Monitoring w aplikacjach przemysłowych

Wykorzystanie urządzeń komunikujących się w standardzie monitoring ZigBee wydaje się w automatyce przemysłowej niedoceniane. Tymczasem mogą one być z powodzeniem używane zarówno w nowo powstających sieciach monitoringu, jak również tam, gdzie stara infrastruktura podlega rozbudowie. W artykule skoncentrowano się na tym drugim przypadku, przedstawiając przykłady współpracy monitoring sieciowy ZigBee oraz Modbus. Standard transmisji bezprzewodowej ZigBee wydaje się być idealny do zastosowań telewizji i monitoringu w celach przemysłowych ze względu na niskie koszty instalacji i możliwości prostej rozbudowy sieci. Głównym wyzwaniem związanym z jego wykorzystaniem jest wdrożenie nowych urządzeń bez wprowadzania ważnych zmian w już istniejących sieciach przemysłowych. W chwili obecnej na rynku dostępnych jest coraz więcej punktów dostępowych, modemów czy interfejsów umożliwiających komunikację urządzeń monitoring ZigBee z innymi systemami. Umożliwiają one r raktycznie natychmiastowe zestawienie połączenia np. pomiędzy zainstalowanymi PLC i urządzeniami zdalnymi, jak też pozwalają na rozbudowę istniejącej infrastruktury sieciowej zgodnie z potrzebami danego zakładu.

BEZ PRZEWODÓW PROŚCIEJ Niezależnie od niewątpliwych zalet monitoring przemysłowy sieci automatyki charakteryzują dobrze znane ograniczenia. Zastosowanie połączeń przewodowych do transmisji danych pociąga za sobą koszty ponoszone zarówno trakcie budowy sieci, jak i jej rekondguracji. W środowisku przemysłowym może to być tym bardziej kłopotliwe, a same przewody stanowić mogą źródło zagrożenia (np. pożarowego). Instalacje przewodowe w systemach monitoringu są również mało korzystne w przypadku konieczności odczytywania sygnałów z bardzo oddalonych czujników oraz komunikacji z elementami wykonawczymi w obiektach przemysłowych o bardzo dużej powierzchni.
Odpowiedzią na powyższe problemy monitoringu są sieci bezprzewodowe. Chociaż charakteryzują się one łatwością instalacji, wykorzystanie transmisji bezprzewodowej w środowisku przemysłowym jest wielkim wyzwaniem z powodu występowania zaburzeń, interferencji oraz tłumienia związanego z odbiciami transmitowanego sygnału. W związku z tym w bezprzewodowych sieciach monitoring automatyki stosuje się specjalne techniki kompensujące wpływ szkodliwych czynników. Jedną z nich jest FHSS {Freąuency Hop-ping Spread Spectrum), która zwiększa niezawodność sieci pracujących w topologiach punkt-punkt oraz gwiazda. W przypadku sieci o topologii siatki wykorzystywane są również np. techniki automatycznego routingu umożliwiające dokonywanie przekierowywania transmisji danych, jeżeli doszło do nieudanej transmisji za pomocą pierwotnie wybranej trasy monitoringu.

W odróżnieniu od protokołów przemysłowej komunikacji kablowej, monitoring takich jak np. Modbus, który jest standardem otwartym, na rynku bezprzewodowych sieci automatyki przemysłowej dominują standardy będące własnością poszczególnych firm, które niestety nie są ze sobą kompatybilne.
Jednocześnie takie protokoły jak monitoring sieci WiFi i Bluetooth tworzone były dla zupełnie innych rodzajów zastosowań, dlatego też ich zastosowanie w przemyśle procesowym jest ograniczone. Przeszkodą wprowadzania tych sieci bezprzewodowych do fabryk jest również ich cena, która kształtuje się zwykle na poziomie kilkudziesięciu-kilkuset dolarów za węzeł.

POJAWIA SIĘ ZIGBEE Standard ZigBee wypełnił opisaną powyżej, bardzo interesującą niszę rynkową. Urządzenia tego typu są stosunkowo tanie, pobierają mało energii, a jednocześnie umożliwiają tworzenie sieci zapewniających efektywną transmisję danych w środowisku przemysłowym. Czynniki te oraz liczba.

Jakub Husarzewski menedżer produktów wireless w firmie WG Electronics ■ Jakie przesłańki wpływają na akceptację standardu Zigbee przez przemysł? Automatyzacja skomplikowanych procesów technologicznych wymaga zwiększenia liczby punktów monitorowania. Rośnie także znaczenie zdalnego monitoringu domów, magazynów, ulic, urządzeń AGD. Proces ten wymaga niewyobrażalnej liczby czujników, połączonych ze sobą w sieci o roziożonej inteligencji i zapewnienia bezprzewodowej wymiany danych i standaryzacji protokołu. Założenia te w warunkach przemysłowych najlepiej spełnia ZigBee. Zainteresowanie rynku tym standardem zwiększa fakt utworzenia stowarzyszenia ZigBee przez takich potentatów, jak m.in. Philips, Motorola, Siemens, Mitsubishi Electric.

■ Co więc wyróżnia ZigBee? Podstawowa cecha to gwarantowana transmisja ze stałą szybkością do 250kbps. Ponadto ZigBee zapewnia niski pobór prądu - wystarczy, że urządzenie się zaloguje do sieci i może wyłączyć nadajniki do momentu, kiedy będzie miało coś do „powiedzenia". Znakomicie wydłuża to czas pracy urządzeń bateryjnych i rozwiązuje pośrednio problem zasilania rozrzuconych punktów pomiarowych. Najbardziej rewolucyjną cechą ZigBee jest jednak możliwość pracy w sieci typu MESH. Oznacza to, w sytuacji, gdy wybrana droga przesyłu informacji staje się niedrożna (zakłócenia lub awaria), że sieć ma zdolność do automatycznej rekonfiguracji połączeń między punktami tak, aby mimo problemów przekazać informację.

Jak na razie w ZigBee zdefiniowano tylko najniższe warstwy protokołu, dlatego każdy producent sprzętu wykorzystującego ten sposób wymiany informacji zmuszony jest opracować własne algorytmy wyższych warstw, a w konsekwencji urządzenia różnych producentów mogą nie być w stanie współpracować ze sobą. Prawdziwy wysyp urządzeń ZigBee nastąpi w momencie, gdy zdefiniowane zostaną standardowe profile pracy urządzenia tak, aby urządzenia dowolnych producentów były w stanie się komunikować między sobą.

Możliwych aplikacji są z pewnością zachęcające do wykorzystania system monitoring ZigBee zarówno w już istniejących, jak i nowo tworzonych sieciach w zakładach przemysłowych.
Omawiany standard, z racji otwartości, umożliwia inżynierom wybór dowolnego elementu wykonawczego lub czujnika, który poprzez dodanie interfejsu ZigBee staje się węzłem sieci i może komunikować się z innymi jej elementami. Jednocześnie niski pobór energii umożliwia zastosowanie zasilania bateryjnego elementów zdalnych. Kolejną użyteczną cechą ZigBee jest zautomatyzowany i wysoce niezawodny mechanizm routingu danych. Jeśli transmisja pomiędzy routerem a urządzeniem końcowym lub też koordynatorem zostanie przerwana, router prześle ponownie dane do innego węzła sieci, który dokona transmisji do urządzenia docelowego.

WSPÓŁPRACA Z INNYMI SIECIAMI Aby urządzenia ZigBee pojawiały się częściej w zakładach przemysłowych, oprócz niezawodności i niskiej ceny konieczna jest możliwość ich integracji z już istniejącymi elementami sieci różnych standardów. Wielu dostawców ma w swojej ofercie urządzenia stanowiące bezprzewodowe interfejsy pomiędzy np. sterownikami PLC a czujnikami i elementami wykonawczymi, z którymi mogą się one komunikować. Dzięki temu nie ma potrzeby wymiany działającego obecnie oprogramowania ani części sprzętowej. Przykładem jest integracja ZigBee z sieciami Modbus, na co pozwalają takie urządzenia, jak modemy czujników, modemy ogólnego zastosowania i bramy Modbus.

Modemy czujników to urządzenia, w których zintegrowano interfejsy ZigBee z wielokanałowymi układami wejść i wyjść. Dostępne są wersje modemów pozwalające na wykorzystanie różnych rodzajów sygnałów wejściowych (np. 4-20 mA), jak również wyposażone w moduły cyfrowych wejść/wyjść. Z kolei modemy ZigBee-Modbus dołączane są do elementów wykonawczych lub sterowników PLC i innych urządzeń. Dzięki nim komunikaty w standardzie Modbus generowane przez PLC mogą być przesyłane za pośrednictwem sieci ZigBee, a następnie przekazywane np. do zdalnych modułów I/O. Bramy ZigBee-Modbus stanowią natomiast punkt dostępowy do sieci ZigBee, przekształcając adresy standardu Modbus na adresy sieci ZigBee oraz konwertując dane przesyłane ze zdalnych urządzeń ZigBee na format Modbus. Przekształcenie to pozwala uniknąć konieczności stosowania urządzenia w pełni zgodnego ze standardem ZigBee jako głównego sterownika PLC lub innego elementu zarządzającego siecią.

ZACHOWAĆ PROTOKÓŁ SIECIOWY Zadaniem bramy ZigBee-Modbus jest wspomniana konwersja poleceń protokołu Modbus na polecenia ZigBee i odwrotnie. W obydwu protokołach każdemu interfejsowi dołączonemu do sieci przypisywany jest jeden konkretny adres, przy czym interfejsy te mogą należeć do czujników, elementów wykonawczych, jak też układów I/O czy sterowników. Oprócz translacji tych adresów brama sieciowa dokonuje przekształcenia rejestru Modbus określonego w poleceniu na dane odpowiedniego wejścia/wyjścia modemu czujnika ZigBee. Przykładowo, aby odczytać zerowy kanał przetwornika A/C modemu czujnika ZigBee, któremu w protokole Modbus przypisano adres 4, do bramy ZigBee-Modbus należy przesłać np. polecenie: 04 04 00 00 00 01. Aby zmienić stan wyjścia cyfrowego nr 1 modemu czujnika, należy natomiast przesłać: 01 05 00 01 FF 00. Z punktu widzenia użytkownika jedyną zmianą jest zatem fakt, że transmisja odbywa się bezprzewodowo.
PRZYSZŁOŚĆ - WBUDOWANE SIECI ZIGBEE Połączenie niezawodności transmisji danych z bardzo niskim kosztem urządzeń umożliwia skuteczne wprowadzenie komunikacji bezprzewodowej ZigBee w sieciach automa- tyki przemysłowej. Nie ma przy tym potrzeby wymiany wykorzystywanych wcześniej sterowników, czujników, elementów wykonawczych oraz oprogramowania. Możliwe jest również, że z czasem producenci podzespołów automatyki i sterowania będą dostarczali swoje produkty z już wbudowanymi nadajnikami i odbiornikami ZigBee. Takie innowacje z pewnością przyczynią się do popularyzacji omawianego standardu w aplikacjach przemysłowych.

Co na rynku? Jednym z produktów ZigBee jest brama ethernetowa ZG-2400E firmy Cir-ronet (fot. 1). Umożliwia ona konwersję danych i poleceń ZigBee na format TCP/IP. Ponadto pozwala na przesyłanie danych do urządzeń końcowych i routerów ZigBee. Moduł pracuje z częstotliwością 2,4GHz i mocą 100mW. Zakres jego temperatur pracy wynosi od -40°C do +70°C, a napięcie zasilania od 9 do 24V0C. W ofercie firmy dostępna jest również brama umożliwiająca integrację z sieciami pracującymi w standardzie Modbus. Innym modułem ZigBee jest modem czujnika ZN-9001 (fot. 2) umożliwiający dołączenie sygnałów 4-20mA z 4 czujników. Ponadto możliwe jest dołączenie czujnika temperatury Pt100, a pomiary sygnału wejściowego dokonywane za pomocą przetwornika o rozdzielczości 12 bitów. Interfejs ZigBee modemu pracuje w zakresie częstotliwości od 868MHz do 928MHz, jako metodę modulacji zastosowano BPSK.

ZigBee - jak to działa? Protokół ZigBee obejmuje zestaw warstw, przy czym niższe realizują określone usługi dla warstw wyższych. Udostępnianie interfejsu wyższym warstwom odbywa się poprzez punkty dostępowe usługi (Service Access Point). Protokół ZigBee (rys. 3) oparto na siedmiowarstwowym modelu OSI (Open System Interconnection), ale na potrzeby standardu zdefiniowano jedynie te warstwy, które są konieczne do osiągnięcia wymaganej funkcjonalności. Dwie najniższe to fizyczna, określana jako PHY oraz dostępu do medium - MAC. Są one zgodne m.in. ze standardem IEEE 802.15.4-2003. Standard ZigBee definiuje również warstwy wyższe - są to w uproszczeniu warstwa sieci (NWK) oraz aplikacji (w niej podwarstwy obsługi aplikacji oraz definiowane przez producentów).
Warstwa aplikacji ZigBee składa się z podwarstw: obsługi aplikacji APS, struktury aplikacji AF (Application Framework), i obiektów aplikacji definiowanych przez producentów monitoringu. APS odpowiedzialna jest za utrzymywanie tablic, które umożliwiają autokonfigurację dwóch urządzeń, tak aby mogły one realizować usługi i odpowiadać na wzajemne żądania z zakresu transmisji- monitoring. Ponadto przesyłanie danych pomiędzy