Care sunt standardele wireless care fac Industria 4.0 să funcționeze?

9 IUNIE 2020

Protocoalele wireless în tehnologia automatizării

Pe măsură ce Industria 4.0 este implementată, pe lângă tehnologia Gigabit, tehnologia wireless va ocupa tot mai mult loc pe scena industrială. Întrebarea nu mai este dacă, ci cum și când se va pune în aplicare tehnologia wireless. Iată răspunsurile cele mai importante.

Standardele pentru transmiterea wireless a datelor de măsurare și control s-au dezvoltat foarte mult în ultimul timp, ceea ce îi determină chiar și pe cei mai sceptici proiectanți să își regândească poziția în ceea ce privește afirmația: ,,sistemul nostru trebuie să opereze – tehnologia wireless nu este suficient de sigură”. Dar decizia privind care standard este cel mai potrivit pentru implementare depinde de aplicație.

Nivelul 1 de implementare în teren
Aproape de piesa aflată în lucru, este nevoie de flexibilitate, independență și să nu necesite mentenanță

Pe liniile de producție mai noi, se pot vedea primele dispozitive care funcționează fără cabluri și contacte mecanice: senzorii și actuatoarele. Acestea sunt flexibile din punct de vedere al instalării și permit secvențe de mișcare complet noi în procesele de producție. Anterior, un acumulator descărcat, care determina o oprire a producției, oferea cel mai des întâlnit motiv pentru a nu instala astfel de soluții fără fir. Acum însă, senzorii și actuatoarele cu posibilitățile lor de auto-alimentare depășesc acest impediment. Cu modulele lor de recuperare a energiei, aceste dispozitive sunt capabile să transforme energia provenită de la lumina ambientală sau din diferențele de temperatură, într-o putere electrică suficient de mare pentru a putea trimite fiabil pachete de date folosind conexiuni wireless de rază mică, până la câteva sute de metri. O unitate locală de stocare a energiei asigură o funcționalitate fără defecțiuni pentru câteva săptămâni, fiind folosită în cazul în care regenerarea energiei electrice din mediu nu este suficientă pentru dispozitiv. Pe lângă protocolul Sub GHz, EnOcean, Bluetooth 5 și ZigBee 3.0 în banda de 2.4 GHz sunt, de asemenea, disponibile pentru conectarea în rețea a senzorilor și actuatoarelor.

EnOcean – TCM 515 / Wireless transceiver modul

Alianța ZigBee pare să fi învățat din greșelile din trecut. Așadar, versiunea 3.0 se dovedește populară nu doar în Amazon Echo, Philips Hue, Ikea Trådfri și Osram Lightfy, ci și în sectorul industrial, datorită specificațiilor sale. O combinație de module compatibile EnOcean au grijă de recuperarea energiei cu ZigBee. Unitatea wireless – precum stiva wireless – se bazează pe un semiconductor furnizat de Nordic Semiconductor.

Pentru conexiuni P2P (Peer-to-Peer) simple sau pentru o interacțiune cu un telefon inteligent, o tabletă sau un laptop, datorită capabilităților sale ‚self-powered’ poate fi utilizată și tehnologia Bluetooth.

EnOcean – ECO 200 / Modul conversie energie

Dacă este necesară o rază de acțiune mai mare sau dacă, datorită câmpului de frecvență, nu este posibilă utilizarea benzii de 2.4 GHz într-o anumită zonă, protocolul EnOcean din Alianța EnOcean oferă o alternativă larg acceptată. De asemenea, aceasta implementează module EnOcean pentru conversie de energie și comunicații wireless. În calitate de distribuitor, Rutronik lucrează împreună cu EnOcean GmbH și Alianța EnOcean, precum și cu Nordic Semiconductor. Acest lucru înseamnă că dezvoltatori din întreaga industrie pot găsi soluții chiar și pentru adaptări cu software dedicat sau pentru probleme mai complexe.

Nivelul 2 de implementare în teren
Întotdeauna pe recepție – conectare încrucișată în interiorul fabricii

În rețelele mai mari și mai complexe, cea mai bună soluție pare să fie conectarea senzorilor sau actuatoarelor direct la gateway, hub sau la un computer aflat la marginea rețelei, pentru că sistemul este independent și nu necesită întreținere. Cu toate acestea, sistemul își va atinge limitele în curând, în special în topologiile de rețea mesh care nu sunt sincronizate în timp, unde fiecare nod wireless trebuie să fie tot timpul în modul de recepție pentru a primi pachete de date și pentru a se asigura că informațiile sunt procesate imediat. Acest lucru necesită o furnizare permanentă și intensă de energie. În cazul nodurilor wireless staționare, sunt disponibile surse de alimentare cu fir, în timp ce pentru nodurile wireless „flotante”, tehnologia de încărcare Airfuel este alternativa mobilă care permite mult mai multă libertate de mișcare decât tehnologia de încărcare Qi. Cel mai bun compromis pentru a satisface cerințele diferite este, în general, bateria tradițională.

Multe standarde wireless, cum ar fi Bluetooth Mesh, WiFi Mesh și ANT Blaze, au un istoric bazat pe o topologie stea și, de câțiva ani furnizează și topologii de rețea mesh. ZigBee, Threat și altele au fost proiectate de la început pentru rețele de comunicație mesh. În timp ce WiFi Mesh își poate gestiona activitatea cu o sursă de alimentare aproape inexistentă, toate celelalte sisteme menționate pot funcționa luni întregi cu o singură încărcare a acumulatorului.

În comparație cu sectorul casnic, unde ZigBee controlează sursele de lumină LED, este evident că Bluetooth Mesh nerutat stabilește standardul pentru sistemele de iluminat industrial în depozite și în hale de producție, în birouri deschise și pe holuri. Spre deosebire de metoda convențională de rutare specifică a pachetelor de date, prin noua metodă, fluxul de date asigură un timp de reacție și de transfer deosebit de rapid. Totodată, pot fi integrate în rețea telefoane inteligente și alte dispozitive similare, oferind un alt avantaj imens, față de alte standarde wireless, care trebuie să își găsească drumul către echipamentele IT printr-un router.

RedpineSignals – RS14100 / Modul multi-protocol wireless MCU

Bluetooth Mesh este un nivel intermediar care, în teorie, poate fi plasat pe orice hardware Bluetooth 4.0. Cu toate acestea, datorită celor mai recente reglementări stabilite de Bluetooth SIG (Bluetooth Special Interest Group), la proiectarea unui nou sistem se recomandă folosirea de hardware care dispune de standardul actualizat Bluetooth 5 sau 5.1. Rutronik furnizează semiconductoarele cu stivele relevante de la STMicroelectronics, Redpine Signals, Nordic Semiconductor și Toshiba. Dacă se preferă o soluție cu circuit integrat de înaltă frecvență și certificare, se pot alege modulele Bluetooth Mesh de la Insight SiP, Garmin, Panasonic, Murata, Telit, Fujitsu, Minew și Redpine Signal.

RedpineSignals – RS14100 / Modul wireless combo

Nivel 3 de implementare în teren
În afara razei vizuale, dar conectat în apropiere

În nodurile de circulație, cum ar fi centre logistice, stații de cale ferată sau porturi, wireless-ul cu rază mare de acțiune pare să fie cea mai potrivită soluție. Dintre tehnologiile care utilizează benzi ISM publice și care nu necesită licențe, LoRa s-a consacrat în majoritatea țărilor din Europa Centrală. Țări, precum Franța și Olanda au ales în principal Sigfox datorită extinderii bune a rețelei.

Cu toate acestea, anul 2019 a înregistrat o tendință de schimbare: standardele Cat M1 și Cat NB1 4G pentru IoT de bandă îngustă au înregistrat o creștere puternică, în funcție de regiune și aplicație. Fazele inițiale de testare s-au mutat deja în producția în serie. În timp ce LTE-M este o soluție interesantă pentru aplicații de urmărire prin intermediul rețelelor celulare plătite, LTE NB1 consumă și mai puțină energie.

Totuși, în multe țări, rețeaua este în curs de expansiune, iar cel mai des utilizată este tehnologia mobilă wireless cu consum redus de putere. Furnizorii germani de telefonie mobilă se concentrează în mod clar pe piața de dispozitive de măsurare. Deoarece un dispozitiv de măsurare (energie, gaze sau apă) este fix, nu este necesară schimbarea celulelor wireless în timpul unei conexiuni. Furnizori din alte țări preferă să opteze pentru aplicații de urmărire a obiectelor în mișcare și se concentrează pe extinderea categoriei M1. Majoritatea producătorilor de module wireless acceptă ambele rețele; Rutronik oferă soluții de la Telit, Nordic Semiconductor, Murata, Telic, Advantech și, în curând, de la alți parteneri de franciză.

Precum modulele convenționale 2G, 3G și 4G, transceiverele LTE M1 integrează GNSS (Global Navigation Satellite System) într-un singur dispozitiv, deoarece sunt destinate să urmărească și să monitorizeze poziția și mișcarea containerelor, vehiculelor, mărfurilor, oamenilor și animalelor. Poziția trebuie definită și transmisă prin rețeaua mobilă wireless. Cu câțiva ani în urmă, GPS-ul era un sistem de navigație aproape fără concurență. Au apărut, însă alternative (sub forma sistemelor rusești Glonass și a sistemelor chinezesti Beidou) deși nu sunt chiar în conformitate cu standardul sistemului american. Mai mult, în anul 2019,a intrat în cursă și sistemul european Galileo și, de ceva timp, funcționează cu succes în milioane de telefoane inteligente. La jumătatea anului 2019, s-a luat decizia de a crește precizia în aplicațiile de urmărire, fără costuri suplimentare, astfel că, Galileo este acum în fața sistemului american GPS, în ceea ce privește utilizarea gratuită a datelor din primul nivel.

În plus, Galileo este singurul sistem care oferă o funcție de autentificare. Acest lucru asigură că semnalele primite provin, de fapt, de la Galileo și nu de la o stație de emisie falsificată. Cu toate acestea, aproape tuturor utilizatorilor le este recomandat să instaleze cât mai multe sisteme în paralel, deoarece cu cât sunt utilizați mai mulți sateliți, cu atât mai rapid, mai eficient din punct de vedere energetic și mai precis pot funcționa majoritatea receptorilor moderni multi-GNSS.

Totuși, ar trebui să fim pregătiți pentru schimbările viitoare și să putem reacționa dacă unul dintre sisteme s-ar defecta. Modemul NB1 sau M1 disponibil în modul poate fi utilizat pentru a modifica setările firmware-ului.

Pentru aplicațiile care utilizează GNSS cu LoRa, Sigfox, WiFi sau Bluetooth, este necesar să se asigure o opțiune corespunzătoare pentru a accesa modul de operare GNSS al unității în controlerul gazdă. De obicei este suficient să se creeze o comandă de control NMEA, pentru a spune receptorului ce sisteme ar trebui să utilizeze și pe care ar trebui să le ignore. Această funcționalitate de la distanță trebuie să fie întotdeauna implementată manual.

Nivel de proces
Bun venit generației WiFi 6

Telit – xE310 / Modul quad band GSM|GPRS

La nivel de procesare, toate datele de la stațiile de lucru individuale sunt colectate împreună. Adesea, datele colectate de la nivelul senzorului nu sunt deloc pregătite. Pentru a obține informații din acestea, are loc în prealabil o minimă prelucrare a datelor. Pentru multe aplicații, este avantajos să putem folosi acest lucru pentru a compara mai multe date din teren primite în paralel. Pot fi configurați algoritmi elaborați de corelare a datelor cu modele prestabilite, nu numai în scopul comparării ambelor modele statice, ci și cu scopul de a-și ajusta în mod constant referința. Pentru a face față acestui lucru și altor sarcini similare de calcul intensiv, în general sunt utilizate sisteme heavy-duty bazate pe x86.

Aici tendința este spre interconectare, iar direcția este de la nivelul sistemului către tehnologiile wireless. Aici vorbim despre WiFi din a 6-a generație, care nu este doar mai rapidă decât cele anterioare, dar se distinge printr-o mai bună gestionare a conexiunilor pentru abonați, remarcându-se deosebit de bine în scenariile de instalare profesionale. Un alt punct în plus este alocarea îmbunătățită a frecvențelor cu rețeaua 5G care va fi introdusă în curând. Având Intel ca partener tehnologic, Rutronik a fost capabil să ofere clienților săi soluții de WiFi 6 încă de la apariția cardurilor m.2PC, care erau la mare căutare pentru PC-urile industriale, Panourile PC, precum și pentru NUC-uri.

Nivel de sistem
Totul se reduce la locație

Alegerea tehnologiei la nivel de sistem depinde foarte mult de complexitatea și circumstanțele locale, cum ar fi întinderea amplasamentului fabricii sau de domeniul de frecvență operațională. Pentru operațiuni dinamice mai mici, WiFi 6 poate fi o soluție, în timp ce pentru companiile mai mari cu instalații foarte statice, o soluție cablată ar fi încă o soluție acceptată. Cu toate acestea, de îndată ce 5G va fi disponibil și accesibil, aceste instalații vor trebui regândite.

Nivel operațional
Generația anterioară este încă o opțiune

Atunci când există comunicație între diferite fabrici, informațiile sunt atât de puternic condensate în prealabil, încât standardul LTE convențional este pe deplin suficient pentru a face față transferului de date și perioadelor de latență – chiar și în marile corporații internaționale. Cei care doresc să-și asigure conexiunile de internet prin cablu la fața locului, pot transmite deja date operaționale cheie prin wireless mobil prin intermediul unui router LTE.

În cazul în care utilizatorii optează pentru operare în teren, unde este vorba de datele individuale ale senzorilor, de obicei – în special pentru categoriile LTE inferioare – este posibil să se opteze pentru un nivel operațional cu categoria 6 LTE sau una superioară. Consumul de energie electrică și prețul modemului sunt neglijabile, deoarece calculatoarele funcționează întotdeauna de la rețeaua de alimentare și sunt utilizate foarte puține modem-uri LTE sau routere LTE. Telit, Telic și Advantech furnizează soluții precum card-uri PC, modemuri externe și routere. De exemplu, o soluție individuală completă le poate combina cu un server Intel sau Asus, dotat cu un modem LTE de la Telit și un card WiFi 6 de la Intel.

Mai multe tendințe wireless în automatizare

După succesul său în telefoanele inteligente, o tehnologie suplimentară avansează în mediile industriale. Tehnologia 13.56 MHz permite schimburi sigure între cititorul activ și transponderul pasiv, precum și între doi cititori activi. Deoarece este compatibil cu aproape toate tabletele moderne și telefoanele inteligente, hardware-ul standard este rentabil din punct de vedere economic; de multe ori nu este necesară implementarea unor dispozitive speciale mai scumpe, cum ar fi un cititor RFID. Pe lângă costul redus al hardware-ului, aceasta oferă și beneficii în ceea ce privește programarea.

Cei care doresc să utilizeze RFID pe distanțe mai lungi sau să scaneze mai multe transpondere simultan, trebuie să folosească o altă frecvență sau să caute alte sisteme active. În acest caz, transponderele nu sunt furnizate de la câmpul electromagnetic al cititorului, comunicând prin alimentarea în câmp electromagnetic, ci au o sursă de alimentare proprie (solară sau o baterie în cele mai multe cazuri) și comunică în banda de 2.4 Ghz pe baza Bluetooth-ului sau a unui protocol wireless similar.

În cazul în care nu există opțiuni satisfăcătoare (nici cablurile fixe, nici recuperarea energetică, și nici chiar conexiunile wireless economice, cum ar fi Bluetooth Low Energy, deoarece se consideră că epuizează bateriile prea repede) un număr tot mai mare de aplicații industriale aleg protocolul ANT. De exemplu, vor fi disponibili în curând primii senzori ToF (Time of Flight) pentru cartografierea de mare precizie a distanței, care necesită un consum foarte mic de energie.

În plus, ANT este disponibil în majoritatea telefoanelor cu Android, iar cu soluțiile SoC de tip multi-protocol se poate transmite traficul de date în rețelele Bluetooth fără a suporta costuri hardware suplimentare.

„Inovație în automatizare”
Folosind cea mai recentă tehnologie wireless

Seria de seminare online „Inovație în automatizare” oferă videoclipuri informative la cerere de la cei mai importanți producători de componente electronice pentru Industria 4.0. Ele demonstrează soluții pentru fabricile industriale ale viitorului. Drept sub-teme sunt: inteligența artificială, robotică și rețelistică. Seminarele includ, de asemenea, o prezentare realizată de către Telit, ca furnizor de soluții de rețea mobilă wireless, soluții sim M2M, managementul dispozitivelor IoT și conexiuni fără fir pe distanțe scurte și o prezentare realizată de către Intel, producător de soluții WiFi 6. Înregistrați-vă pe https://www.rutronik.com/seminars/innovation-in-automation-2019 pentru a vizualiza videoclipurile seminarului.

 

 

Autor: Bernd Hantsche, Director Marketing Produse Embedded și Wireless
Rutronik |  https://www.rutronik.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre