Sieć bezprzewodowa dla przemysłu ? samoorganizująca się czy zarządzana?

Rys. 1. Routery umieszczone między poszczególnymi przyrządami a bramą sieciową pomagają w zarządzaniu ruchem sieciowym ?i minimalizują zależność od sieci kratowych. Źródło: Yokogawa

Standardy ANSI/ISA100.11a oraz WirelessHART odzwierciedlają kontrastujące ze sobą podejścia do zarządzania sieciami. Wybór sieci bezprzewodowej, która ma być wdrożona w zakładzie, jest bardzo istotną decyzją wpływającą na efektywność operacyjną.

Firma przemysłowa rozważająca zainstalowanie w swojej fabryce lub zakładzie sieci bezprzewodowej do połączenia urządzeń obiektowych, takich jak czujniki pomiarowe i elementy wykonawcze, ma do wyboru dwa dominujące na rynku protokoły bezprzewodowe: ANSI/ISA100/11a oraz Wireless-HART. Obydwa zostały zatwierdzone przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną (IEC) jako standardy globalne (PN-EN IEC 62734 ? Przemysłowe sieci komunikacyjne ? Sieci komunikacyjne bezprzewodowe i profile komunikacyjne ? ISA 100.11a, Wireless communication network and Communications profiles oraz PN-EN IEC 62591 ? Przemysłowe sieci komunikacyjne ? Bezprzewodowa sieć komunikacyjna i profile komunikacyjne ? Bezprzewodowy HART(tm), Wireless Communications Network and Communications profiles) i są wykorzystywane od ponad 10 lat.

Te dwa podejścia wykazują wiele podobieństw (na przykład obydwa wykorzystują energooszczędną łączność radiową zgodną ze standardem IEEE 802.15.4). Sieć kratowa (mesh network), zgodna ze standardem WirelessHART, jest siecią samonaprawiającą się (self-healing) i samoorganizującą się (self-organized). Sieć zgodna z ISA100.11a jest także samonaprawiającą, a jej każdy węzeł może mieć ścieżki redundantne, przy czym użytkownicy dokonują specyfikacji tych ścieżek w celu zorganizowania sieci. Jednak sposoby organizowania tych dwóch rodzajów sieci różnią się znacznie. Wiele zależy od tego, w jaki sposób sieci te formują ścieżki komunikacji i wykorzystują technologię sieci kratowej, co determinuje zarządzanie sposobem komunikowania się poszczególnych urządzeń obiektowych ze sobą w obydwu kierunkach.

Samoorganizujące się sieci WirelessHART

Obydwa omawiane protokoły wywodzą się z początku lat 2000, gdy technologie automatyki dla przemysłu produkcyjnego i procesowego przechodziły znaczne zmiany. Tzw. wojny o standard magistrali obiektowej (fieldbus wars) z poprzedniej dekady już się zakończyły, pozostawiając na wielu producentach automatyki wrażenie, że jeśli technologia ? mimo wielu zalet technicznych ? jest zbyt skomplikowana dla obsługi, to może to zmniejszyć opłacalność jej wdrożenia przez firmy przemysłowe.

Standard WirelessHART wszedł na rynek, obiecując prostotę użytkowania i szybką konfigurację. Być może wprowadzono go w nadziei na uniknięcie głównych zażaleń i skarg kierowanych przez integratorów i użytkowników na protokoły Foundation Fieldbus i Profibus PA ? były one zbyt skomplikowane, aby mogły być łatwo wdrożone przez personel typowego zakładu przemysłowego. WirelessHART zaadaptował wiele narzędzi i technik klasycznego standardu HART dla oprzyrządowania połączonego przewodowo i zastosował je, wykorzystując komunikację bezprzewodową.

Sieć WirelessHART ma zdolność samoorganizacji, tak więc urządzenia do niej podłączone mogą automatycznie określać sposób wzajemnej komunikacji w celu wymiany danych. Nadajniki poszczególnych czujników pomiarowych mogą wysyłać dane do sąsiadujących urządzeń, tak więc dane są kolejno odbierane i przekazywane dalej, aż osiągną bramę sieciową. Powoduje to pewne opóźnienie przesyłu, jednak zwykle nie jest to znaczący problem. Zdolności do samoorganizacji sieci mają charakter dynamiczny, zaś dostrojenia parametrów mogą być wykonywane ?w locie?, w odpowiedzi na zmieniające się warunki. Technologia ta, mimo wielu zalet, ma również następujące wady:

Uczynienie sieci WirelessHART samozarządzającą eliminuje możliwość wykorzystania większości narzędzi do zarządzania zewnętrznego. Sieć tworzy swoje własne ścieżki komunikacyjne i nie ma żadnego mechanizmu, aby zastąpić je ręcznie.

Samoorganizowanie się sieci Wireless-HART oznacza, że skalowalność może stać się problemem. Każda brama sieciowa będzie miała maksymalną liczbę urządzeń, którą będzie mogła obsłużyć (np. maks. 100 urządzeń). Samoorganizacja nie zawsze oznacza samooptymalizację. Sieć może znaleźć ścieżkę komunikacji dla danego urządzenia, mając wystarczającą liczbę działających łączy radiowych, jednak ta ścieżka komunikacyjna niekoniecznie musi być najlepsza i najkrótsza. Projektanci sieci mogą wykorzystać narzędzia diagnostyczne do sprawdzenia, w jaki sposób urządzenia się komunikują, jednak WirelessHART nie udostępnia żadnych środków do zarządzania tym, które urządzenia komunikują się z którymi. Jeśli tworzą się ścieżki, które nie są optymalne, to mechanizm tworzenia nowych ścieżek wymaga umieszczenia innych urządzeń w sieci w celu umożliwienia jej utworzenia lepszych ścieżek. Dodanie większej liczby urządzeń niekoniecznie jednak usuwa wąskie gardła czy zmniejsza liczbę ?skoków?, które musi wykonać sygnał, aby osiągnąć bramę sieciową lub moduł końcowy.

Zdolność sieci do dostrajania się według wymagań stwarza potencjalny obszar ataku dla cyberprzestępców, którzy próbują dostać się do sieci i wykorzystać ją do swoich celów. Na przykład atak ?wormhole? jest skierowany konkretnie na sieci ad hoc i potrafi zakłócić normalne ścieżki komunikacyjne nawet wtedy, gdy haker nie zagroził żadnym hostom w sieci ani nie złamał żadnych szyfrów. Istnieją techniki obrony przed takimi atakami i wykonanie skutecznego cyberataku nie jest łatwe, jednak sieci kratowe mają tę krytyczną słabość.

Fizyczny układ sieci może spowodować, że stworzy ona ścieżki komunikacyjne, które mają tendencję do uzależnienia od małej liczby strategicznie umieszczonych węzłów, przez które przechodzą dane z dużej liczby przemysłowych urządzeń. Te ?zwężenia? (?pinch points?) mogą spowodować tak duże obciążenie strategicznych węzłów, że gdy jeden z nich przestanie działać z powodu np. wyczerpania baterii, zakłóceń komunikacji lub uszkodzenia, to główne części sieci mogą zostać zupełnie odcięte.

Możliwość powstania tych zwężeń oraz ich prawdopodobnych skutków potwierdza patent dotyczący standardu Wireless-HART (US20110164512A1, Wireless mesh network with pinch point and low battery alerts, Bezprzewodowe sieci kratowe z alarmami zwężeń komunikacyjnych oraz niskiego stanu baterii):

?Po pierwsze urządzenia bezprzewodowe, które muszą komunikować się przez zwężenie, mogą cechować się zmniejszoną niezawodnością komunikacji. Po drugie przepustowość dla tych urządzeń bezprzewodowych, które muszą komunikować się przez zwężenie, może być ograniczona i może to negatywnie wpłynąć na pracę sieci. Po trzecie urządzenie bezprzewodowe, będące zwężeniem w ruchu sieciowym, będzie pobierało dodatkową energię w celu obsługi/nadawania tej zwiększonej ilości danych. Jest to szczególnie ważne w przypadku urządzeń z zasilaniem bateryjnym (powoduje skrócenie żywotności baterii) lub urządzeń pozyskujących energię z otoczenia (np. zasilanych ogniwami słonecznymi)?.

?Zwężenia mogą być spowodowane różnymi przyczynami. Na przykład mogą być wynikiem niezbyt solidnego zaprojektowania lub zainstalowania sieci, stale zmieniającego się środowiska rozchodzenia się fal radiowych, zmian w przestrzeni fizycznej, w której zainstalowana jest sieć (co wpływa na rozchodzenie się fal radiowych) oraz wycofywanych z eksploatacji urządzeń bezprzewodowych?.

Narzędzia do analizy sieci Wireless-HART potrafią monitorować ścieżki komunikacyjne oraz status urządzeń podłączonych do sieci, taki jak stan baterii zasilających. Odpowiednie oprogramowanie potrafi zidentyfikować miejsca, w których powstały zwężenia, i może być skonfigurowane tak, aby ostrzegało operatorów o tej sytuacji. Trzeba jednak pamiętać, że wbudowany w urządzenia WirelessHART mechanizm samoorganizacji nie ma zdolności do poprawienia tej sytuacji ? optymalizacji połączeń/ścieżek, ponieważ rozwiązanie problemu niezmiennie obejmuje fizyczne dodanie lub przesunięcie urządzeń w celu ustanowienia bardziej korzystnych ścieżek komunikacyjnych. Ktoś (integrator, inżynier sieci) musi zmienić układ sieci tak, aby mogła ona znaleźć swoje własne nowe rozwiązanie lub dodać kolejną bramę sieciową w innej lokalizacji i być może dokonać dalszego podziału w strukturze, architekturze sieci.

Porównanie sieci zarządzanych z sieciami samoorganizującymi się

Komitet ds. standardów ISA 100 został utworzony w celu przygotowania rodziny standardów dla komunikacji bezprzewodowej, wykorzystywanej w aplikacjach automatyki przemysłowej. Grupa Robocza 3 Komitetu ISA 100 była odpowiedzialna za opracowanie standardu ISA100.11a, zaś produkty spełniające wymagania tego standardu były od 2013 r. wysyłane pod marką ISA100 Wireless?.

Wymagające znacznie większego wysiłku niż w przypadku WirelessHART, prace nad opracowaniem standardu ISA 100 rozpoczęły się od uzgodnienia podstawowego założenia, że sieci obsługujące złożone środowiska przemysłu produkcyjnego muszą pokrywać swoim zasięgiem nie tylko urządzenia obiektowe i oprzyrządowanie. Twórcy standardu uważali także, że uzyskanie maksymalnej wydajności oraz cyberbezpieczeństwa sieci powinno mieć większe znaczenie niż kwestia jej nadmiernego uproszczenia. Potrzebne było opracowanie i wdrożenie funkcji pozwalających na planowanie i zarządzanie sieciami w celu dostarczenia wymagającym użytkownikom sieci sterowania o wysokiej wydajności i niezawodności. Co więcej, musiało to zostać osiągnięte bez mnożenia dodatkowych problemów związanych z użytecznością takiego systemu sieciowego, które utrudniałyby adaptację i instalację sieci na poziomie obiektowym.

Zgodna ze standardem ISA100.11a bezprzewodowa sieć dla oprzyrządowania instalowanego na poziomie obiektowym (fieldbus) może być skonfigurowana tak, aby wykorzystywała samoorganizującą się sieć kratową taką jak WirelessHART, jednak nie jest to jedyna opcja. Istnieje wiele dostępnych narzędzi oraz technik, dzięki czemu użytkownik może wybrać najlepsze podejście dla danej aplikacji i środowiska w fabryce.

Proste planowanie i przemyślenia w fazie projektowania przy wdrażaniu ISA100.11a to początek długiej drogi do ulepszenia wszystkich połączeń radiowych, na których opiera się sieć. Zrozumienie podstaw propagacji sygnału radiowego powinno być pomocne przy opracowaniu koncepcji rozmieszczenia urządzeń i anten oraz w uniknięciu trudności zwykle napotykanych przy złożonych instalacjach i konstrukcjach fabrycznych, pełnych stalowych zbiorników i konstrukcji, a także w uniknięciu wad typowych dla sieci kratowych.

W sieciach zgodnych ze standardem ISA100.11a zamiast rozmieszczania dużych grup urządzeń, z których każde bezpośrednio osiąga tę samą bramę sieciową, można wykorzystać klasyczne routery jako punkty przekaźnikowe (rys. 1), które zbierają dane od poszczególnych przyrządów bezprzewodowych, a następnie przesyłają te dane do bramy sieciowej. Routery w takiej konfiguracji są po prostu bezprzewodowymi nadajnikami, podobnie jak np. czujnik temperatury, skonfigurowanymi tak, aby komunikowały się bezpośrednio z bramą sieciową.

Dzięki temu unika się przesyłania sygnałów pomiędzy wieloma urządzeniami obiektowymi, dzięki czemu rośnie prędkość przesyłu danych i ogranicza się pobór energii przez każde z urządzeń uczestniczących w ścieżce transmisji danych. Poprzez wdrożenie sieci zgodnej z ISA100.11a w ten opisany sposób, sieci kratowe są wykorzystywane tylko wtedy, gdy są potrzebne do eliminowania problemów związanych z zaburzeniami ruchu sieciowego, zamiast ciągłego realizowania komunikacji dla każdego urządzenia.

Ponieważ ruch w sieci kratowej nie występuje w sposób ciągły, czujnik obiektowy o bardzo małej częstotliwości odświeżania, taki jak np. czujnik poziomu w dużym zbiorniku, może pozostawać uśpiony przez długi czas. To sprzyja zmniejszeniu zużycia energii w porównaniu do sytuacji, gdy czujnik byłby stale aktywny i komunikował się z innymi urządzeniami. Jeśli znaczne zakłócenia w ruchu sieciowym spowodują przerwanie połączenia pomiędzy czujnikiem obiektowym a jego podstawowym routerem, to urządzenie automatycznie połączy się z kolejnym routerem.

Rys. 2. Odpowiednie umieszczenie routera może uczynić komunikację między obydwoma końcami sieci bardziej niezawodną. Źródło: Yokogawa

Wdrożenie sieci bezprzewodowej

Najskuteczniejsze praktyki polegają na umieszczaniu routerów wysoko w takich miejscach, w których ?widzą? one bezpośrednio zarówno bramę sieciową, jak i umieszczone poniżej poszczególne urządzenia (rys. 2). Ponieważ większość bezprzewodowych urządzeń obiektowych ma zintegrowane anteny, to w sytuacji gdy urządzenie ?nie widzi? routera, jego antena może wymagać przesunięcia poza przeszkodę. Ponadto, ponieważ każdy z czujników próbuje skomunikować się z konkretnym punktem, można użyć anten kierunkowych do zwiększenia siły sygnału.

Te połączenia komunikacyjne są ustanawiane przez inżynierów i techników pracujących z narzędziami do zarządzania siecią. Raz ustanowione pozostają statyczne w miarę upływu czasu, jeśli sam sprzęt pozostaje w jednym miejscu. Mogą w trakcie eksploatacji pojawiać się nieprzewidziane zakłócenia, np. ciężarówka czy tymczasowa konstrukcja blokująca drogę połączenia radiowego, jednak normalnie sieci te nie wymagają ciągłego ponownego dostrajania. Dobrze wdrożona przy wykorzystaniu ww. metod sieć ISA100.11a może pracować stabilnie wiele lat. Czasem jakieś urządzenie może wymagać zmiany położenia jego anteny, co nie jest jednak zadaniem trudnym do realizacji przez inżynierów techników.

Rodzina standardów bezprzewodowych ISA100 została stworzona w oparciu o koncepcje dobrane do środowisk fabryk przemysłu procesowego. Została opracowana od zera dla rafinerii, fabryk chemicznych oraz innych wymagających zakładów przemysłowych. Ponadto objęła wiele form komunikacji bezprzewodowej, poza oprzyrządowaniem.

Z drugiej strony opisany wcześniej standard WirelessHART wymagał mniejszego wysiłku przy opracowaniu, ponieważ przyjęto i zaadaptowano istniejącą technologię. O ile unikanie ?odkrywania Ameryki? jest często sensownym podejściem, o tyle w tym przypadku okazuje się, że technologia przeznaczona do tworzenia sieci ad hoc w stale zmieniających się warunkach może powodować problemy w niektórych sytuacjach.

Wybór jednego z tych dwóch standardów sieci bezprzewodowych do wdrożenia w zakładzie jest sprawą kluczową dla firmy przemysłowej, natomiast decyzja o tym, które rozwiązanie będzie w danej sytuacji optymalne, będzie zależała od wielu zmiennych.


Kinichi Kitano jest starszym inżynierem w Nowym Ośrodku Rozwojowym Przyrządów Obiektowych firmy Yokogawa.