Bezprzewodowa transmisja danych w sieciach Profinet

Transmisja danych przy użyciu kabli jest korzystna pod względem kosztów, bezpieczeństwa i niezawodności, jeśli przewody mogą być ułożone nieruchomo. Automatyka przemysłowa charakteryzuje się jednak często procesami o wysokiej dynamice, które stawiają instalacje kablowe przed dużym wyzwaniem.

Elektromechaniczne rozwiązania instalacji ruchomych, takie jak łańcuchy lub kable ciągnione są drogie w zastosowaniu i eksploatacji. Ponieważ pod stałym obciążeniem ulegają one zużyciu, mogą występować zakłócenia w komunikacji, które wpływają ujemnie na dyspozycyjność urządzenia i powodują konieczność prowadzenia kosztownych prac konserwacyjnych. Transmisja radiowa nie ulega zużyciu.

Użytkownicy już od dawna domagają się systemu fieldbus wspartego przekazem radiowym i jego użyteczność została wskazana w różnych opracowaniach. Z powodu wysokich kosztów technologicznych propozycje ewentualnych rozwiązań były nie do zaakceptowania. Wraz z wprowadzeniem przemysłowego Ethernetu do systemów sterowania komunikacja bezprzewodowa może stać się korzystna również pod względem kosztów. Przede wszystkim standard Profinet daje się w sposób przejrzysty zastosować przy wykorzystaniu technologii WLAN 802.11 i Bluetooth (IEEE 802.15.1). Przepustowość transmisji danych, sprawność i charakterystyki standardów radiowych są jednak nieporównywalne z właściwościami przewodowych sieci LAN.

Komunikacja w sieci Profinet za pośrednictwem WLAN

Standardy WLAN pracują na warstwie przesyłania strumieni bitów modelu warstwowego OSI (Open Software Interconnection – otwarte połączenie systemów), dzięki czemu ramki danych w czasie rzeczywistym sieci Profinet dają się przesyłać niezależnie od protokołu (tabela 1.).

 

Standard

Szybkość
transmisji

Częstotliwość

Rozciąganie 
pasma

802.11

2 MBit/s

2,4 GHz

FHSS/DSSS

802.11a

54 MBit/s

5 GHz

OFDM

802.11b

11 MBit/s

2,4 GHz

DSSS

802.11g

54 MBit/s

2,4 GHz

OFDM

802.11h

54 MBit/s

5 GHz

OFDM

Tab. 1. Przegląd standardów transmisji w sieciach WLAN

Chociaż sieć LAN udostępnia szybkość transmisji danych do 54 Mbit/s, rzeczywista szybkość netto z powodu dużych nagłówków wynosi około 50%. Jeśli zamiast dużych pakietów danych wielkości 1 000bajtów przesyłane dalej są typowe dla automatyzacji mniejsze pakiety, wyraźnie pogarsza się przepustowość transmisji danych. Minus ten kompensują jednak standaryzacja i niewielkie koszty.

Profinet jest zaprojektowany dla kablowych sieci przełączanych LAN z dupleksową transmisją danych 100 MBit/s. W przypadku sieci WLAN rzeczywista szybkości netto to maksymalnie 6 Mbit/s (WLAN 802.11b) względnie 25 MBit/s (WLAN 802.11g) przy transmisji półdupleksowej. Możliwe jest transparentne przesyłanie ramek danych w czasie rzeczywistym sieci Profinet, przy czym szybkość transmisji w czasie rzeczywistym w sieci kablowej nie jest osiągana. Jeśli sieć WLAN jest do dyspozycji tylko jednego abonenta, dają się realizować krótkie czasy cyklu transmisji od 4 ms do 8 ms z niewielkim rozsynchronizowaniem. Przy wielu abonentach z powodu zastosowanej metody dostępu CSMA/CA (Carrier-Sense-Multiple-Accesswith- Collission-Avoidance – wielokrotny dostęp z wykrywaniem nośnej i unikaniem kolizji) nie można zagwarantować maksymalnego czasu odpowiedzi. Wraz z obecnie zdefiniowanym rozszerzeniem WLAN 802.11e pod pojęciem „Quality of service” (QoS) wkrótce będą dostępne mechanizmy do obsługi określonej jakości usługi (QoS) dla połączenia radiowego.

W standardzie IEEE 802.11e wyróżnia się dwie metody. Oparta na priorytetach funkcja Enhanced-Distribution-Coordination-Function (EDCF) definiuje osiem kategorii ruchu (Traffic- Categories – TC) jako stopnie priorytetów, które każdorazowo obsługiwane są w podanej kolejności. W przypadku automatyzacji większe znaczenie ma oparta na odpytywaniu funkcja Hybrid-Coordination-Function (HCF), która przydziela abonentom sztywny czas transmisji. W sieci WLAN z wieloma abonentami możliwe są więc również krótkie czasy odpowiedzi oraz ściśle określone charakterystyki czasowe. W związku z tym, że oparta na radiu komunikacja do transmisji danych korzysta z publicznego nośnika, mogą występować zakłócenia wielorakiego rodzaju. Sieć WLAN nadaje w paśmie 2,4 GHz, więc na przekaz nie mają wpływu pola zakłócające, które występują w zakresach kiloi megahercowych – na przykład przy spawaniu łukiem elektrycznym, przy przetwornicach częstotliwości lub w czasie procesów przełączania (rys. 1.). Ponadto za pomocą systemu DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum – sekwencja bezpośrednia w widmie rozproszonym) sygnał obejmuje większy zakres częstotliwości. Jednak system WLAN 802.11b/g na stałe zajmuje tylko przedział 22 MHz z pasma częstotliwości o szerokości tylko 83 MHz. W związku z tym, że dla niezakłóconej komunikacji w systemie WLAN nie powinno mieć miejsca jakiekolwiek nakładanie się częstotliwości, w Europie jednocześnie mogą być wykorzystywane tylko trzy z 13 kanałów WLAN. W paśmie 5 GHz do dyspozycji może stać maksymalnie 12 kanałów. 

Rys. 1. Przegląd zakresów częstotliwości różnych urządzeń przemysłowych

Komunikacja w sieci Profinet w technologii Bluetooth

Bluetooth jest uniwersalnie stosowaną technologią przekazu radiowego, która wyróżnia się solidną i niezawodną techniką transmisji danych. Przede wszystkim opiera się ona na szerokopasmowej transmisji, rozpościerającej się na całe pasmo częstotliwości 2,4 GHz, za pomocą technologii FHSS (Freqency Hopping Spread Spectrum – częstotliwość skokowa w widmie rozproszonym). Przy tym wszystkie 79 kanałów zmienia się do 1 600 razy na sekundę w pseudolosowej kolejności. Uszkodzone pakiety danych są w razie potrzeby ponownie wysyłane innym kanałem z minimalnym opóźnieniem. System adaptatywnego przeskoku częstotliwości w wersji 1.2 wykrywa automatycznie kanały zajęte przez inne systemy radiowe lub często zakłócane i usuwa z sekwencji skoków. W ten sposób daje się zwiększyć niezawodność i zapewnić pozbawione zakłóceń współistnienie z systemem WLAN 802.11b/g (rys. 2.). 

 Rys. 2. Za pomocą stosunkowo niedrogich technologii Bluetooth i WLAN 802.11 można integrować łącza radiowe w systemach wejść / wyjść Profinet 

Bluetooth oferuje dla różnorodnych zastosowań różne profile i protokoły. Do transparentnej transmisji za pomocą protokołów sieciowych, takich jak IPv4 lub IPv6, zostały określone profil PAN (Personal-Area-Network-Profil – profil zasięgu sieci osobistej) oraz protokół BNEP (Bluetooth Network Encapsulation Protocol – protokół kapsułkowania sieci Bluetooth). BNEP może szybko dołączyć każdy protokół z warstwy pośredniej. Dzięki niewielkiemu nagłówkowi protokołu dostępna szerokość pasma jest efektywnie wykorzystana. Przy całkowitej szybkości transmisji (brutto) 1 Mbit/s – odpowiadającej szybkości netto około 750 kBit/s – Bluetooth ma niewiele mniejszą przepustowość transmisji danych niż sieć WLAN. Wystarcza to do bezprzewodowego powiązania jednego lub paru sterowników albo komponentów systemów sterowania, które najczęściej przesyłają tylko kilka bajtów danych. Jeśli na przykład cyklicznie w obu kierunkach musi następować wymiana 100 bajtów danych co 16 ms, to konieczna rzeczywista szybkość netto wynosi tylko 100 kBit/s. Szerokość pasma systemu WLAN byłaby więc prawie niewykorzystana, chociaż byłby zajęty jeden z trzech równoległych kanałów.

Dzięki procedurze FHSS sieć Bluetooth może skutecznie wykorzystać pasmo częstotliwości. Dlatego systemy Bluetooth mogą być równolegle uruchamiane lokalnie w dużej liczbie, jak również mogą współistnieć z systemami WLAN. Właśnie w dużych halach przemysłowych mogą być duże trudności z całkowitym objęciem wielu abonentów łącznością radiową o dobrej przepustowości transmisji danych. Trzy kanały WLAN ograniczają bowiem możliwość poprawy łączności radiowej przez zwiększenie gęstości punktów dostępu. Jeśli pomiędzy punktami dostępu nie jest konieczna łączność globalna (roaming), prościej jest zbudować wiele małych sieci Bluetooth.

Podsumowanie

W przypadku wielu użytkowników zastosowanie transparentnej i niezawodnej transmisji w sieci Profinet za pośrednictwem systemów Bluetooth lub WLAN stwarza nowe możliwości i daje korzyści ekonomiczne.

Pierwsze przemysłowe produkty Wireless, umożliwiające bezprzewodowe połączenia w sieci Profinet, są już dostępne na rynku.

Mgr inż. Jürgen Weczerek studiował na Uniwersytecie Padeborn Elektrotechnikę ze specjalizacją w energetyce. Od 1991 r. jest związany z firmą Phoenix Contact i od 2002 r. działa dziale ds. marketingu Business Unit Automation Systems – między innymi jest odpowiedzialny za komunikację radiową.
E-mail:
jweczerek@phoenixcontact.com