Перспективы использования беспроводных ZigBee-интерфейсов в электроприводе

В современном мире уже никого не удивишь устройством беспроводной передачи данных. В нашу жизнь давно проникли технологии мобильной связи и интернета, системы глобальной навигации и радиоидентификации. Однако лишь относительно недавно беспроводные технологии связи начали применяться в сферах коммунального хозяйства и промышленности. Причем, если в сфере коммунального хозяйства уже множество задач коммуникации решается с помощью беспроводных технологий (сбор показаний счетчиков воды/электроэнергии, управление освещением, сбор информации с разнообразных датчиков, построение системы «умный дом»), то в сфере промышленности аналогичные работы только начинаются. При этом эффективность от внедрения таких систем в промышленности очень высока, так как именно здесь насчитывается множество объектов автоматизации различной сложности, связь между которыми удобно осуществлять через беспроводные каналы. А в случае расположения части системы на движущихся объектах, как это может быть в автоматизированных складах, применение беспроводных сетей оказывается единственно возможным решением.
До последнего времени внедрение этих технологий в промышленность сдерживалось из-за проблем, связанных с надежностью каналов связи в жестких условиях эксплуатации при большом уровне промышленных помех, а также с защитой беспроводных промышленных сетей от несанкционированного доступа. Сейчас ситуация кардинально меняется, и из области «экзотики» беспроводные промышленные сети переходят в область целесообразных технических решений. Это обстоятельство не могут игнорировать и производители исполнительных устройств, в частности, комплектных электроприводов, которые должны проектироваться с учетом наличия встроенного беспроводного интерфейса.

Среди наиболее известных беспроводных технологий можно выделить: Wi-Fi, Wi-Max, Bluetooth, Wireless USB и относительно новую технологию — ZigBee, которая изначально разрабатывалась с ориентацией на промышленные применения (см. рис. 1).

Рис. 1. Стандарты беспроводной связи

Каждая из этих технологий имеет свои уникальные характеристики, которые определяют соответствующие области применения.
Попытаемся сформулировать требования, которым должна удовлетворять технология связи для ее успешного применения в промышленности. Допустим, имеется некий промышленный объект (см. рис. 2), состоящий из нескольких насосных электроприводов, устройства сбора информации с различных технологических датчиков, например, датчиков давления, температуры, расхода, в том числе установленных удаленно, операторского пульта и диспетчерского пункта. Управление насосами производится с операторского пульта, а в диспетчерском пункте производится непрерывный мониторинг системы.

Рис. 2. Пример структуры промышленного объекта

Очевидно, что оптимальным вариан­том с точки зрения простоты и удобства было бы объединение всех устройств, участвующих в обмене информацией, в единую информационную сеть, работающую в одном стандарте. Поскольку на промышленном объекте могут быть установлены устройства различной сложности и, соответственно, стоимости, то программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий доступ каждого устройства в информационную сеть, должен быть достаточно дешевым. Также технология связи должна обеспечивать необходимую дальность и скорость соединений. А если принять во внимание то, что промышленная установка может быть дополнена новыми узлами (например, еще одним насосом или устройством сбора информации), то от технологии связи требуется возможность масштабирования. Ну и, конечно же, коммуникационная технология должна обеспечивать надежность и безопасность передачи информации. Рассмотренный случай является типичным примером распределенной системы управления, где каждый из узлов, являясь интеллектуальным, выполняет свою локальую задачу автоматизации, а связи между узлами являются «слабыми» — в основном по сети передаются команды оперативного управления и смены уставок регулируемых переменных, сообщения о состоянии оборудования и технологического процесса. Каждый узел, например, на базе преобразователя частоты имеет собственные каналы связи с технологическими датчиками, и необходимость в передаче больших потоков данных отсутствует.
Анализ беспроводных техноло­гий [1], [2], [3] показывает, что высокоскоростные технологии Wi-Fi, Wi-Max, Bluetooth, Wireless USB предназначены в первую очередь для обслуживания компьютерной периферии и устройств мультимедиа. Они оптимизированы для передачи больших объемов информации на высоких скоростях, работают в основном по топологии «точка-точка» или «звезда» и мало пригодны для реализации сложных разветвленных промышленных сетей с большим количеством узлов. Напротив, технология ZigBee имеет достаточно скромные показатели скорости передачи данных и расстояния между узлами, но обладает следующими важными, с точки зрения применения в промышленности, преимуществами.
1. Она ориентирована на преимущественное использование в системах распределенного мульти-микропроцессорного управления со сбором информации с интеллектуальных датчиков, где вопросы минимизации энергопотребления и процессорных ресурсов являются определяющими.
2. Предоставляет возможность организации самоконфигурируемых сетей со сложной топологией, в которых маршрут сообщения автоматически определяется не только числом исправных или включенных/выключенных на текущий момент устройств (узлов), но и качеством связи между ними, которое автоматически определяется на аппаратном уровне.
3. Обеспечивает масштабируемость — автоматический ввод в работу узла или группы узлов сразу после подачи питания на узел.
4. Гарантирует высокую надежность сети за счет выбора альтернативного маршрута передачи сообщений при отключениях/сбоях в отдельных узлах.
5. Поддерживает встроенные аппаратные механизмы шифрации сообщений AES-128, исключая возможность несанкционированного доступа в сеть.

ZigBee — относительно новый стандарт беспроводной связи, который изначально разрабатывался как средство для передачи небольших объемов информации на малые расстояния с минимальным энергопотреблением. Фактически этот стандарт описывает правила работы программно-аппаратного комплекса, реализующего беспроводное взаимодействие устройств друг с другом. Модель реализации стандарта связи ZigBee представлена на рис. 3.

Рис. 3. Многоуровневая модель стандарта связи ZigBee

Стандарт ZigBee описывает все уровни, через которые проходит поток передаваемой информации, начиная с физического уровня и заканчивая уровнем поддержки профилей устройств. Нижние два уровня описываются стандартом IEEE 802.15.4 [4] и определяют физические параметры приемопередатчика, структуру радиочастотной посылки, число адресуемых устройств, механизмы проверки и подтверждения целостности принятых данных, процедуры оценки качества канала связи и алгоритмы предотвращения коллизий. Приемопередающие устройства, предназначенные для работы в стандарте IEEE 802.15.4, обладают следующими основными характеристиками.
– Трансивер работает на частоте 2,4 ГГц по 16-ти каналам с шагом 5 МГц между каналами (разрешено для использования во всех странах мира). Дополнительно для Европы выпускаются трансиверы на 868 МГц, работающие по 1-му каналу, для Америки — трансиверы на 915 МГц, работающие по 10-ти каналам с шагом 2 МГц. Далее рассматриваются только устройства, работающие на частоте 2,4 ГГц.
– Максимальная скорость передачи данных по радиоканалу составляет 250 Кбит/с.
– Максимальное расстояние связи на открытой территории должно быть не меньше 100 м.
Уровни с третьего по шестой описываются непосредственно спецификацией стека ZigBee [5]. На этих уровнях определяется, какими свойствами должны обладать устройства, входящие в сеть, каким образом пакет информации передается от одного узла сети к другому, как обеспечивается безопасность передачи информации, как новое устройство подключается к сети и ее топология, какой узел в сети является главным, какой — подчиненным.
В спецификации стека предусмотрены три типа устройств: координатор, маршрутизатор и оконечное устройство. Координатор инициализирует сеть, управляет ее узлами, хранит информацию о настройках каждого узла, задает номер частотного канала и идентификатор сети PAN ID, а в процессе работы может являться источником, приемником и ретранслятором сообщений. Маршрутизатор отвечает за выбор пути доставки сообщения, передаваемого по сети от одного узла к другому, и в процессе работы также может являться источником, приемником или ретранслятором сообщений. Оконечное устройство не участвует в управлении сетью и ретрансляции сообщений, являясь только источником/приемником сообщений.
Среди свойств ZigBee следует особо выделить поддержку сложных топологий сетей (см. рис. 4). Именно за счет этого, при относительно малой максимальной дальности связи двух близлежащих устройств, возможно расширить зону покрытия сети в целом. Также этому способствует 16-битная адресация, позволяющая объединять в одну сеть более 65 тыс. устройств.

Рис. 4. Топологии сетей ZigBee

Другой отличительной чертой стандарта является возможность самовосстановления дееспособности сети в случае выхода из строя отдельных ее узлов. Это свойство основано на том, что каждый узел следит за своими соседями, постоянно обновляя маршрутные таблицы на основе оценки мощности принятых от них сигналов. В результате, при изменении пространственного расположения соседей или выходе из сети одного из устройств, вычисляется новый маршрут следования сообщения. Это преимущество является исключительно важным в сетях, функционирующих на промышленных объектах в жестких условиях эксплуатации при наличии промышленных помех, а также в тех случаях, когда часть узлов находится на движущихся устройствах, например электрокарах.

Сегодня на рынке предлагаются два основных вида решений по применению технологии ZigBee в конечных устройствах.
В первом случае разработчику конечного устройства предлагается самостоятельно сконструировать аппаратную часть, используя различные микросхемы с поддержкой радиоинтерфейса, работающего по стандарту IEEE 802.15.4. При этом разработчику, как правило, доступна документация, описывающая правила конструирования и примеры проектирования аппаратной части. Разработчик может полностью и самостоятельно создать программную часть (используя спецификации протокола) либо сделать это с применением стандартных сетевых протоколов, разработанных и отлаженных производителями микросхем. Эти протоколы могут иметь разный уровень совместимости со стандартом и поставляться в виде библиотек или наборов разработчика программного обеспечения (SDK).
В настоящее время выпускаются 5 основных типов микросхем, выполняющих функции приема/передачи данных по радиоканалу в стандарте IEEE 802.15.4.
1. «Классический» радиотрансивер в стандарте IEEE 802.15.4. Выполняет только функции приема и передачи информации по радиоканалу и не содержит программного обеспечения, реализующего стек протокола ZigBee. Программная реализация стека ZigBee возлагается на внешний микроконтроллер, к которому микросхема трансивера подключается по одному из стандартных интерфейсов, например по синхронному периферийному интерфейсу (SPI) или параллельному интерфейсу. Дополнительно для работы трансивера требуется обвязка, включающая в себя антенну, кварцевый резонатор, а также небольшое число пассивных компонентов.
2. Интегрально гибридные микросхемы (SiP), объединяющие в одном корпусе кристаллы «классического»
радиотрансивера и микроконтроллера общего назначения. Данное решение позволяет разместить программный стек ZigBee непосредственно во встроенной памяти микроконтроллера и тем самым существенно снизить нагрузку на внешний микроконтроллер, обеспечивающий решение задач конкретного приложения. Эти микросхемы требуют минимальной обвязки, включая антенну.
3. Системы на кристалле (SoC). Данный вид микросхем фактически повторяет возможности SiP, но в отличие от них и трансивер, и встроенный микроконтроллер выполнены на одном кристалле. Некоторые фирмы, например, Texas Instruments называют такие кристаллы ZigBee-процессорами. Они взаимодействуют с внешним контроллером приложения по одному из стандартных интерфейсов (SPI, UART) и допускают загрузку в память сетевых протоколов разной сложности в зависимости от предполагаемой сложности и структуры реализуемой сети.
4. ZigBee-акселераторы. Микро­схемы аналогичные SoC, но с уже «зашитым» во внутренний микроконтроллер стеком ZigBee протокола. Данный вид микросхем является идеальным выбором для тех разработчиков, которые предпочитают работать с привычным для него микроконтроллером и хотят добавить ZigBee-функционал без изучения сложного набора протоколов ZigBee-стека. Небольшая внешняя обвязка требуется и в этом случае.
5. Платформы в едином корпусе (PiP). Наиболее функциональное решение, подразумевающее объединение высокопроизводительного микроконтроллера с широким набором встроенных периферийных модулей (таймеров, АЦП и т.д.) и трансивера IEEE 802.15.4 на одном кристалле. В этом случае вычислительных возможностей встроенного микроконтроллера и набора встроенной периферии достаточно не только для реализации стека ZegBee, но и для поддержки конкретного приложения. Дополнительный процессор не требуется.
Следует обратить внимание на то, что ZigBee-микросхемы от разных производителей обладают различными вспомогательными периферийными модулями, которые позволяют увеличить их быстродействие и функциональность. Такими модулями, например, могут быть: модуль аппаратной поддержки функций уровня управления доступом к среде передачи данных (MAC) или модуль аппаратной поддержки функций шифрования передаваемых данных (AES-128).
Во втором случае разработчику конечного устройства предлагается использовать готовые ZigBee-модули, не требующие ни дополнительной доработки, ни обвязки. Такие модули представляют собой размещенные на одной плате IEEE 802.15.4-трансивер, микроконтроллер, содержащий в себе стек ZigBee-протокола, необходимые внешние элементы обвязки (антенну, схемы питания, тактирования и др). Они выпускаются небольшими компаниями, специализирующимися на этой продукции. Использование готовых модулей наиболее целесообразно на начальной стадии проектирования, когда необходимо быстро оценить принципиальную возможность решения задачи.
Поясним описанные выше возможности на примере комплектного частотно-регулируемого электропривода. Преобразователь частоты (ПЧ) состоит из силовой и управляющей части. Управляющая часть преобразователя построена на специализированном DSP-микроконтроллере, выполняющем функции управления силовой частью ПЧ и двигателем (см. рис. 5). Для интерактивной настройки, мониторинга состояния привода и управления в реальном времени преобразователь необходимо снабдить беспроводным сетевым интерфейсом ZigBee.
Варианты построения управляющей части преобразователя частоты на базе ZigBee-микросхем представлены на рис. 6.

Рис. 5. Структура современного преобразователя частоты

Рис. 6. Структура управляющей части ПЧ с различными вариантами реализации ZigBee-интерфейса

Схема на рис. 6а предполагает, что ресурсов мощного DSP-микроконтроллера достаточно не только для реализации основных функций приложения, но и стека ZigBee. В схему контроллера ПЧ добавляется микросхема радио-трансивера IEEE 802.15.4, имеющая интерфейс SPI для сопряжения с базовым процессором. Вся нагрузка по реализации ZigBee-стека лежит на разработчиках комплектного привода.
Как правило, в современных системах векторного управления приводами центральный процессор значительно загружен прикладными задачами. В этом случае для реализации беспроводного интерфейса больше подходят решения, представленные на рис. 6б или 6в. Стек ZigBee реализуется на дополнительном микроконтроллере, что позволяет существенно снизить нагрузку на основной DSP-контроллер. Решение на рис. 6в основано на использовании системы на кристалле или ZigBee-процессора. Применительно к силовой электронике и электроприводу это наиболее правильное решение, если речь идет о создании серийной продукции, а не опытно-промышленных образцов.
Наконец, в случае если к основному DSP-контроллеру не предъявляется особых требований по быстродействию, то управляющую часть ПЧ можно реализовать по схеме рис. 6г. В этом случае система управления реализована на одной микросхеме. Пока такое решение может быть рекомендовано только для относительно простых систем привода, например со скалярным управлением двигателями, а также для источников питания и регуляторов напряжения.
При использовании готовых ZigBee-модулей серьезной модификации управляющей части преобразователя вообще не требуется (см. рис. 7). При этом ZigBee-стек реализуется внутри модуля. Важным является лишь наличие у модуля нужного интерфейса для сопряжения с целевым микроконтроллером. Это решение позволяет существенно уменьшить время разработки конечного устройства с поддержкой беспроводной сети.

Рис. 7. Структура управляющей части ПЧ с готовыми ZigBee-модулями

Окончательный выбор элементной базы для конкретной разработки остается за прикладными специалистами. Для облегчения этой задачи мы приводим краткий обзор решений в этой области от наиболее крупных производителей, среди которых по степени интеграции и комплектности решений выделяются Freescale Semiconductor и Texas Instruments (см. табл. 1).

Компания Freescale Semiconductor одной из первых начала предлагать свои решения в области ZigBee-коммуникаций и на сегодняшний день выпускает широкий ряд различных устройств и необходимые программные пакеты, предназначенные для организации связи согласно этому стандарту. Из ее ассортимента можно выделить «классические» IEEE 802.15.4-трансиверы, гибридные интегральные микросхемы (SiP) и платформы PiP. Основные характеристики этих микросхем приведены в табл. 2, 3 и 4.

Помимо аппаратных решений компания Freescale Semiconductor предлагает необходимые программные инструменты для создания и конфигурирования программных модулей, реализующих коммуникационную технологию ZigBee на основе описанной выше аппаратной части.
Компания Texas Instruments также предлагает широкий ряд продукции, предназначенной для решения задач коммуникации устройств по стандарту ZigBee. В ее ассортименте присутствуют «классические» IEEE 802.15.4-трансиверы и «системы на кристалле» (SoC), а также так называемые «ZigBee-акселераторы», которые фактически являются системой на кристалле, но с уже интегрированным обработчиком ZigBee-стека. Основные характеристики решений от Texas Instruments представлены
в табл. 5, 6 и 7.

Важно обратить внимание, что ZigBee-акселераторы предназначены лишь для выполнения стека протокола, а пользовательское приложение должно выполняться на внешнем микроконтроллере.
Для удобства внедрения ZigBee-техно­логии в конечные устройства большинство фирм производителей соответствующих решений, предлагает различные вспомогательные и отладочные средства и комплекты.

Отечественными фирмами ООО НПФ «Вектор», ООО «Нанко» и ООО «Конвир» ведутся совместные исследования по созданию преобразовательной техники и систем комплексной автоматизации и диспетчеризации с использованием беспроводного ZigBee-интерфейса с ориентацией на энергосберегающие технологии в коммунальном и сельском хозяйстве, а также в «умных домах».
Преобразователи частоты (ПЧ) (рис. 8а) и многоканальные регуляторы напряжения (МРН) (рис. 8б) имеют высокопроизводительную систему управления на базе DSP-микроконтроллера TMS320F2810 с интегрированным готовым ZigBee-модулем XBP24-X от компании Digi International (рис. 9). Для обеспечения качественного приема использована всенаправленная внешняя антенна с возможностью наклона оси до 90˚ и поворота до 180˚. Интерфейс ZigBee предназначен для беспроводного конфигурирования, настройки параметров и оперативного управления сетью исполнительных устройств на базе ПЧ и МРН от персонального компьютера с помощью демонстрационной интерфейсной платы XBIB-U-DEV.

а)                 б)

Рис. 8. Преобразователь частоты ПЧ (а) и многоканальный регулятор напряжения МРН (б)

Рис. 9. Управляющий контроллер с интегрированным ZigBee-модулем

На данный момент достигнуты относительно невысокие скорости передачи информации (10…15 Кбит/с) при полномасштабной реализации протокола ZigBee, количестве узлов в сети не более 10 и расстояниях между узлами до 300 м (в прямой видимости). С учетом того, что критичные по скорости выполнения процессы управления оборудованием выполняются в реальном времени на встроенных высокопроизводительных DSP-микроконтроллерах, а по сети передается относительно небольшое число команд оперативного управления и смены уставок, достигнутые показатели по скорости являются приемлемыми.
Несомненным достоинством беспроводной технологии является, в частности, возможность изготовления удобных пультов для обслуживания сложной преобразовательной техники, которые не требуют подключения к сети и объекту и автоматически обеспечивают гальваническую развязку оборудования. Исследования в этом направлении проводятся в настоящее время.