Teollisuusautomaatioon tarkoitettujen langattomien protokollien vertailu

Neljäs teollinen vallankumous (teollisuus 4.0) on lisännyt koneiden älykkyyttä ja automaatiolaitosten tehokkuutta ja joustavuutta. Nämä yhä monimutkaisemmat järjestelmät ovat lisänneet langattoman viestinnän käyttöönottoa teollisuusympäristöissä. Teollisuus 4.0 -aloitteen älykkäitä koneita ja modulaarista automaatiota määrittelevät:

• Turvallisesti ja mukautuvasti yhdistettävä ohjaus
• Tuotantoprosessin arvojen keruu ja jatkuva sovittaminen
• Koneiden kunnon valvonta ennakoivaa huoltoa varten
• Big data -analytiikkamahdollisuuksia tarjoava verkottuminen

Näissä toiminnoissa käytettävät langattomat teknologiat perustuvat matkapuhelin-, Wi-Fi-, Bluetooth- ja IEEE 802.15.4 -standardeihin ja -protokolliin. Tämä johtuu osittain siitä, että suunnitteluinsinöörit odottavat eri valmistajien komponenteilta yhteensopivuutta, mikä edellyttää teollisuusstandardin mukaisten liitäntöjen eikä valmistajakohtaisten liitäntöjen käyttöä. Yhteentoimivuus on itse asiassa vain yksi osa-alue Teollisuus 4.0 -aloitteesta.

Kuva 1: Langattomat yhteydet ovat avainasemassa materiaalinkäsittelyn ja yhteistyörobottien tehtävien koordinoinnissa. (Kuvan lähde: Getty Images)

Langattomia yhteyksiä käyttävät yksittäiset laitteet ovat yleensä kalliimpia kuin johdotetut verkot. Näitä korkeampia hankintakustannuksia voidaan kuitenkin kompensoida monin tavoin ... ja langattomat laitteet osoittautuvat usein kustannustehokkaimmaksi vaihtoehdoiksi pitkällä aikavälillä. Tämä johtuu siitä, että kaapeleiden asennus tuotantotiloihin voi aiheuttaa huomattavia kustannuksia. Kaapeleiden reitityksen ja niiden liittimien suunnittelu vaatii vaivannäköä. Lisäksi kaapelit tarvitsevat suojausta ja kaapelihyllyjen tai -kannattimien antamaa fyysistä tukea ... ja ne vaativat jakorasioita ja muita lisävarusteita. Kaiken tämän kaapeleihin liittyvän laitteiston suunnittelu, tilaaminen ja asentaminen pidentää verkon toteuttamiseen kuluvaa aikaa.

Wi-Fi-pohjaiset automaatiostandardit

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) julkaisi vuonna 1997 standardin 802.11, joka määrittelee langattomien lähiverkkojen (LAN) toteutuksen. Sen varmistamiseksi, että markkinat voisivat hyödyntää täysimääräisesti tätä standardia, perustettiin pian alan konsortio Wi-Fi Alliance. Sitä johtivat langattomien laitteiden valmistajat, jotka olivat kiinnostuneita perustamaan testaus- ja sertifiointiohjelmia eri toimittajien tuotteiden yhteentoimivuuden varmistamiseksi. Nykyään IEEE 802.11:n määrittelemää Wi-Fi-standardia täydennetään Wi-Fi Alliancen lisästandardoinnilla, joka takaa laitteiden poikkeuksellisen luotettavan ja vaatimusten mukaisen yhteensopivuuden.

Kuva 2: Teollisuus 4.0 (kutsutaan myös nimellä teollinen esineiden internet tai IIoT) on erottamattomasti sidoksissa langattomien teknologioiden käyttöönottoon. Näihin langattomiin teknologioihin, joissa käytetään eri laitteiden ja tietojenkäsittelyjärjestelmien välisen yhteyden mahdollistavia standardisoituja liitäntöjä, kuuluvat HMI-laitteina käytettävät mobiililaitteet (kuten kuvassa) sekä lukemattomat muut langattomat koneen tilan viestivät kenttäkomponentit. (Kuvan lähde: Getty Images)

Vaikka Wi-Fi on varsin hyödyllinen sovellusten valvonnassa ja koneiden liittämisessä yritystason järjestelmiin, sen nopeus, viive ja yhteyden vakauteen liittyvät ongelmat ovat rajoittaneet sen käyttöä koneohjaukseen liittyvissä vaativissa teollisuusautomaatiosovelluksissa. Tämä on merkinnyt sitä, että Wi-Fi-yhteydet rajoittuvat teollisissa sovelluksissa nykyään enimmäkseen sellaisiin käyttötarkoituksiin, joissa vaatimukset eivät ole kovin korkeita. Niihin kuuluvat:

• Viivakoodinlukijat, jotka välittävät tietoja MES (Manufacturing Execution Systems) -järjestelmiin, jotka sallivat yhden tai kahden sekunnin viiveen.
• Liiketunnistimet, jotka eivät liity reaaliaikaisiin ohjaustoimintoihin.
• Koneiden kunnon pitkäaikainen valvonta antureilla, kuten kiihtyvyysantureilla (koneen generoiman tärinän seuraaminen ajan myötä) sekä lämpötila-, paine-, kosteus- ja kaasupitoisuusantureilla laitteiden tehokkuuden ja kunnon valvontaa varten.

Kuva 3: Vaikka Wi-Fi ei sovellukaan koneohjaukseen, se on hyödyllinen koneiden valvontasovelluksissa ja tehdastilojen yhdistämisessä yritystason järjestelmiin. (Kuvan lähde: The Wi-Fi Alliance)

Wi-Fi-verkkoa on useaan otteeseen yritetty adaptoida teollisuuden ohjaussovelluksiin, mutta menestys on ollut vähäistä. Yksi poikkeus tähän on kiinalainen teollisuuskäyttöön tarkoitettu langaton tiedonsiirtostandardi WIA-PA (Wireless Network for Industrial Automation and Process Automation), jota on käytetty menestyksekkäästi IIoT-aloitteessa.

Wi-Fi toimii luonnollisesti joko 2,4 tai 5 GHz:n taajuudella. Korkeammat taajuudet mahdollistavat nopeamman tiedonsiirron mutta lyhyemmän kantaman, koska korkeammat taajuudet heikkenevät helpommin kulkiessaan seinien ja muiden kiinteiden esineiden läpi. Erikoiskäyttöön tarkoitetut standardit käyttävät muita taajuuskaistoja. Esimerkiksi IEEE 802.11ah low-data Wi-Fi (HaLow Wi-Fi) toimii noin 900 MHz:n taajuudella, ja sitä käytetään yleensä antureissa, jotka tarvitsevat pidemmän kantaman ja joiden virrankulutus on erittäin pieni. Toisessa ääripäässä IEEE 802.11ad Wi-Fi (WiGig) toimii noin 60 GHz:n taajuudella ja tarjoaa erittäin nopean tiedonsiirron.

IEEE 802.15.4 -pohjaiset langattomat standardit

Muita langattomia vaihtoehtoja ovat IEEE 802.15.4 -standardin määrittelemät alhaisen nopeuden henkilökohtaiset langattomat verkot eli LR-WPAN. LR-WPAN-tekniikat priorisoivat alhaista hintaa ja vähäistä virrankulutusta nopeuden ja kantaman kustannuksella. LR-WPAN-tiedonsiirron perusspesifikaatio mahdollistaa enintään 250 kbit/s:n tiedonsiirtonopeudet ja 10 metrin kantaman. Sitä käyttävien teknologioiden tarkoituksena on mahdollistaa viestintä edullisten laitteiden välillä ilman ylimääräistä tiedonsiirtoinfrastruktuuria. IEEE 802.15.4 -standardiin perustuvista protokollista, kuten 6LoWPAN, WirelessHART ja ZigBee, on nopeasti tulossa suosittuja IIoT-protokollia.

1. WirelessHART: Yksi 802.15.4-pohjainen protokolla, jota HART Communications Foundation, ABB, Siemens ja muut tukevat, on nimeltään WirelessHART. Se on hyvin tuettu ja robusti standardi teollisuusautomaatiosovelluksiin. Verkon luotettavuutta ylläpidetään käyttämällä mesh-taajuushyppelyverkkoa ja aikasynkronointia. Useimmissa Wi-Fi- ja matkapuhelintekniikkaan perustuvissa langattomissa tiedonsiirtoprotokollissa käytetään sitä vastoin vähemmän robustia tähtiverkkotopologiaa, jossa kaikkien laitteiden täytyy muodostaa yhteys keskuslaitteeseen. Kaikki viestintä salataan 128-bittisellä AES-salauksella ja käyttäjien käyttöoikeuksia voidaan kontrolloida tarkasti.

Kuva 4: SmartMesh-verkonhallintaan tarkoitettu LTP5903-WHR tukee verkkovirtaa käyttäviä WirelessHART-yhdyskäytäviä, jotta insinöörit voivat integroida standardeihin perustuvan langattoman anturiverkon skaalautuvaa kaksisuuntaista tiedonsiirtoa varten. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Koska WirelessHART käyttää mesh-topologiaa, data voidaan reitittää suoraan laitteiden välillä. Näin voidaan laajentaa verkon kantamaa ja muodostaa redundantteja tietoliikennereittejä. Tällä tavoin jos yksi reitti vikaantuu, lähettäjä alkaa automaattisesti käyttämään redundanttia reittiä. Taajuushyppelyn ansiosta WirelessHART voi myös välttää ongelmia interferenssin kanssa .

2. 6LoWPAN: IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks (yleisesti kutsutaan nimellä 6LoWPAN) on protokolla, jonka avulla IEEE 802.15.4 -pohjaisessa verkossa voidaan lähettää IPv6-paketteja. Tämä tarkoittaa, että hyvin vähän virtaa kuluttavat laitteet voivat muodostaa yhteyden internetiin, joten se soveltuu hyvin IoT-antureille ja muille pienitehoisille laitteille.

3. ZigBee: Zigbee Alliance ylläpitää ZigBee-protokollaa, jota käytetään kaikkein laajimmin älykoti- ja rakennusautomaatiosovelluksissa. ZigBee on ehkä vakiintunein IEEE 802.15.4 -standardiin perustuva protokolla. Sen ansiosta solmut voivat pysyä lepotilassa suurimman osan ajasta, mikä pidentää akun käyttöikää huomattavasti. ZigBee toimii yleensä 2,4 GHz:n taajuusalueella, ja sen kiinteä tiedonsiirtonopeus on 250 kbit/s. Se voi tukea erilaisia verkkotopologioita, kuten tähti-, puu- ja mesh-topologiat. Puu- ja mesh-topologiat laajentavat verkon kantamaa.

Kuva 5: Zigbee on hyödyllinen teollisuusympäristöjen (muun muassa) liike-, tärinä-, kosteus-, lämpötila- ja läsnäolotunnistimissa. (Kuvan lähde: Zigbee Alliance)

Bluetooth LE ja matkapuhelinverkko IoT-teollisuusautomaatiossa

Bluetooth Low Energy (BLE) on vaihtoehto IEEE 802.15.4 -standardille, jossa alhaiset kustannukset ja vähäinen virrankulutus ovat tärkeimpiä prioriteetteja nopeuden ja kantaman sijasta. Se toimii samalla 2,4 GHz:n taajuudella kuin tavallinen Bluetooth. Bluetooth LE:n suurin etu on se, että se on natiivisti tuettu mobiilikäyttöjärjestelmissä, kuten Open Handset Alliancen Androidissa, Applen iOS:ssä ja Microsoft Windows-käyttöjärjestelmän eri muunnelmissa. Tämä ja se, että suuret elektroniikkatoimittajat kuten Logitech Corp. ovat investoineet paljon sen tutkimus- ja kehitystyöhön, auttaa ymmärtämän miksi Bluetooth LE on edelleen tärkein langaton liitäntävaihtoehto kuluttajalaitteissa. Tämä on vastakohta WirelessHART-protokollalle, joka on keskittynyt ja keskittyy edelleen ensisijaisesti IIoT-sovelluksiin.

Kuva 6: Bluetooth Low Energy (BLE) -standardi sisältää sarjaporttiprofiilin, jonka järjestelmät tunnistavat täydeksi sarjaliitännäksi. Tämä on hyödyllistä langallisten laitteiden korvaamiseen BLE-yhteyttä käyttävillä päivityksillä. (Kuvan lähde: Bluetooth Special Interest Group)

Viime vuosina on nähty erilaisia antureita, kauko-ohjaimia, etälukkoja ja kämmenlaitteita, jotka käyttävät Bluetooth LE -protokollaa teollisuusautomaatiotehtävissä. Tämä suuntaus todennäköisesti voimistuu tulevina vuosina.

Toisin kuin BLE- ja IEEE 802.15.4 -pohjaisissa pienitehoisissa lyhyen kantaman tiedonsiirtoprotokollissa, matkapuhelintekniikoissa on kyse pitkän kantaman langattomasta tiedonsiirrosta. Matkapuhelimissa ja IoT-laitteissa yleiset nopeat 3G- ja 4G-matkapuhelinprotokollat ovat suurimmaksi osaksi syrjäyttäneet 2G-GSM-matkapuhelinprotokollan. Ongelmana on, että matkapuhelinliikenne kuluttaa paljon virtaa, joten teollisuussovelluksissa (erityisesti tällaisia yhteyksiä käyttävissä koneissa) järjestelmä on kytketty pysyvästi langalliseen virtalähteeseen. Matkapuhelinten LTE-luokissa on suurimmat tiedonsiirtonopeudet - tosin suuremman virrankulutuksen kustannuksella. LTE Cat-0- ja Cat-1-yhteydet soveltuvat IoT-laitteille. LTE-M on sen sijaan pienitehoinen matkapuhelinprotokolla, joka on suunniteltu erityisesti koneiden välisiä ja IoT-sovelluksia varten.

Teollisuudessa 5G-sovellukset eivät kuitenkaan ole yhtä laajalle levinneitä ja kehittyneitä kuin matkapuhelimissa. Tämä johtuu siitä, että kuluttajat asettavat etusijalle latausnopeudet (joten he ovat ottaneet nopeasti käyttöön uudet 5G-laitteet), kun taas IIoT-järjestelmien suunnittelijat asettavat etusijalle alhaisen latenssin ja laajan kattavuuden. Alhainen latenssi on tosiasiallisesti erittäin tärkeää teollisuusautomaatiossa. Pitää paikkansa, että ensimmäiset 5G-verkot pitävät latenssin alle 30 millisekunnissa, mutta latenssia pyritään laskemaan edelleen vain 1 millisekuntiin. Tämä on riittävän nopeaa vaativiin reaaliaikaisiin teollisuuden ohjaussovelluksiin (ei pelkästään valvontaan), kuten esimerkiksi työstökoneiden takaisinkytkentäsignaalien lähettämiseen.

Yksi tapa, jolla 5G vähentää latenssia, on verkon viipalointi. Tämä verkkotekniikka jakaa verkon kaistanleveyden eri virtuaalikaistoihin, joita hallitaan sitten erikseen. Jotkin kaistat on varattu matalan latenssin tiedonsiirtoa varten, ja suurin osa liikenteestä on kiellettyä näillä kaistoilla. Tällöin vain nopeinta tiedonsiirtoa vaativat teollisuuden valvontasovellukset saavat käyttää näitä varattuja nopeita kaistoja.

Langattoman LoRA-protokollan nousu

Pitkän kantaman alueverkkomodulaatio (LoRA) on edullinen langaton protokolla, joka sopii uusiutuvan energian, kaivos- ja logistiikkateollisuuksien etä- ja offshore-sovelluksiin. Kyseessä on vähävirtainen langaton tekniikka, joka pystyy kommunikoimaan hyvin kauas - jopa yli 10 kilometrin etäisyydelle – yhdellä paristolla jopa 10 vuoden ajan. Lyhyesti sanottuna LoRA on ei-matkapuhelintekniikka, joka toimii lisenssivapailla taajuuskaistoilla. Se käyttää alle gigahertsin taajuuskaistoja, kuten 433 ja 915 MHz, ja CSS-modulaatioon (Chirp Spread Spectrum) perustuvaa hajaspektrimodulaatiota. Tämän vuoksi se soveltuu erittäin hyvin IoT-laitteisiin, jotka on sijoitettu syrjäisiin paikkoihin ja jotka tarvitsevat vain vaatimattomia tiedonsiirtonopeuksia. LoRA sisältää myös 128-bittisen salauksen ja autentikoinnin. Toinen hyödyllinen ominaisuus (erityisesti IIoT-sovellusten antureille) on maantieteellinen paikannus laitteiden välisen kolmiomittauksen avulla.

LoRA käyttää Semtech Corp. -yrityksen kehittämää valmistajakohtaista teknologiaa, mutta sisältää lukuisia avoimen lähdekoodin elementtejä. Sitä tukee (ja laitteiden yhteentoimivuuden varmistaa) LoRa Alliance. Tämä on laaja verkosto, johon kuuluvat IBM, Cisco, TATA, Bosch, Swisscom ja Semtech.

Yhteenveto

On lukuisia teollisuusautomaatioon tarkoitettuja langattomia protokollia. Kukin niistä soveltuu tiettyihin sovelluksiin. Käyttökohteet, jotka vaativat pientä virrankulutusta ja joihin riittää tiedonsiirto lyhyellä kantamalla, hyötyvät usein ZigBee- ja Bluetooth LE -yhteydestä. Vaativammat teollisuussovellukset, joissa tiedonsiirrolta vaaditaan robustisuutta, saattavat edellyttää langattomia WirelessHART-yhteyksiä käyttäviä laitteita. Käyttökohteet, jotka vaativat tiedonsiirtoa pitkän etäisyyden päähän ja korkeita tiedonsiirtonopeuksia, edellyttävät matkapuhelinverkkoa. Tässä suhteessa 5G on valmis muuttamaan langatonta viestintää. Tiedonsiirto hyvin pitkillä etäisyyksillä (ja pienellä virrankulutuksella) onnistuu usein parhaiten LoRa-protokollan avulla.