po první nebo druhé instalaci bezdrátového provozního přístrojového systému. Abychom pomohli rozptýlit tyto obavy, uvádíme přehled použití bezdrátových provozních přístrojů společně s diskusí o senzorové bezdrátové síti, způsobu komunikace senzorů a způsobu, jak systém zajišťuje spolehlivou rádiovou komunikaci mezi zařízeními. Na příkladu sítě provozních zařízení ISA100.11a je vysvětleno, jak probíhá bezdrátová komunikace mezi bezdrátovými provozními zařízeními a hostitelskou aplikací.

Bezdrátová topologie

Tradiční topologii bezdrátové sítě provozních zařízení tvoří bezdrátová provozní zařízení a správce sítě bezdrátových provozních zařízení. Provozním zařízením může být vstupně/výstupní (I/O) zařízení, jako je vysílač nebo akční člen, bezdrátový adaptér pro bezdrátový vysílač nebo páteřní router. Jako routery mohou být konfigurovány také I/O zařízení nebo bezdrátové adaptéry. Mohou vysílat svá vlastní data a data přijatá z blízkých bezdrátových provozních zařízení. Mnoho přístrojových techniků dobře zná I/O zařízení, ale už neznají bezdrátové adaptéry nebo páteřní routery. Bezdrátový adaptér je provozním zařízením, které lze připojit ke kabelovému zařízení a okamžitě je proměnit v zařízení bezdrátové. V současnosti se bezdrátové adaptéry využívají pro zasílání diagnostických dat z kabelových zařízení HART, která nejsou připojena k I/O zařízením HART.

Páteřní router je novým typem provozního zařízení, které bylo zavedeno společně s normou ISA100.11a. Toto provozní zařízení zapouzdřuje data přijatá zařízeními ISA100.11a a zasílá je po páteřním vedení do správce bezdrátových provozních zařízení. Správce bezdrátových provozních zařízení má dvě rozhraní – ISA100.11a a rozhraní páteřní sítě. Páteřní síť je datovou sítí, jako je mimo jiné průmyslový Ethernet, IEEE 802.11 nebo jakákoli jiná síť v závodě. Síť bezdrátových provozních zařízení řídí správce sítě bezdrátových provozních zařízení, který působí jako systémový správce, správce zabezpečení a brána. Systémový správce řídí síť, zařízení a veškerou komunikaci. V případě zařízení standardu ISA100.11a může být síť složena z několika podsítí.

Správce zabezpečení generuje bezpečnostní kódy a autentizuje zařízení. Spravuje také kontrakty mezi zařízeními, což zajišťuje, že spolu mohou komunikovat jen autentizovaná zařízení. Brána dále poskytuje rozhraní mezi bezdrátovým provozním zařízením a sítí závodu. Brána bude překládat data přijatá z bezdrátových provozních zařízení do zavedených provozních protokolů (jako je Modbus, HART apod.) nebo speciálních protokolů, například těch, které se využívají u vibračních signatur.

Adresování provozních zařízení

Síť provozních zařízení ISA100.11a využívá síťovou vrstvu typu IPv6 over Low power Personal Area Network (6LoWPAN), která umožňuje snadné připojení k jakékoli páteřní síti s funkčností IP. Když je zařízení ISA100.11a oprávněno připojit se k síti ISA100.11a, dostane 128bitovou adresu IPv6 a 16bitovou krátkou adresu datové linky podsítě. Obě adresy přidělí systémový správce. Zatímco 128bitová adresa jedinečně identifikuje zařízení v síti ISA100.11a, 16bitový alias má stejnou funkci v podsíti ISA100.11a. Pouze v podsíti se využívá 16bitová adresa podsítě. Jakmile zpráva dorazí do páteřní sítě, používá se plná 128bitová adresa IPv6.

Komunikace provozních zařízení

Všechna bezdrátová provozní zařízení na bázi standardu (ISA100.11a nebo WirelessHART) využívají rádia kompatibilní s normou IEEE 802.15.4-2006, která pracuje v pásmu 2,4 GHz a dovoluje přeskakování frekvencí přes 16 kanálů přímo rozprostřeného spektra (Direct Sequence Spread Spectrum – DSSS). Viz obrázek 2. Všechna standardní zařízení podporují obousměrnou komunikaci, což znamená, že naslouchají příchozím zprávám a odesílají nevyřízené zprávy. Pokud tedy pásmo 2,4 GHz využívají jiná zařízení (tzn. zařízení s funkčností Wi-Fi), jak spolu bezdrátová provozní zařízení vzájemně komunikují, aniž by došlo ke konfliktu? Přeskakování kanálů, časové intervaly Norma ISA100.11a využívá inteligentní algoritmy přeskakování kanálů pro řízení interferencí od jiných RF zařízení a technologii vícecestného odmítnutí (multipath rejection).

Koexistence s jinými RF systémy je zlepšena použitím různých spekter. Tytéž algoritmy dále zajišťují, že frekvence s konzistentně špatným chováním se nebudou využívat. Každé zařízení využívá specifický časový interval (timeslot) při přeskakování mezi kanály za účelem komunikace. Časový interval je jedno neopakující se časové období s konfigurovatelnou délkou (obvykle mezi 10 ms a 15 ms). Dobu trvání časového intervalu nastavuje systémový správce, když se zařízení připojí k síti. Během těchto časových intervalů může zařízení provést několik operací, jako je vysílání, čekání, časová prodleva (timeout) a potvrzení. V normě ISA100.11a jsou definovány tři režimy provozu: intervalové přeskakování kanálů, pomalé přeskakování kanálů a hybridní režim. Každý režim nabízí způsob konfigurování série časových intervalů.

Strategie koexistence

Pro optimalizaci koexistence s dalšími uživateli rádiového spektra 2,4 GHz, zejména zařízení na bázi Wi-Fi, se využívá několik dalších strategií zároveň:

• Využití páteřní sítě: Přenos dat do vysoce kvalitní páteřní sítě v rámci jednoho nebo dvou přeskoků redukuje použití rádiového kanálu ISA100.11a a zvyšuje spolehlivost a latenci.

• Intervalový provoz: Intervalový provoz a plánované přenosy minimalizují kolize a opakování komunikace v rámci podsítě. Výběr rádia: Rádia IEEE 802.15.4:2006 a rádia Wi-Fi mohou přenášet data souběžně, aniž by došlo ke ztrátě dat.

• Cyklus s nízkým zatížením (low duty): Přenos dat je zřídkavý a udržuje režijní provoz sítě na minimu.

• Přenosy typu „staccato“: Přenosy ISA100.11a jsou velmi krátké (nikoli typu „bursts“) a umožňují společně umístěným sítím rychlou obnovu v případě ztracených datových paketů.

• Časová diverzita: Konfigurovatelná období opakování potenciálně zasahující až stovky milisekund umožňují systému koexistovat s dalšími uživateli spektra, kteří budou chtít používat toto pásmo pro vysoce prioritní aktivitu typu „burst“.

• Kanálová diverzita: Nízkozátěžový cyklus rádia je rozprostřen přes 16 kanálů a dále snižuje pravděpodobnost nejhoršího scénáře rušení na zlomek procenta.

• Správa spektra: Uživatel může omezit provoz na určité rádiové kanály.

• Adaptivní přeskakování kanálů: Systém se může vyhnout problematickým kanálům linku od linky, například kanálům vykazujícím křížové rušení Wi-Fi nebo perzistentní vícecestné útlumy.

• Zamezení kolizím: Norma 802.15.4 MAC podporuje CSMA.
  

Směrovací a nesměrovací zařízení

Podle normy ISA100.11a mohou být provozní zařízení konfigurována jako směrovací (routing) nebo nesměrovací (non-routing) zařízení. Nesměrovací zařízení nemá žádné mechanismy pro směrování dat přijatých z jiných zařízení normy ISA100.11a. Jednoduše zasílá svá data směrovacímu zařízení (buď směrovacímu I/O, nebo páteřnímu routeru). Tím se minimalizuje spotřeba energie a maximalizuje životnost baterie. Nesměrovací režim rovněž snižuje latenci zprávy. Směrovací zařízení dokáže směrovat data přicházející ze sousedních zařízení. Směrovací I/O zařízení může směrovat svá vlastní data, kromě dat přijatých z okolních bezdrátových I/O zařízení. Zařízení se schopností směrování se používají obvykle pro rozšíření rozsahu sítě ISA100.11a.

Správa cest

Norma ISA100.11a podporuje dva typy směrování – graph routing a source routing. Graph rating řídí systémový správce a je založen na zprávách generovaných zařízeními, která okamžitě indikují kvalitu bezdrátové konektivity k sousedním zařízením. Systémový správce shromažďuje tyto zprávy o kvalitě signálu a na základě nich přijímá rozhodnutí o směrování. Jakmile se rozhodne pro určité směrování, nakonfiguruje cesty pro každé zařízení v síti. Source routing se provádí na úrovni vysílacího zařízení. Zařízení specifikuje cestu, kterou by měl datový paket jít po podsíti. Když zdrojový paket přijde do následujícího přijímacího zařízení, cesta se prozkoumá a určí se, kterému sousedovi by se měla zpráva předat. Nejefektivnější metodou správy cest je graph routing.

Inteligentní provozní správce

S bezdrátovými provozními zařízeními možná už nemůžete „jít po kabelu“, ale zcela jistě se můžete spolehnout na inteligenci správce provozních bezdrátových zařízení, aby následoval cestu dat za vás. Standardy bezdrátového přenosu (zejména norma ISA100.11a navržená pro bezdrátovou komunikaci) berou komunikační médium v potaz. Tato nová bezdrátová zařízení mají zabudovanou inteligenci potřebnou pro pokračování komunikace i navzdory silnému RF rušení.

ce

Soroush Amidi je manažer produktového marketingu sítě OneWireless Network společnosti Honeywell Process Solutions, průmyslové bezdrátové sítě LAN společnosti Honeywell.

Autor: Soroush Amidi, Honeywell Process Solutions