Технологии и стандарты, применяемые в современных промышленных беспроводных сетях

В настоящее время все большую популярность в качестве каналов связи для систем автоматизации технологическими процессами на промышленных предприятиях получают беспроводные сети. Основным преимуществом беспроводных решений является простота и гибкость доступа к данным с любой точки в любое время.

Существует большое разнообразие беспроводных сетей, которые нашли свое применение в промышленности и на транспорте. В зависимости от скорости, дальности и назначения их можно представить как беспроводные персональные сети WPAN (Wireless Personal Area Networks); беспроводные локальные сети WLAN (Wireless Local Area Networks), а также беспроводные сети масштаба города WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks): WiMAX, MBWA, или 3GPP; сети WAN (Wide Area Networks), включающие в себя магистральную беспроводную связь между городами и регионами, а также спутниковую связь.

Несмотря на то, что стандарт IEEE 802.11 был ратифицирован еще в 1997 г., сети Wi- Fi получили широкое распространение сравнительно недавно, когда существенно понизились цены на серийное сетевое оборудование. В промышленной автоматизации используются практически все те же стандарты IEEE 802.11 a/b/g/n и в последнее время усиленно разрабатываются и тестируются устройства промышленного Wifi стандарта IEEE 802.11ac.

Рис 1. Условия применения промышленных точек доступа и клиентов компании MOXA

Устройства для промышленных wifi сетей, предназначенные для работы в тяжелых промышленных условиях, могут характеризоваться следующими признаками или

• Прочный металлический корпус с опциональной защитой от вибраций, пыли и влаги класса IP68;
  
• Выполнены с учетом промышленного рабочего диапазона температур от -40 до +75°С;
• Имеют гальваническую развязку интерфейсов и вводов/выводов для защиты от высокого уровня электромагнитных помех;
• Резервирование по питанию (двойной ввод питания/сдвоенный блок питания) для защиты от нестабильного напряжение питания и его пропадания;
• Возможно наличие коннекторов M12 с винтовой резьбой, которые обеспечивают физическую защиту Ethernet-портов при работе в условиях агрессивной внешней среде и на движущихся объектах, которые препятствуют самопроизвольному разъединению и попаданию в устройство пыли и влаги;
• Расширенная гарантия – до 5 лет;

Промышленные беспроводные сети нашли широкое применение на многих производственных площадках, особенно на предприятиях в нефтегазовой, энергетической и горнодобывающей отраслях, на транспорте, железной дороге и метрополитене. В общем, где применяются беспроводные сети:

• Любые объекты, для которых известно, что стоимость кабелей, кабельных каналов, опор или траншей, а также работ по монтажу и обслуживанию существенно превышает стоимость заменяющей беспроводной системы;
  
• Объекты во взрывоопасных зонах;
• Объекты, в которых нежелательно сверлить стены или портить дизайн: офисные здания, в которых устанавливается пожарная и охранная сигнализация, датчики для систем обогрева и кондиционирования воздуха, для мониторинга механических напряжений в конструкциях зданий; в системах "умного дома" (управление освещением, кондиционированием-обогревом, охранными датчиками, бытовыми приборами и др.);
• На подвижных частях конвейеров, ветряных мельниц, лифтов, миксеров, тележек для перемещения грузов по цеху, на крыльях и лопастях самолетов, на подшипниках двигателей, на роботах, в передвижных лабораториях, датчики на теле человека и животных; датчики вибрации на контейнерах для перевозки грузов;
• Эпизодическое программирование и диагностика ПЛК, когда прокладывать постоянные кабели не выгодно; дистанционное считывание показаний счетчиков, самописцев;
• Объекты с агрессивными средами, вибрацией; объекты, находящиеся под высоким напряжением или в местах, не удобных для прокладки кабеля;
• Отслеживание траектории движения транспорта, охрана границ государства, мониторинг напряженности автомобильного трафика в городах и условий на дорогах, мониторинг леса, моря, сельскохозяйственных культур, мониторинг вредных выбросов в экологии.

К основным преимуществам беспроводных систем при их применении в автоматизации можно отметить следующее:

• Использование в труднодоступных областях, помещениях и производственных площадках, где практически невозможно проложить проводные каналы связи
  
• Быстрый ввод в эксплуатацию систем связи из-за отсутствия необходимости прокладки кабелей
• Получение доступа к информации из любой точки в любое время
• Высокая мобильность и гибкость системы
• Упрощение требования к обслуживанию оборудования, снижение затрат на выполнение сервисных работ, снижение времени простоя оборудования, оптимальное использование персонала
• Полная совместимость всех сетевых компонентов
• Дистанционная диагностика всего оборудования из единого сервисного центра.Снижение затрат на эксплуатацию
• Получение данных с удаленных объектов, расположенных в труднодоступных местах или в агрессивных средах

Для повышения надежности и эффективности работы беспроводных сетей, в промышленных беспроводных сетях производители широко используются свои закрытые фирменные технологии. Эти технологии служат для организации резервирования проводных и беспроводных каналов, высокоскоростного переключения (роуминга) между соседними базовыми станциями.

Рассмотрим эти технологии более подробно на примере оборудования тайваньской компании MOXA, одного из лидеров по промышленным беспроводным решениям на рынке России.

Первая технология – Concurrent Dual-Radio. Эта технология используется при передаче данных в беспроводной сети без потери пакетов между базовыми станциями и клиентами. Два независимых RF трансивера одновременно осуществляют прием-передачу пакетов данных в двух диапазонах, 2.4 ГГц и 5 ГГц, что позволяет при зашумленном эфире или при потери связи одного из трансиверов, добится гарантированной и непрерывной связи с приемной стороной.

Рис 2. Пример работы технологии Active concurrent dual-radio

Применение технологии Concurrent Dual-Radio рассмотрим на примере железнодорожной станции, где реализована система управления движением составов с использованием резервируемой беспроводной сети. Приборы, размещенные на рельсах, позволяют в реальном времени определить положение состава на станции и передать эту информацию в центральный диспетчерский пункт. Для эффективного управления и мониторинга скорости и положения поездов была развернута 10-ти сегментная отказоустойчивая сеть. Каждый сегмент беспроводной сети содержит свою локальную систему видеонаблюдения, а также два беспроводных устройства – AWK-6222 dual RF. Одно устройство работает в режиме точки доступа, другое – в качестве клиента. Пары устройств AWK-6222 создают резервируемое отказоустойчивое соединение по схеме клиент-точка доступа. Еще одна точка доступа AWK-4121 в каждом сегменте служит для доступа с мобильных устройств к системе IP-камер. Две AWK-6222, одна AWK-4121, и IP-камера подключены через малопотребляющий неуправляемый коммутатор EDS-P308 PoE с питанием от солнечных батарей. Все устройства AWK использованы с промышленным диапазоном температур и с классом защиты IP68.

Рис 3. Пример построения беспроводной сети железнодорожной станции на оборудовании MOXA

Следующая беспроводная технология компании MOXA, которая широко применяется в промышленных сетях, это технология Turbo roaming. Необходимость в роуминге возникает тогда, когда подвижный объект передвигается в пространстве, выходящем за пределы действия одной точки доступа. Приложения, в которых используются распределенные беспроводные сети могут быть самыми разными – начиная от организации связи в цехах и помещениях сложной конфигурации, заканчивая покрытием беспроводной сетью целых маршрутов городского транспорта. Необходимость в наличии постоянной бесперебойной связи диктует жесткие требования к времени переключения беспроводных клиентов между точками доступа. Технология Turbo Roaming, реализованная в точках доступа и клиентских устройствах MOXA, позволяет осуществлять переключение с одной точки доступа на другую за время, не превышающее 50 миллисекунд. В ассортименте продукции MOXA присутствует специальный индустриальный контроллер беспроводного доступа WAC-1001, который взаимодействует с клиентами и соседними точками доступа, для обеспечения непрерывной связи и переключения клиентов между точками доступа за время не выше 5 мсек.

Рис 4. Пример построения беспроводной сети и видеонаблюдения в общественном транспорте в режиме быстрого роуминга

Рис 5. Пример построения беспроводной сети состава метро с использованием режима быстрого роуминга

Технология Балансировки или распределения нагрузки (Load balancing) уже давно используется в проводных сетях и реализована во множестве аппаратных шлюзах и роутерах. В последнее время эта технология получила распространение и в беспроводных промышленных сетях. В беспроводных сетях технология балансировки нагрузки сводится к управлению и распределению нагрузки между точками доступа методом распределения беспроводных клиентов между собой, что значительно улучшит общую эффективность беспроводной сети. Балансировка нагрузки возможна исходя из числа пользователей на одну точку доступа или величины трафика.

Рис 6. Пример использования режима Load balancing в беспроводной сети

Централизованное управление/легкое развертывание беспроводной сети

Использование ПО для централизованного управления позволяет наращивать емкость системы постепенно, по мере увеличения количества пользователей. Также с помощью централизованного ПО выполняется процедура частотного планирования и моделирования беспроводной сети, что позволяет как более рационально использовать частный ресурс, таки установить минимально необходимое количество точек доступа.

Использование технологии PoEв промышленных беспроводных сетях, поддерживающих стандарт 802.3af PoE, позволяет размещать точки доступа в труднодоступных

местах, например на потолках, стенах, где розетки питания недоступны.

• Существенно снизить стоимость установки датчиков;
  
• Исключить необходимость профилактического обслуживания кабелей;
• Исключить дорогостоящие места разветвлений кабеля;
• Уменьшить количество кабелей;
• Уменьшить трудозатраты и время на монтаж и обслуживание системы;
• Снизить стоимость системы за счет исключения кабелей;
• Снизить требования к обучению персонала монтажной организации;
• Ускорить отладку системы и поиск неисправностей;
• Обеспечить удобную модернизацию системы.

При развертывании промышленных беспроводных сетей рекомендуется использовать оборудование одного производителя в целях совместимости и более полного использования заложенного в него функционала и технологий.