Spis treści
- Komunikacja bezprzewodowa tańsza i wygodniejsza
- Zagrożenia związane z komunikacją bezprzewodową
- Komunikacja bezprzewodowa a różne standardy w zależności od potrzeb
- Komunikacja sieciowa oparta na Wi-Fi
- WirelessHART
- Bluetooth
- Zigbee
- LoRaWAN
- Sieci komórkowe 4G/5G
Komunikacja bezprzewodowa tańsza i wygodniejsza
Wraz z rozwojem Przemysłu 4.0 i Przemysłowego Internetu Rzeczy rola bezprzewodowych sieci internetowych będzie coraz większa. Transmisja danych odgrywa bowiem istotną rolę w pracy maszyn i urządzeń w nowoczesnych fabrykach. Szczególnie będzie ona ważna w tych pomieszczeniach, w których poprowadzenie kabli jest z różnych względów niemożliwe, utrudnione czy też kosztowne. Technologie bezprzewodowe są już teraz niezbędne we wszelkich przypadkach, w których mamy do czynienia z mobilnością. Automatyczne systemy transportu wewnętrznego wymagają stałego połączenia z jednostką sterującą. Podobnie maszyny czy urządzenia, które często są przenoszone z miejsca na miejsce.
Dzięki bezprzewodowej komunikacji sieciowej pracownicy, wykorzystując panel HMI, tablet czy nawet zwykłego smartfona, są dużo bardziej mobilni i mogą sterować pracą różnych maszyn i urządzeń, nie wchodząc bezpośrednio w strefę ich działania. Przekłada się to z jednej strony na wyższy poziom bezpieczeństwa pracy, a z drugiej na większy komfort, gdyż pracownik może z jednego miejsca sterować pracą wielu różnych urządzeń.
Technologie bezprzewodowe są również korzystniejszym rozwiązaniem, gdy wiele urządzeń jest rozproszonych na dużej przestrzeni. Brak konieczności poprowadzenia okablowania sieciowego znacząco zmniejsza koszt takiej sieci, a także stopień jej skomplikowania. Brak kabla to także brak ryzyka z jego uszkodzeniem. Sieci bezprzewodowe są również dużo elastyczniejsze i umożliwiają łatwiejsze konfigurowanie stoisk roboczych.
Zagrożenia związane z komunikacją bezprzewodową
Wciąż niewielki jednak udział sieci bezprzewodowych w łącznej puli przemysłowych sieci komunikacyjnych wynika z istniejących zagrożeń, jakie wiążą się z tego typu rozwiązaniami. Przede wszystkim technologie bezprzewodowe narażone są na różnego rodzaju zakłócenia i zaniki sygnału, co jest niedopuszczalne w wielu aplikacjach przemysłowych o krytycznym znaczeniu dla danego procesu produkcyjnego. Wydajność komunikacji bezprzewodowej w dużej mierze zależy bowiem od różnych czynników, które mogą być naturalnymi barierami utrudniającymi transfer sygnałów, jak np. zakłócenia elektromagnetyczne, interferencje, infrastruktura hali przemysłowej, a nawet niekorzystne warunki atmosferyczne.
Bardzo ważną kwestią w przypadku technologii bezprzewodowych jest zapewnienie odpowiedniej ochrony przed potencjalnymi atakami hakerskimi. Na szczęście na rynku jest coraz więcej rozwiązań, które zapewniają niezbędne cyberbezpieczeństwo. Wymagana jest również odpowiednia wiedza, która pozwoli optymalnie skonfigurować całą sieć IT i podłączać do niej kolejne urządzenia.
Żeby komunikacja bezprzewodowa była efektywna, musi ponadto charakteryzować się krótkim czasem zwłoki, a wykorzystywana w sieci infrastruktura IT i podpięte urządzenia powinny również umożliwiać szybką aktualizację oprogramowania sieciowego.
Komunikacja bezprzewodowa a różne standardy w zależności od potrzeb
Obecna oferta rynkowa w obszarze sieci bezprzewodowych jest bogata i pozwala dobrać optymalne rozwiązania do zróżnicowanych potrzeb przedsiębiorstwa. W zależności od wielkości obiektu przemysłowego, odległości urządzeń podłączonych do sieci czy realizowanych procesów korzystniejsze mogą być inne standardy komunikacji sieciowej. Każda z technologii charakteryzuje się bowiem określonym zasięgiem, przepustowością i niezawodnością, a także stopniem skomplikowania i kosztem wdrożenia.
Generalnie dostępne technologie komunikacji bezprzewodowej można podzielić na dwie podstawowe grupy:
- umożliwiające transmisję danych na krótkich dystansach (do 100 m) – m.in. Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee,
- umożliwiające transmisję danych na większe odległości – m.in. sieci 4G LTE i 5G, a także LoRaWAN.
Komunikacja sieciowa oparta na Wi-Fi
Bezprzewodowe sieci przemysłowe, oparte na standardzie IEEE 802.11, znanym powszechnie jako Wi-Fi, odgrywają coraz większą rolę w nowoczesnych zakładach produkcyjnych. Dzięki kompatybilności ze standardem Ethernet technologie te mogą ze sobą współpracować i się uzupełniać. Umożliwia to szybkie i łatwe rozszerzanie istniejącej sieci przewodowej, bez konieczności prowadzenia dodatkowego okablowania.
Technologia Wi-Fi pozwala na łatwe łączenie urządzeń w środowisku przemysłowym. Najczęściej pracuje na częstotliwościach 2,4 GHz i 5 GHz, co pozwala na obsługę wielu urządzeń jednocześnie. Wyższe częstotliwości zapewniają szybszy transfer danych i możliwość obsługi większej liczby urządzeń, podczas gdy niższe gwarantują lepszy zasięg, co może mieć znaczenie w dużych halach produkcyjnych.
W przedsiębiorstwach przemysłowych Wi-Fi sprawdza się głównie w tych aplikacjach, które nie wymagają bardzo niskich opóźnień, takich jak monitorowanie stanu maszyn, odczyty z czujników czy przesyłanie danych ze skanerów kodów kreskowych. W przypadku zadań krytycznych dla sterowania procesami, gdzie liczy się czas reakcji, technologia ta może być niewystarczająca ze względu na możliwe opóźnienia i zakłócenia transmisji.
Dużą zaletą lokalnych sieci bezprzewodowych (WLAN) jest także mobilność – urządzenia mogą swobodnie przemieszczać się w zasięgu sieci, automatycznie przełączając się między punktami dostępowymi. Rozbudowa zasięgu jest prosta – wystarczy dodać kolejne punkty dostępowe lub zastosować odpowiednie anteny.
Warto jednak pamiętać, że przy dużej liczbie urządzeń korzystających z tej samej sieci bezprzewodowej może dochodzić do spadku wydajności transmisji. Projektując przemysłową sieć Wi-Fi, należy więc uwzględnić wymagania dotyczące liczby podłączonych urządzeń i charakteru przesyłanych danych.
WirelessHART
WirelessHART to zaawansowany protokół komunikacji bezprzewodowej, opracowany specjalnie z myślą o zastosowaniach przemysłowych. Istotną cechą standardu WirelessHART jest wykorzystanie topologii mesh, w której każde urządzenie może przekazywać dane dalej, tworząc wiele redundantnych ścieżek komunikacji. Dzięki temu sieć jest odporna na zakłócenia i awarie pojedynczych węzłów – jeśli jedna trasa przestanie działać, dane automatycznie zostaną przesłane inną drogą. Dodatkowo protokół ten korzysta z sekwencyjnej zmiany częstotliwości i synchronizacji czasowej, co minimalizuje ryzyko interferencji i zwiększa stabilność transmisji.
Standard WirelessHART jest szeroko stosowany do komunikacji m.in. z inteligentnymi czujnikami i urządzeniami pomiarowymi w przemyśle. Automatyczna konfiguracja sieci mesh pozwala na szybkie wdrożenie i łatwą rozbudowę systemu, a urządzenia mogą samodzielnie nawiązywać i zrywać połączenia w zależności od potrzeb. Typowy zasięg sieci w halach produkcyjnych wynosi ok. 50–100 m, a na otwartej przestrzeni dochodzi nawet do 250 m.
- Polecamy: Automatyzacja procesów w erze Przemysłu 4.0 – magazyny i logistyka w przedsiębiorstwie produkcyjnym
Bluetooth
Choć technologia Bluetooth kojarzona jest głównie z elektroniką konsumencką, znajduje zastosowanie także w automatyce przemysłowej – szczególnie tam, gdzie liczy się niezawodność transmisji na krótkim dystansie i odporność na zakłócenia. Pracuje w paśmie 2,4 GHz, zapewniając kompatybilność z wieloma systemami operacyjnymi i szeroką gamą urządzeń.
Bluetooth opiera się na standardzie IEEE 802.15.1 i umożliwia tworzenie małych sieci o topologii punkt-punkt lub gwiazdy, zwykle z udziałem kilku urządzeń. Technologia ta sprawdza się w aplikacjach, takich jak bezprzewodowa komunikacja z czujnikami, sterownikami czy elementami ruchomymi maszyn. Bluetooth umożliwia dość stabilne połączenia nawet w środowiskach o dużym natężeniu zakłóceń radiowych.
W przemyśle Bluetooth wykorzystywany jest m.in. do monitorowania maszyn, odczytu danych z czujników i komunikacji z urządzeniami mobilnymi podczas serwisu czy diagnostyki. Ograniczony zasięg (do ok. 10 m) i liczba obsługiwanych urządzeń sprawiają, że rozwiązanie to jest idealne do niewielkich, statycznych sieci, które wymagają niezawodnej transmisji danych na krótkim dystansie.
Zigbee
Zigbee to popularny standard bezprzewodowej komunikacji przemysłowej, który pozwala na łączenie dużej liczby urządzeń – nawet kilkudziesięciu tysięcy. Standard ten gwarantuje wysoką kompatybilność i interoperacyjność między urządzeniami. Jego największą zaletą jest niskie zużycie energii i prosta instalacji, co przekłada się na ekonomiczną eksploatację.
Technologia działa w paśmie 2,4 GHz z prędkością transmisji do 250 kb/s, co jest wystarczające do monitorowania i sterowania procesami przemysłowymi. Zigbee obsługuje różne topologie sieci, takie jak gwiazda, drzewo czy siatka, dzięki czemu można łatwo rozszerzać zasięg nawet do około 100 m. Dodatkowo mechanizmy detekcji i korekcji błędów zapewniają stabilność i bezpieczeństwo komunikacji.
W zastosowaniach przemysłowych standard Zigbee znajduje zastosowanie w nadzorze linii produkcyjnych, zarządzaniu energią czy systemach bezpieczeństwa, w których niezawodność i energooszczędność są kluczowe.
LoRaWAN
Wspomniane wyżej standardy sieci bezprzewodowych zapewniają łączność na ograniczonej przestrzeni. Są jednak sytuacje, w których konieczne jest przesłanie danych na znacznie większe odległości. Takim rozwiązaniem może być np. technologia LoRaWAN. Ta dość popularna technologia przeznaczona jest do komunikacji na dużych odległościach, sięgających nawet kilkunastu kilometrów na terenach otwartych i kilku kilometrów w obszarach zabudowanych. Dzięki zoptymalizowanemu protokołowi transmisji LoRaWAN minimalizuje czas przesyłania danych. Choć prędkość przesyłu danych jest ograniczona do kilkuset kilobajtów, jest to wystarczające dla wielu zastosowań w przemyśle i rozwiązań z obszaru Internetu Rzeczy.
Technologia ta działa w nielicencjonowanych pasmach poniżej 1 Ghz i zapewnia dużą odporność na zakłócenia połączeń. LoRaWAN umożliwia dwukierunkową, szyfrowaną komunikację, a do tego oferuje funkcje geolokalizacji, przydatne w monitorowaniu urządzeń przemysłowych, które są rozproszone na dużym obszarze.
Dzięki niskiej mocy i dużemu zasięgowi LoRaWAN jest idealnym rozwiązaniem do zastosowań w monitoringu zdalnym, energetyce odnawialnej, logistyce czy górnictwie, gdzie wymagana jest niezawodna transmisja danych na duże odległości.
- Polecamy: Odzież ostrzegawcza. Jak poprawić widoczność w miejscu pracy i bezpieczeństwo pracowników?
Sieci komórkowe 4G/5G
W przypadku konieczności komunikacji na duże odległości dużą popularnością cieszą się sieci komórkowe 4G i 5G. W przeciwieństwie do technologii krótkiego zasięgu sieci komórkowe oferują dużo ponadto wyższą przepustowość, choć kosztem większego zużycia energii. Dlatego w zastosowaniach przemysłowych urządzenia często korzystają z zasilania przewodowego.
Standard 4G LTE, powszechnie stosowany w obszarze IoT, zapewnia szybkie i stabilne połączenia, często przewyższające prędkości Wi-Fi. Rzadziej stosowane starsze technologie 3G lub 2G mają z kolei jedną istotną zaletę, a mianowicie wysoki poziom niezawodności.
Przyszłością przemysłowej komunikacji bezprzewodowej będzie jednak technologia 5G, która wciąż znajduje się jeszcze w fazie rozwojowej. Sieci 5G oferują znaczące korzyści, takie jak ultra-niska latencja (docelowo ok. 1 ms) i możliwość obsługi ogromnej liczby urządzeń na ograniczonej powierzchni.
Technologia 5G jest też niezbędna dla pełnego wdrożenia koncepcji Przemyśle 4.0, zapewniając inteligentnym fabrykom szybki i niezawodny przesył danych, a także nową jakość interakcji między maszynami a operatorami.
Duże zróżnicowanie dostępnych standardów komunikacji bezprzewodowej pozwala dostosować sieć przemysłową do różnych, często bardzo zróżnicowanych potrzeb. Nie da się jednak jednoznacznie odpowiedzieć na pytanie, która z tych technologii będzie zawsze optymalnym rozwiązaniem. Każdy przypadek należy bowiem rozpatrywać oddzielnie, uwzględniając różne uwarunkowania, jakie mogą wpływać na wydajność bezprzewodowej komunikacji przemysłowej.
- Przejdź do galerii: Największe hale przemysłowe powstające w Polsce. Zobacz wizualizacje
