Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Среда, 20 февраля
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Беспроводные 4G технологии: эволюция или поворотный пункт в архитектуре SoC?

Следующий этап в развитии беспроводных технологий может стать поворотным для встраиваемых мультипроцессорных систем

Разработки беспроводных устройств диапазона 2,4 ГГц: элементная база, програмное обеспечение, средства отладки и проектирования. Часть 2

Частотный диапазон 2,4 ГГц в последнее время завоёвывает всё большую популярность в системах контроля, управления, телеметрии и передачи данных. Повышенный интерес к нему не в последнюю очередь был вызван появлением новой беспроводной технологии ZigBee и лежащего в её основе стандарта IEEE802.15.4. Уже опубликовано множество статей, описывающих данную технологию и особенности стандарта, поэтому остановимся более подробно на вопросах выбора элементной базы, разработки аппаратной части и проектирования программного обеспечения беспроводных устройств

Радиочастотная часть базовой станции, работающей в соответствии со стандартами 802.16d и HSDPA

В статье рассматривается радиочастотная аналоговая подсистема базовой станции, работающей в соответствии со стандартом 802.16d, известным как WiMAX, и стандартом HSDPA. Эта подсистема разработана в рамках концепции [[«программируемого радио»]].

 

11 марта

Новые беспроводные стандарты для сетей промышленной автоматики

В последние годы одной из самых горячо обсуждаемых тем, связанных с развитием и совершенствованием автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП), является вопрос о внедрении беспроводных технологий в их сетевую архитектуру. Речь в данной статье пойдет о беспроводной платформе ZigBee, технологии Wireless Hart, а также о проекте нового универсального беспроводного стандарта, который находится на стадии разработки под руководством Комитета ISA100 Международного общества по автоматике ISA.



В

настоящее время существует большое многообразие промышленных сетей для автоматизации производства, представляющих собой законченные программно-аппаратные решения, значительно отличающиеся по своим параметрам и сферам применения.
Попытки ассоциации IAONA (Industrial Automation Open Networking Alliance, Альянс промышленной автоматизации на базе открытых сетей), которая постоянно сотрудничает с ODVA (Open Device Vendor Association, Ассоциация вендоров промышленных сетей), IEC (International Electrotechnical Commission, Международная электротехническая комиссия), EPSG (Ethernet Powerlink Specification Group, группа по разработке спецификаций протокола Ethernet Powerlink), привести разнообразие промышленных протоколов к единому общему знаменателю, выбрав наилучший, пока не увенчалось успехом [1].
Такие промышленные сети, как Modbus, DeviceNet. Foundation FieldBus, Profibus, Hart, CanOpen, уже давно стали стандартами «де-факто», заняв свое место в АСУ ТП предприятий.
Основой их построения являются проводные полевые шины (внешние шины расширения в виде кабелей), связывающие различные датчики и исполнительные механизмы промышленной автоматики. В условиях бурно растущего производства для организации промышленных сетей АСУ ТП требуются километры таких дорогостоящих кабелей вместе со вспомогательным оборудованием (кабельными каналами, клеммами, шкафами и др.).
Поэтому дальнейшее совершенствование уже сложившейся сетевой проводной инфраструктуры АСУ ТП возможно за счет внедрения перспективных беспроводных технологий на полевой уровень промышленных сетей, которое позволит получить значительный экономический эффект от сокращения расходов на кабельное и вспомогательное оборудование, от уменьшения трудозатрат на монтаж полевого оборудования, на прокладку самой кабельной сети (см. рис. 1).

 

Рис. 1. Вариант замены полевых проводных решений на беспроводные в АСУ ТП на примере организации беспроводной сети Wireless Hart


В настоящее время имеется широкий диапазон относительно дешевых, а также и дорогостоящих беспроводных технологий, которые уже нашли свое применение на промышленных предприятиях или могут быть использованы для создания беспроводных систем как внутри предприятия, так и далеко за его пределами [2].

 

Рис. 2. Этапы работы комитета ISA 100 по созданию универсального семейства стандартов для беспроводной промышленной автоматики


Но как не ошибиться при выборе беспроводной технологии для АСУ ТП предприятия, где предъявляются высокие требования к полевому оборудованию (датчикам и исполнительным механизмам), которое должно надежно функционировать в жестких промышленных условиях?
В связи с этим, Комитет ISA100 Международного общества по автоматике ISA (International Society of Automation), основной задачей которого является создание семейства универсальных беспроводных стандартов для промышленной автоматики (см. рис. 2), предложил классификацию беспроводного оборудования для автоматизации (см. рис. 3).

 

Рис. 3. Классификация оборудования в АСУ ТП


Остается лишь определиться, для каких целей его можно использовать в АСУ ТП, а именно: для мониторинга, управления или обеспечения безопасности людей на производстве?
По мнению специалистов Комитета ISA, наряду с беспроводными решениями для АСУ ТП предприятий необходимо также предусмотреть возможность развертывания беспроводных систем любого другого назначения.
Отсюда следует, что к выбору беспроводной технологии для АСУ ТП предприятия следует подходить ответственно, так как она должна быть достаточно надежной и удачно «сосуществовать» с другими беспроводными решениями, которые также могут быть внедрены на предприятии (например, с системами на базе стандартов IEEE802.11, Bluetooth, и др.).
Исходя из вышеизложенного, наиболее подходящим для АСУ ТП, по мнению специалистов ISA, является беспроводной стандарт IEEE 802.15.4_2006 [3]. Этот стандарт разработан как продолжение стандарта IEEE 802.15.4_2003 LR PAN (Low Rate Personal Area Network), который предназначен для низкоскоростных персональных сетей с малым энергопотреблением, со скоростью обмена данными до 250 Кбит/с и топологией построения радиосети типов «звезда», «точка–точка», mesh [4].
Здесь следует напомнить [2], что именно на базе вышеупомянутого стандарта IEEE 802.15.4_2003, описывающего физический и канальный уровни, была создана технология ZigBee для беспроводных сенсорных сетей, получившая более широкое распространение в коммерческих областях и в быту, чем в промышленности в силу ряда следующих причин:
– технология ZigBee имеет собственный стек протоколов верхнего уровня, который существенно отличается от протоколов промышленного назначения;
– ZigBee основана на базе стандарта IEEE 802.15.4_2003 (метод доступа к среде СSMA/CA на канальном уровне модели OSI), который не всегда удовлетворяет повышенным требованиям по надежности передачи данных для сетей промышленной автоматики;
– по классификатору промышленных процессов АСУ ТП и соответствующих им требованиям к передаваемым данным по промышленным сетям ZigBee можно отнести к классам 5—4, т.е. ее нельзя использовать для управления процессами в АСУ ТП;
– у ZigBee, включая ее последнюю версию ZigBee Pro [5], до сих пор полностью не решена проблема совместимости беспроводных устройств от разных производителей. На рынке предлагаются не готовые решения для самоорганизующихся радиосетей, а лишь отладочные комплекты (Development Kit) для последующей доработки в части подключения к ним датчиков. Комплекты включают в себя набор плат для удаленных узлов и модули с радиочипом и микроконтроллером, а не беспроводной сенсор в сборе. (Я уже не упоминаю здесь готовые сложные беспроводные датчики и исполнительные механизмы, которые необходимы для полевого уровня АСУ ТП.)
Несмотря на все эти достаточно серьезные ограничения, платформа ZigBee может пригодиться и в промышленности, но ей уготовлена далеко не ведущая роль среди беспроводных решений промышленной автоматики. Технология может быть использована независимо от промышленных сетей АСУ ТП, например в проектах энергосбережения промышленных предприятий, таких, как «Индустрия будущего» [6].
Оборудование ZigBee в принципе может быть также адаптировано к любой промышленной сети АСУ ТП с помощью отдельных программно-аппаратных решений. Например, к Modbus ТСР/IP, как это было сделано Институтом сетевых технологий в [6] — взаимодействие технологий Zigbee и Modbus ТСР/IP выполнено в два этапа: инкапсуляцией пакетов Zigbee в Ethernet с последующим конвертированием формата в Mod TCP, который через ОРС-сервер может использоваться совместно с различными пакетами программ SCADA- и HMI-системами.
Но это отдельная статья для обсуждения. Здесь важно отметить, что хотя все это осуществимо, на мой взгляд, уместно было бы спросить: «Зачем?» Ведь любая компания-разработчик полевого оборудования для АСУ ТП желала бы, прежде всего, видеть надежную беспроводную платформу, которая могла бы функционировать в рамках существующих сетей и промышленных стандартов, таких, как Modbus, DeviceNet. Foundation FieldBus, Profibus, Hart,
CanOpen.
Так, в конце 2007 г. был выпущен стандарт Wireless Hart спецификации 7. В отличие от ZigBee — это первый беспроводной стандарт для промышленной проводной сети Hart (Highway Addressable Remote Transducer), которая была разработана еще в 1980 г. компанией Rosemount и получила широкое распространение среди промышленных сетей АСУ ТП.
В настоящее время Общество HART Communication Foundation включает в себя более 114 ведущих компаний мира (Emerson Process Management, Honeywell, Rosemount и др.), так что появление Wireless Hart в дополнение к проводному Hart безусловно оправдано и только приветствуется его представителями.
Wireless HART был создан на базе стандарта 802.15.4_2006 [3]. В его 7-й спецификации описаны особенности стека протоколов верхнего уровня и механизм подключения беспроводной сети к промышленным полевым шинам (HART, ModBus-RTU), а также к Industrial Ethernet посредством беспроводных шлюзов. Важным достоинством Wireless HART является то, что он хотя и основан на стандарте 802.15.4_2006 (диапазон 2400…2483,5 МГц), но имеет ряд особенностей:
– наряду с механизмом доступа к среде CSMA/CA (множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий) на канальном уровне модели OSI (стандарт 802.15.4_2003) возможно применение TDMA (множественного доступа с временным разделением);
– на физическом уровне используется механизм быстрого переключения между 16 частотными каналами CН (channel hopping), который можно рассматривать как аналог технологии расширения спектра посредством перескоков частоты (FHSS).
Все это существенно повышает защищенность и помехоустойчивость беспроводного оборудования Wireless HART и позволяет отнести его к классам 5—1 (см. рис. 3) в зависимости от важности обрабатываемых сообщений. Таким образом, здесь уже гарантируется надежность обмена информацией, непосредственно связанной с управлением технологическими процессами АСУ ТП.
Основной недостаток технологии Wireless Hart в том, что она поддерживает только промышленные протоколы HART и ModBus. Никакой речи о совместимости с другими сетями промышленной автоматики, как на полевом уровне, так и на уровне Industrial Ethernet, не идет [7].
Также уместно отметить, что появление этого стандарта может спровоцировать появление и других, что в свою очередь может посеять такой же хаос,   который хорошо известен в проводных промышленных сетях АСУ ТП.
Поэтому важной задачей является создание единого стандарта промышленной автоматики.
Такой стандарт позволит упростить установку оконечных измерительных устройств и исполнительных механизмов от разных производителей; заменить проводные решения на беспроводные на полевом уровне, внедрить мощные средства защиты для обеспечения целостности сети; а также решить вопрос о совместимости разнородных сетей промышленной автоматики как на полевом уровне, так и на уровне Industrial
Ethernet.
В отличие от попыток IAONA, здесь нужен совсем иной подход, предложенный комитетом ISA, членами которого являются представители разных стран мира, включая Россию (ИППИ РАН). В эскизе стандарта SP10011.a его основная цель сформулирована следующим образом: создание единой беспроводной инфраструктуры как для промышленных сетей, получивших широкое распространение для АСУ ТП предприятий (Modbus, DeviceNet, Foundation FieldBus, Profibus, Hart, CanOpen), так и для малоизвестных, т.е. практически на все случаи жизни.
Чтобы удовлетворять повышенным требованиям производства, стандарт должен обеспечить высокую надежность функционирования оборудования беспроводной сети при наличии интерференции и шумов, а также решить проблему сосуществования с другими устройствами, например с беспроводными мобильными сетями или беспроводными системами стандартов IEEE802.11x, IEEE 802.15x, IEEE802.16х, которые также могут быть развернуты на производстве или использованы по другому назначению.
Поэтому основу этого стандарта (физический и канальный уровень OSI) составляет стандарт IEEE802.15.4_2006 (как и для Wireless Hart) c использованием метода доступа к среде TDMA и CH на физическом уровне, а также организация mesh-роутинга между элементами беспроводной инфраструктуры в верхнем подслое канального уровня.
Беспроводное оборудование промышленной автоматики должно соответствовать диапазону классов 5-1 (см. рис. 3). Время задержки (latency) передаваемых сообщений в технологических процессах не должно превышать 100 мс, что вполне допустимо для реализации не только функций сбора данных и статистики (мониторинг), но и функций управления. В дальнейшем планируется сведение времени задержки к минимуму.
Стандарт будет адресован прежде всего производителям оборудования для беспроводных сетей, которое должно взаимодействовать с устройствами полевого уровня (датчиками, клапанами, исполнительными механизмами и др.) промышленной автоматики.
Хотя основной задачей стандарта SP100.11 не является введение профилей полевых устройств, описание которых возможно на прикладном уровне, на седьмом уровнем OSI будет обеспечено введение этого понятия в виде user applications process (прикладной процесс пользо-
вателя).
В стандарте будет предусмотрено также описание специального физического интерфейса для устройств полевого уровня с целью обеспечения совместимости устройств от разных производителей.
Таким образом, для проектирования такой многофункциональной беспроводной промышленной сети также необходимо детальное описание ее верхних уровней по модели OSI, которые представляют собой специфику протоколов SP100.11а. Стек протоколов стандарта SP100.11а в общем виде представлен на рисунке 4.

 

Рис. 4. Стек протоколов эскиза стандарта SP100.11а


Для обеспечения взаимодействия единой беспроводной инфраструктуры на полевом (или Industrial Ethernet) уровне АСУ ТП, в проекте стандарта будет подробно описано управление локальной беспроводной системой, назначение магистральных роутеров (для соединения разных сегментов беспроводных сетей), а также шлюзов. Шлюзы, в свою очередь, должны обеспечивать конвертирование (translator) формата передаваемых сообщений беспроводной архитектуры SP100.11а в любой проводной промышленный протокол (Modbus, DeviceNet и др.) (см. рис. 5).

 

Рис. 5. Вариант беспроводной промышленной инфраструктуры сети АСУ ТП по проекту стандарта SP100.11а


Следует также добавить, что Комитет ISA 100 занимается не только разработкой эскиза стандарта SP 100 11 для автоматизации систем управления непрерывным производством. Он имеет большие планы на будущее, планируется создание целого семейства беспроводных стандартов для промышленности, включая и дискретное многопоточное производство.
Но для решения задач комплексной автоматизации как в рамках одного предприятия, так и далеко за его пределами вышеуказанных стандартов явно недостаточно.
Так, введение мультимедийных услуг может потребовать еще больших скоростей обмена, которые такой стандарт, как IEEE 802.15.4, уже не обеспечит.
Кроме того, в ряде задач, например для объединения разнородных сегментов проводных и беспроводных сетей промышленной автоматики, необходимы технологии, обеспечивающие большую дальность передачи информации. Такой технологией, скорее всего, станет стандарт IEEE802.11s. Этот стандарт, так же, как IEEE802.15.4, предусматривает использование mesh-топологии беспроводной сети, но при этом обеспечивает как большую скорость передачи данных, так и больший радиус действия. Над созданием аналогичных сетей, поддерживающих передачу мультимедийных сообщений, работает ряд отечественных институтов, в том числе
Институт проблем передачи информации им. Харкевича РАН [9], Институт системного програм­мирования РАН, Цент-ральный научно-исследовательский институт комплексной автоматизации.
Подводя итоги деятельности по стандартизации беспроводных решений для АСУ ТП, можно сделать вывод, что внедрение беспроводных технологий в промышленную автоматику становится реальностью. Работа в этом направлении продолжается как с целью создания универсального семейства беспроводных стандартов для промышленной автоматики, так и для комплексной беспроводной автоматизации разных отраслей промышленности.

 

Литература

1. www.iaona-eu.com/home/about.php.
2. Гайкович Г. Беспроводная связь в сетях промышленной автоматики//Электронные компоненты, 2007, №10, с 64.
3. IEEE Standard for Information tech­nology. Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs) Revision of 802.15.4-2003, July 2006, ieeexplore.ieee.org ieeexplore.ieee.org.
4. IEEE standard 802.15. Part 15.4 Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY)Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), October 2003. ieeexplore.ieee.org.
5. zigbee.org/en/spec_download/zigbee_downloads.asp.
6. Innovation Center. Eaton Wireless Sensor Network for Advanced Energy Management Solutions; www1.eere.energy.gov/industry/sensors_automation/pdfs/meetings/0607/eaton_07.pdf.
7. www.int.spb.ru/products/zb-gateways.ru.html.
8. www.hartcomm2.org.
9. Вишневский В., Ляхов А., Сафо­нов А., Лаконцев Д., Гайкович Г. и др. Ре­шение о выдаче патента от 29.10. 2007 на полезную модель, заявка №2007137787/22 (041331) от 12.10.2007 «Шлюз-маршрутизатор беспроводной сенсорной сети».



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Галина Гайкович, член ISA, ведущий инженер, Институт проблем передачи информации им. Харкевича РАН



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты