Постоянное развитие быстрых, детерминированных и надежных беспроводных сетей в промышленных средах стало за последнее десятилетие решающим фактором в реализации концепций Индустрии 4.0 и Промышленного Интернета вещей (IIoT). Промышленные коммуникации делают еще один шаг вперед благодаря беспроводным технологиям IEEE 802.11ax и 5G, доступным для промышленных сред.
Прошло более 20 лет с тех пор, как IEEE впервые ратифицировала первоначальный стандарт беспроводной связи IEEE 802.11, за которым вскоре последовали версии IEEE 802.11a, b, g, большинство из которых были разработаны для офисных и домашних приложений под торговой маркой «Wi-Fi».
Стандарт IEEE 802.11 «Wi-Fi» был впервые представлен в 1997 году. Сегодня большинство современных промышленных предприятий уже осуществляют некоторые, если не большинство своих операций, через промышленные беспроводные локальные сети (Industrial Wireless LAN, iWLAN).
В отличие от домашнего, офисного и общедоступного Wi-Fi, к приложениям iWLAN предъявляются более высокие требования к производительности, которые могут включать малую задержку, детерминизм, исключительную надежность, высокий уровень безопасности или адаптацию к сложным радиочастотным средам.
Поэтому самое время оценить состояние технологии промышленных беспроводных локальных сетей (iWLAN), поддерживающих производственные предприятия и связанные с ними логистические и складские объекты (LAN означает локальную сеть).
Устранение задержек беспроводной связи для связи в реальном времени
Самым большим недостатком была задержка передачи данных, в основном из-за коллизий данных в общей iWLAN, что требует повторной передачи.
Слишком много повторных передач одного и того же сообщения может привести к истечению единиц времени, которые отслеживают время отклика управления и передачу данных безопасности между датчиками и программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), что приводит к сбоям, которые могут нарушить производство.
Это может быть особенно проблематично, когда речь идет о роуминге. Перемещающийся клиент переключается с одной точки доступа (AP) на другую во время беспроводной связи и время, необходимое для повторного связывания с новой точкой доступа, которое может быть еще больше, если оно должно пройти через контроллер точки доступа, также может привести к сбоям связи, которые снижают эффективность систем управления и безопасности.
Эти задержки могут даже вынудить техников по управлению увеличить единицы измерения времени, чтобы приспособиться к более длительной задержке, и пожертвовать своими стандартами контроля и безопасности, чтобы поддерживать производство в рабочем состоянии.
Всео изменилось с введением стандарта IEEE 802.11n в 2009 г. и стандарта IEEE 802.11ac в 2014 г. Скорость передачи обоих стандартов на несколько порядков выше, чем у предыдущих стандартов, а разработка конкретных технологий помогла обеспечить большую детерминированность для приложений (задержка всего 17 миллисекунд).
Такая технология в достаточной степени сокращает, корректирует и распределяет циклы опроса между клиентами, чтобы свести к минимуму задержку и обеспечить гораздо более быстрое время роуминга. Вариант этого протокола был разработан специально для постоянно движущихся узлов, таких как узлы на борту транспортных средств с автоматическим управлением (AGV) и кранов, для дальнейшего повышения производительности и сокращения времени роуминга до менее 50 мс.
Промышленные беспроводные локальные сети — это не просто точки доступа
Для настройки iWLAN требуется больше технологических навыков, чем для настройки Wi-Fi дома, в офисе или кафе. Отели, аэропорты и муниципалитеты могут быть более сложными из-за их размера, но на заводе беспроводная связь должна соответствовать гораздо более строгим требованиям.
Вот еще два отличия:
- Отказоустойчивая надежность: потеря или повреждение данных во время передачи в непромышленной среде не всегда критичны, поскольку данные часто могут быть переданы повторно без какого-либо заметного воздействия со стороны получателя. Однако в промышленной среде неудачная передача данных может поставить под угрозу управление процессом и безопасность, что приведет к простою оборудования, проблемам с качеством и травмам.
- Радиопомехи, затухание и отражение: В непромышленной среде обычно отсутствуют различные источники радиочастотных (РЧ) помех, отражений и затухания, которые являются обычными в промышленных условиях: большие металлические машины неправильной формы, трубы, металлические настилы и алюминиевый прокат, двери могут отражать радиочастотные волны, толстые бетонные стены или материалы, хранящиеся на стеллажах, могут блокировать их, и есть ряд других источников радиосигналов — RFID, соседние промышленные и офисные беспроводные локальные сети, и это лишь некоторые из них.
Опции, предоставляемые сетями IEEE 802.11ax и 5G
Из-за увеличения количества и плотности устройств IoT и IIoT парадигма IEEE 802.11ax смещает Wi-Fi от теоретических пиковых скоростей передачи данных к общей пропускной способности сети. IEEE 802.11ax увеличивает скорость по сравнению с IEEE 802.11ac до 10 Гбит/с, рост составляет 37%.
Используя множественный доступ с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA), который был заимствован из технологии 4G LTE, стандарт IEEE 802.11ax улучшает спектральную эффективность, достаточную для поддержки связи одного миллиона устройств на квадратный километр.
Промышленные сети 5G — это совсем другое
Они открывают дверь для всестороннего подключения всех видов новых приложений в производстве, обслуживании и логистике к беспроводной сети.
Высокие скорости передачи данных, надежная и мощная широкополосная связь и сверхкороткие задержки повысят эффективность и гибкость производства, даже если все эти преимущества будут недоступны одновременно.
Промышленные сети 5G вызывают много вопросов о том, как лучше всего внедрить новый стандарт связи. В некоторых компаниях по автоматизации есть исследовательские группы 5G, работающие с органами по стандартизации, чтобы предоставить клиентам сеть 5G, когда она будет готова для полного развертывания в промышленной среде.
Тем временем, в зависимости от промышленного применения беспроводной сети, рекомендуется придерживаться стандартов Wi-Fi IEEE 802.11, особенно IEEE 802.11n, ac и ax.
Пришло ли время обновить промышленные беспроводные локальные сети?
Многие используемые сегодня iWLAN могут быть реализованы с использованием технологии IEEE 802.11a, b, g или n, которой в некоторых случаях уже десять лет. Технические специалисты предприятия должны рассмотреть возможность оценки своих текущих обновлений — или, по крайней мере, обновлений — в сотрудничестве с экспертами по отраслевым сетям и корпоративными ИТ-партнерами.
В то время как 5G и IEEE 802.11ax являются будущими направлениями беспроводной связи, IEEE 802.11ac и IEEE 802.11n сегодня способны обеспечить высокую пропускную способность и низкую задержку, которые требуются промышленным приложениям.
Например, IEEE 802.11ac может обеспечить пропускную способность, необходимую для видеоприложений, в то время как IEEE 802.11n ценен для промышленных приложений MIMO (множественный вход, множественный выход).
Последний стандарт может поддерживать мобильные автоматизированные транспортные средства и мостовые краны, помогая справиться с постоянно меняющимися отражениями радиочастотного сигнала по мере их движения в гонке.
Кроме того, там, где приоритет должен быть отдан детерминированным коммуникациям, таким как управление трафиком и безопасность, iWLAN можно оптимизировать с помощью технологии, добавляющей детерминированность промышленным беспроводным коммуникациям.
Низкие задержки могут повысить производительность периферийных вычислений, принести пользу работникам поддержки технологий виртуальной и дополненной реальности (VR/AR) и обеспечить большую мобильность заводского оборудования, машин, автономных машин и логистики.
Более высокая сложность этих приложений, конечно, потребует более сложной технической поддержки для радиочастотной передачи. Таким образом, тщательно проведенные опросы на рабочем месте и другие передовые методы будут иметь решающее значение для успешного развертывания.
Рекомендации по использованию
iWLAN требуют четкого понимания требований приложения и, следовательно, тщательного технического обеспечения радиочастотной передачи.
В промышленной среде обычно имеются различные источники радиопомех, отражений и поглощений, которые могут вызывать различную степень затухания и нерегулярность радиоволн.
К ним относятся беспроводные локальные сети в близлежащих офисах, соседние iWLAN и системы RFID, металлические механизмы, трубы, полки и двери, толстые бетонные стены, жидкости и даже люди. Поэтому для успешного развертывания и работы iWLAN необходим тщательный осмотр площадки.
Целью обследования площадки является обеспечение достаточного покрытия сигналом для целевых устройств и приложений за счет оптимального размещения точек беспроводного доступа, правильного выбора канала и наилучшего отношения сигнал/шум между точками беспроводного доступа и клиентскими устройствами.
Для проведения обследования объекта потребуется поэтажный план объекта, прикладные требования к скорости передачи данных и инструменты для измерения отношения сигнал/шум и обнаружения других источников радиоволн, такие как программное обеспечение для обследования беспроводных сетей и анализатор радиочастотного спектра.
Если эти инструменты недоступны, на этом этапе проектирования iWLAN можно привлечь экспертов с профессиональным программным обеспечением и обширным опытом исследования площадок.
Кроме того, требуется визуальный осмотр здания для проверки плана этажа, так как могли произойти значительные изменения исходной конструкции, а также для регистрации любых возможных источников затухания, которые могут быть отдельно стоящими, такими как стеллажи с расходными материалами или оборудованием, машины и расходные материалы.
Спектральный анализ также должен выполняться с использованием соответствующих инструментов. На этом этапе можно определить, оборудовать и протестировать предварительные расположения точек доступа. Идеально подходят возвышенные места, такие как колонны зданий (внутри) или колонны (снаружи), фермы и потолки.
Устройства точек беспроводного доступа с несколькими и всенаправленными антеннами могут обеспечить оптимальное радиочастотное покрытие, и их лучше всего подключать с помощью кабелей Power-Over-Ethernet (POE).
При настройке точек доступа и клиентских устройств необходимо убедится, что они «общаются» друг с другом. Они должны быть расположены так, чтобы их радиоволны создавали ячейки покрытия, которые слегка перекрываются, чтобы избежать пропадания сигнала или перекрытия каналов.
После настройки радиосоединения необходимо включить функции более высокого уровня, такие как безопасность и роуминг, поэтапно, чтобы при необходимости можно было устранять неполадки, добавляя их. То же самое относится к модификациям соединения, таким как настройки мощности передачи или стратегии роуминга.
Со временем пространственное расположение объекта может существенно измениться. Например, установка нового станка, металлической подставки или даже стены или перегородки может немного или сильно изменить радиочастотные характеристики производственной среды.
Если многое изменится, iWLAN может полностью перестать работать. Если это не так, производительность iWLAN может быть неоптимальной и увеличить риск сбоев связи, что приведет к простоям или дополнительным расходам.
Обновление спектрального анализа также должно быть частью регулярного обследования площадки. Новые внутренние системы или соседние здания, использующие Wi-Fi, могут быть введены в эксплуатацию.
Эти новые системы, которые не были включены в первоначальный спектральный анализ, могут создавать помехи или увеличивать плотность спектра беспроводной связи за счет существующих беспроводных решений.
Следует иметь в виду, что спектральный анализ – это только временные рамки, поэтому спектр следует регулярно контролировать.
Если новый спектральный анализ выявляет значительные изменения, влияющие на существующие беспроводные системы, необходимо внести коррективы (либо в новые системы, либо в существующие системы), чтобы все системы могли сосуществовать и функционировать оптимально.
В дополнение к пространственным изменениям, доступные iWLAN и беспроводные технологии неизбежно будут развиваться с течением времени, так же, как развивался стандарт IEEE 802.11, и в настоящее время появляется беспроводная связь 5G.
Гонки с использованием старых технологий Wi-Fi могут повлечь за собой расходы из-за упущенных возможностей, поскольку новые беспроводные технологии могут предоставлять больше возможностей, часто по более низкой цене.
Кибербезопасность
Промышленные предприятия, особенно критическая инфраструктура, такая как электростанции, нефтегазовые заводы, транспорт и другие, являются основной мишенью для киберугроз. Например, программа-вымогатель может шифровать данные, необходимые для работы машины или обработки, и требовать оплаты за их расшифровку.
Преступники все чаще нацеливаются на крупные промышленные предприятия, поскольку выкуп может быть намного выше, чем для физических лиц или малых и средних предприятий.
Хорошей новостью является то, что оборудование iWLAN имеет встроенные функции безопасности, такие как брандмауэры, шифрование и аутентификация устройства.
Дополнительное оборудование может обеспечить функциональность виртуальной частной сети (VPN). В некоторых компонентах эти функции должны быть настроены во время развертывания, шаг, который можно пропустить и сделать iWLAN уязвимой для вторжения.
Смотрите также: Ключ к повышению производительности - развитие систем управления