Sammenligning av trådløse protokoller for industriell automatisering

Den fjerde industrielle revolusjonen (Industri 4.0) har gitt oss maskiner med mer intelligens og automatiserte anlegg med bedre effektivitet og fleksibilitet. Disse stadig mer komplekse systemene har oppfordret til bruk av trådløs kommunikasjon i industrielle miljøer. Smarte maskiner og modulær automatisering i Industri 4.0 er tross alt definert av:

• Sikker og fleksibel styringskonnektivitet
• Innsamling og kontinuerlig justering av produksjonsprosessverdier
• Overvåking av maskintilstand for forebyggende vedlikeholdsrutiner
• Nettverk for analysefunksjoner til stordata (big-data)

Trådløs teknologi som støtter disse funksjonene er basert på standarder og protokoller for mobil, Wi-Fi, Bluetooth og IEEE 802.15.4. Det er delvis fordi konstruksjonsteknikere forventer kompatibilitet av komponenter fra forskjellige leverandører – noe som per definisjon krever konnektivitet via grensesnitt definert av bransjestandarder og ikke proprietære grensesnitt. Interoperabilitet er faktisk bare ett aspekt av Industri 4.0.

Figur 1: Trådløs tilkobling er svært viktig når det kommer til å koordinere materialhåndtering og samarbeidende robotoppgaver. (Bildekilde: Getty Images)

Individuelle enheter som innlemmer trådløs kommunikasjon er vanligvis dyrere enn kablede nettverk. Denne økte forskuddskostnaden kompenseres imidlertid på flere måter, og trådløse enheter viser seg ofte å være det mest kostnadseffektive alternativet på lang sikt. Det er fordi kostnadene forbundet med å legge kabler gjennom et produksjonsområde kan være betydelige. Det ligger mye arbeid i å planlegge ruting av kabler og tilhørende kontakter. Kabler har i tillegg behov for beskyttelse og fysisk støtte fra kabelbrett eller -bærere – og de krever koblingsbokser og annet tilbehør. Planlegging, bestilling og installasjon av all denne kabelrelaterte maskinvaren forlenger tiden det tar å implementere et nettverk.

Wi-Fi-baserte standarder for automatisering

Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) utga i 1997 802.11, som definerer standarden for trådløs implementering av lokale nettverk (LAN – local area networks). For å sikre at markedet utnyttet denne standarden fullt ut, fulgte industrikonsortiet opp med Wi-Fi Alliance kort tid etter – ledet av leverandører av trådløse enheter som var interessert i å etablere test- og sertifiseringsprogrammer for å opprettholde interoperabilitet mellom produkter på tvers av leverandører. I dag er Wi-Fi-standarden, slik den er definert av IEEE 802.11, supplert med ytterligere standardisering fra Wi-Fi Alliance for å gi eksepsjonelt pålitelig kompatibilitet av enheter som overholder kravene.

Figur 2: Industri 4.0 (også kalt industrielle tingenes Internett eller IIoT) er uløselig knyttet til adopsjonen av trådløs teknologi. Ved å bruke standardiserte grensesnitt for å muliggjøre tilkobling mellom ulike enheter og datasystemer, omfatter disse trådløse teknologiene mobile enheter som brukes som HMI-er (som vist her), samt utallige andre trådløse feltkomponenter som kommuniserer maskinstatus. (Bildekilde: Getty Images)

Selv om Wi-Fi er ganske nyttig når det kommer til overvåking av installasjoner og tilkobling av maskiner til bedriftssystemer, har Wi-Fi noen problemer når det kommer til hastighet, latenstid og tilkoblingsstabilitet, noe som har begrenset bruken i krevende industrielle automatiseringsinstallasjoner knyttet til maskinstyringer. Det betyr at Wi-Fi i industrielle installasjoner i dag for det meste er begrenset til bruksområder som ikke har spesielt strenge krav. Disse omfatter:

• Strekkodeskannere som kommuniserer data til produksjonstekniske systemer (MES – manufacturing execution system) tilgir forsinkelser på ett eller to sekunder
• Bevegelsessensorer som ikke er involvert med sanntidsstyringsfunksjoner
• Langsiktig overvåking av maskintilstand med sensorer som akselerometre (for å spore vibrasjonsgenerering over tid) samt sensorer for temperatur, trykk, fuktighet og gasskonsentrasjon for overvåking av utstyrets effektivitet og helse

Figur 3: Selv om Wi-Fi er uegnet for maskinstyringer, er det nyttig for maskinovervåking og tilkobling av fabrikkgulv til bedriftssystemer. (Bildekilde: Wi-Fi Alliance)

Det har blitt gjort flere forsøk på å tilpasse Wi-Fi til industrielle styringsinstallasjoner, men disse har hatt begrenset suksess. Ett unntak som har hatt litt suksess når det gjelder IIoT-adopsjon er WIA-PA-protokollen (WIA-PA – Wireless Network for Industrial Automation and Process Automation) – en kinesisk industriell trådløs kommunikasjonsstandard.

Wi-Fi opererer som kjent på enten 2,4 eller 5 GHz, der høyere frekvenser muliggjør raskere dataoverføring, men med redusert rekkevidde fordi høyere frekvenser opplever signaltap når de passerer gjennom vegger og andre faste gjenstander. Spesialiserte standarder bruker andre frekvensbånd. For eksempel opererer IEEE 802.11ah lavdata-Wi-Fi (HaLow Wi-Fi) på rundt 900 MHz – og brukes vanligvis i sensorer som trenger utvidede områder og svært lavt strømforbruk. Hvis vi ser på det andre ytterpunktet, opererer IEEE 802.11ad Wi-Fi (WiGig) på rundt 60 GHz for å gi svært raske dataoverføringer.

IEEE 802.15.4-baserte trådløse standarder

Andre trådløse alternativer er trådløse personlige områdenettverk med lav hastighet eller LR-WPAN (low-rate wireless personal area networks) som er definert av IEEE 802.15.4-standarden. LR-WPAN-teknologier prioriterer lav pris og lav effekt over hastighet og rekkevidde. Den grunnleggende spesifikasjonen muliggjør overføringshastigheter på 250 kb/s og rekkevidder på opptil 10 m, og teknologier som benytter LR-WPAN-kommunikasjon er utviklet for å muliggjøre kommunikasjon mellom prisgunstig utstyr som ikke har ytterligere kommunikasjonsinfrastruktur. Protokoller basert på IEEE 802.15.4-standarden, for eksempel 6LoWPAN, WirelessHART og ZigBee, er raskt i ferd med å bli de foretrukne IIoT-protokollene.

1. WirelessHART: En av de 802.15.4-baserte protokollene som støttes av HART Communications Foundation, ABB, Siemens og andre, kalles WirelessHART. Dette er en godt støttet og robust standard for industrielle automatiseringsinstallasjoner. Nettverkspåliteligheten opprettholdes ved å bruke et frekvenshoppende maskenettverk med tidssynkronisering. De fleste trådløse kommunikasjonsprotokoller basert på Wi-Fi- og mobilteknologi bruker derimot en mindre robust stjernenettverkstopologi som krever at alle enheter kobler til en sentral enhet. All kommunikasjon krypteres ved hjelp av 128-biters AES, og brukertilgang kan styres tett.

Figur 4: LTP5903-WHR SmartMesh-nettverksstyringen støtter linjedrevne WirelessHART-gatewayer slik at teknikere, for å gi skalerbar toveiskommunikasjon, kan integrere et trådløst sensornettverk basert på standarder. (Bildekilde: Analog Devices)

Fordi WirelessHART bruker en nettbasert topologi, kan data rutes direkte mellom enheter. Dette kan utvide nettverksområdet og danne redundante kommunikasjonsbaner. På denne måten, hvis én bane mislykkes, bytter senderen automatisk til en redundant bane. Frekvenshopping gjør det også mulig for WirelessHART å unngå problemer med interferens.

2. 6LoWPAN: IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Network (vanligvis kalt 6LoWPAN) er en protokoll som gjør det mulig for IPv6-pakker å overføre over et IEEE 802.15.4-basert nettverk. Dette betyr at enheter med svært lavt strømforbruk kan kobles til Internett, noe som gjør den godt egnet for IoT-sensorer og andre enheter med lavt strømforbruk.

3. ZigBee: ZigBee vedlikeholdes av Zigbee Alliance og er mest brukt i installasjoner for smarte hjem og bygningsautomatisering, og er kanskje den mest etablerte IEEE 802.15.4-baserte protokollen. Den gjør det mulig for noder å forbli i dvalemodus mesteparten av tiden, noe som forlenger batterilevetiden kraftig. ZigBee opererer vanligvis i 2,4 GHz-båndet og har en fast dataoverføringshastighet på 250 kb/s. Den kan støtte ulike nettverkstopologier, deriblant stjerne, spenntre og maske. Spenntre- og masketopologier utvider nettverksområdet.

Figur 5: Zigbee er blant annet nyttig for bevegelses-, vibrasjons-, fuktighets-, temperatur- og tilstedeværelsessensorer i industrielle omgivelser. (Bildekilde: Zigbee Alliance)

Bluetooth LE og IoT for mobiltelefoni i industriell automatisering

Bluetooth Low Energy (BLE) er et alternativ til IEEE 802.15.4 der lave kostnader og lavt strømforbruk er viktig, og hastighet og rekkevidde kan ofres. Den opererer med samme 2,4 GHz-frekvens som standard Bluetooth. Den største fordelen med Bluetooth LE er hvordan den som standard er støttet av mobile operativsystemer som Android fra Open Handset Alliance, iOS fra Apple og forskjellige permutasjoner av Microsofts Windows. Dette, samt det faktum at store elektronikkleverandører som Logitech Corp. har investert store beløp i forskning og utvikling, gjør at Bluetooth LE fortsatt er hovedsakelig et trådløst tilkoblingsalternativ for forbrukerenheter. Dette er en kontrast til WirelessHART, som har vært og forblir hovedsakelig fokusert på IIoT-bruksområder.

Figur 6: Bluetooth Low Energy (BLE)-standarden har en seriell port-profil som systemer gjenkjenner som et fullverdig serielt grensesnitt – noe som er nyttig for å erstatte kablede enheter med oppgraderinger koblet til BLE. (Bildekilde: Bluetooth Special Interest Group)

Når dette er sagt, har vi i løpet av de siste årene sett en andel sensorer, fjernkontroller, låser og håndholdte enheter som bruker Bluetooth LE til industrielle automatiseringsoppgaver. Denne trenden vil sannsynligvis øke i de kommende årene.

I motsetning til BLE- og IEEE 802.15.4-baserte protokoller for kortdistansekommunikasjon med lav effekt, er mobilteknologi trådløs langdistansekommunikasjon. 2G GSM-mobilprotokollen har stort sett blitt erstattet av høyhastighets 3G- og 4G-mobilprotokoller, som er veldig vanlige i mobiltelefoner og IoT-enheter. Aberet er at mobilkommunikasjon bruker betydelige mengder strøm, så i industrielle installasjoner (spesielt for slik konnektivitet på maskiner) kobles systemet til en permanent tilkoblet strømforsyning. Mobile LTE-kategorier gir uttrykk for maksimale dataoverføringshastigheter – dog på bekostning av høyere strømforbruk. LTE Cat-0- og Cat-1-konnektivitet er egnet for IoT-enheter. LTE-M er derimot en mobilprotokoll med lav effekt utviklet spesielt for maskin-til-maskin- og IoT-installasjoner.

I motsetning til den relativt utbredte bruken i mobiltelefoner, er industrielle 5G-installasjoner mindre modne. Det er fordi forbrukere prioriterer nedlastingshastigheter (så de har vært raske med å ta i bruk innledende 5G-enheter) og utviklere av IIoT-systemer prioriterer lav latenstid og allment utbredt dekning. Lav latenstid er faktisk svært viktig innen industriell automatisering. Det er sant at de første 5G-nettverkene har en latenstid på under 30 ms, men det gjøres arbeid for å redusere latenstiden ytterligere til bare 1 ms. Det er raskt nok for krevende industrielle styringsinstallasjoner som opererer i sanntid (ikke bare overvåking) – for eksempel overføring av tilbakekoblingssignaler i maskinverktøy.

Én måte 5G reduserer latenstid på, er med nettverksoppdeling (network slicing). Denne nettverksteknikken deler båndbredden til et nettverk opp i ulike virtuelle baner som deretter administreres individuelt. Noen baner er reservert for overføringer med lav latenstid – der mesteparten av trafikken ikke har lov til å bruke disse banene. Da er det bare industrielle styringsinstallasjoner, som trenger den raskeste overføringen, som har lov til å bruke disse reserverte hurtigbanene.

Fremveksten av den trådløse LoRA-protokollen

LoRA (Long-range wide-area network modulation) er den foretrukne trådløse protokollen for eksterne og offshore-relaterte installasjoner i bransjene for fornybar energi, gruvedrift og logistikk. Det er en trådløs teknologi med lav effekt som kan kommunisere over svært lange avstander – til og med over 10 km – på ett batteri i opptil 10 år. Kort sagt er LoRA en ikke-mobil teknologi som opererer i lisensfrie frekvensbånd. Den benytter frekvensbånd som ligger under gigahertz-området, for eksempel 433 og 915 MHz, og spredt-spektrum-modulasjon basert på CSS-modulasjon (CSS – chirp spread spectrum). Dette gjør den svært godt egnet for IoT-enheter som befinner seg på eksterne steder og som kun trenger beskjedne dataoverføringshastigheter. LoRA har også 128-biters kryptering og autentiseringsstyringer. En annen nyttig funksjon (spesielt for sensorer i IIoT-installasjoner) er geolokalisering som bruker trilaterasjon mellom enheter.

LoRA bruker proprietære teknologier utviklet av Semtech Corp, men har et stort utvalg av elementer med åpen kildekode. Den støttes (og enhetsinteroperabilitet sikres) av LoRa Alliance – en stor forening som inkluderer IBM, Cisco, TATA, Bosch, Swisscom og Semtech.

Konklusjon

Det finnes rikelig med trådløse protokoller for industriell automatisering. Hver av disse er egnet for bestemte bruksområder. Bruksområder som krever lavt strømforbruk og mottar overføringer over korte distanser, drar ofte nytte av inkluderingen av ZigBee- og Bluetooth LE-konnektivitet. Mer krevende industrielle installasjoner som trenger robust kommunikasjon, kan kreve enheter som har trådløse WirelessHART-tilkoblinger. Bruksområder som har behov for overføring med høye dataoverføringshastigheter over lange avstander, krever mobilnett. Her er 5G klar til å transformere trådløs kommunikasjon. Kommunikasjon av data over svært lange avstander (med minimalt strømforbruk) er ofte best gjennom LoRa.