Překonávání bariér při uplatnění bezdrátové komunikace

Jsou bezdrátové sítě lepší nebo horší než sítě s kabelovým vedením? Na to nelze obecně odpovědět – jsou zkrátka jiné. Existuje nespočet standardů pro bezdrátovou komunikaci, které dobře splňují různé požadavky uživatelů. Jsou tedy bezdrátové komunikační sítě vhodné pro každou úlohu? Ne. Ale pro mnohé ano, protože bezdrátové sítě jsou zpravidla pružnější, univerzálnější a cenově výhodnější než kabelové sítě. Jistě, jsou tu otázky zabezpečení, spolehlivosti a přenosové kapacity bezdrátových sítí, které konzervativním uživatelům brání využívat jejich výhody. Mohou být bariéry omezující použití bezdrátových sítí v praxi překonány?

Číslo 1: zabezpečení

Při diskusích o využití bezdrátové komunikace v průmyslových komunikačních sítích je prvním tématem, které zpravidla přijde na řadu, jejich zabezpečení. Mnohdy je to jediný důvod k rozhodnutí od bezdrátové komunikace upustit. Provozní inženýři chtějí zajistit nepřetržitost výroby, a bezpečnostní opatření, která chrání provozní zařízení podniku, jsou při tom namístě. Inženýři z oddělení IT zase chtějí, aby sítě používané v provozu dobře spolupracovaly s ostatními podnikovými komunikačními sítěmi, ovšem bez kompromisů v otázce zabezpečení podnikových informací. Požadavky provozních i informačních inženýrů, ačkoliv jsou rozdílné, mají oba vysokou důležitost.
V současné době existují v průmyslových bezdrátových komunikačních sítích mechanismy, které se s oběma uvedenými požadavky dokážou vypořádat. Co ovšem stále není dostatečné, to je porozumění tomu, jaké možnosti u bezdrátových komunikačních zařízení existují a jak je využít ke zlepšení jejich provozu. Pro zamezení interpretace dat neoprávněnou osobou se používají moderní šifrovací metody. Filtrování a přísná pravidla autentizace dovolují, aby se účastníkem komunikace stala jen autorizovaná zařízení. Současná bezdrátová zařízení využívají mechanismus, který byl vyvinut pro účely přenosu utajených informací vládou USA, a dokážou se proto vypořádat s přísnými požadavky na zabezpečení informací, výrobních prostředků a spolehlivosti provozu.
Diskusi o zabezpečení provozních komunikačních sítí by provozní a informační inženýři neměli chápat jako soupeření svých zájmů. Místo toho mohou vzájemně těžit ze svých zkušeností. Provozní inženýři mají bohaté zkušenosti s tím, jak zabezpečit vysokou spolehlivost nepřetržitého povozu 24/7 a znají roli, kterou při tom hrají komunikační sítě. Informační inženýři zase mají zkušenosti s koexistencí různých komunikačních systémů a se správou sítě. Jestliže obě skupiny spolupracují, mohou své znalosti a zkušenosti navzájem účelně doplňovat.

Spolupráce s informatiky?

Máme překonat obavy a zapojit pracovníky oddělení IT do projektu od samého počátku? Informatici většinou doporučí širší využívání bezdrátových sítí, budou chtít uplatnit své osvědčené postupy, navrhnou alokovat frekvenční pásma tak, aby byla zajištěna koexistence s ostatními sítěmi, a mohou pomoci při výběru vhodného standardu komunikační sítě. Jestliže s informatiky nebudete od počátku spolupracovat, můžete s nimi mít potíže. Spolehněte se na svého dodavatele bezdrátové komunikační techniky. Ten by měl rozumět potřebám obou oddělení, provozního i IT, překonat bariéru mezi nimi a najít řešení, které jim oběma vyhovuje. Dobrý dodavatel bezdrátové komunikační techniky pro průmysl zná omezení vyplývající z použití této techniky v provozu, která pracovníci oddělení IT nevidí.
Otevřený dialog o bezpečnostních opatřeních, která mohou být uplatněna, umožní dosáhnout stejné úrovně zabezpečení jako u kabelových komunikačních systémů. Se stávajícími standardy je možné u plně vybaveného bezdrátového komunikačního systému síť dobře zabezpečit a přitom vyhovět všem podnikovým požadavkům. A to v některých případech znamená vyhovět i požadavkům regulatorním.
Například ve farmaceutické výrobě je třeba splnit přísné regulatorní požadavky na sběr dat, takže oddělení IT je v oblasti zabezpečení dat mnohem citlivější. Pro to, aby byli informatici spokojeni s navrženým řešením, je třeba mít jasno v tom, co potřebují.
Jsem automatizační inženýr a „pustil“ jsem do svého systému pracovníky oddělení IT. Co se stane, když komunikační síť přestane fungovat? Kdo se postará o nápravu? Jak rychle bude závada diagnostikována? Kdy bude odstraněna?
To mohou být ošidné otázky. Jsme technici řídicích systémů a vzdát se kontroly nad řízenými procesy je proti naší přirozenosti. Kdo řídí síť, ten většinou rozhoduje také o pravidlech zabezpečení. U bezdrátových sítí by měly být stanoveny hranice podobně jako u Ethernetu. V některých případech se oddělení informační techniky stará o všechno, co se týká Ethernetu, průmyslového i kancelářského. V jiných případech se provozní inženýři starají o všechno, co je nějak spojeno s výrobou, včetně průmyslového Ethernetu. U bezdrátových sítí mohou mít pracovníci oddělení IT odpovědnost za výběr standardů a alokaci frekvencí, zatímco provozní technici se starají o instalaci, provoz a údržbu komunikačního systému. V každém případě je třeba hranici jednoznačně stanovit předem a vybrat takový bezdrátový systém, který má diagnostické nástroje, jež uspokojí obě skupiny pracovníků.

Řešení problémů na provozní úrovni

Nástroje pro informatiky a pro provozní techniky se mohou lišit. Pro pohotovou reakci je kriticky nutné mít odpovídající nástroje pro obě skupiny. Ve světě informační techniky jsou to nástroje založené na protokolu SNMP (Simple Network Management Protocol), který podporují i mnohé průmyslové rádiové moduly. Vyšší úroveň diagnostiky může zahrnovat např. OPC, tj. rozhraní, které lze využít pro integraci diagnostiky bezdrátové sítě do řídicího systému.
Ačkoliv pravidla se liší podnik od podniku, tendence směřuje k analogické situaci jako u kabelového Ethernetu na provozní úrovni. Ať už je to kabelová nebo bezdrátová síť, když ve dvě ráno přestane fungovat, bude to provozní inženýr, komu zazvoní telefon.
Nehledě na to, kdo je zodpovědným správcem sítě, je dobré říci, že řešení problémů bezdrátové sítě je trochu jiné než u kabelového Ethernetu. Spojení mezi účastníky bezdrátové sítě je nehmotné, nemůžete je uchopit do ruky. Je citlivé na vnější vlivy, a to je třeba vzít v úvahu při hledání příčiny problémů. Proto je nezbytné mít nástroje pro sledování a diagnostiku sítě. A stejně jako u jiných klíčových komponent sítě, také zde se musí jasně stanovit, kdo bude diagnostické nástroje používat a analyzovat jejich výsledky. Vyberte si takového dodavatele, který vám poradí při výběru techniky, pomůže v průběhu implementace i později, dodá potřebné diagnostické nástroje, poskytne školení a má vypracovaný program technické podpory. S podporou takového dodavatele každý, kdo umí diagnostikovat kabelovou ethernetovou komunikační síť, bude umět diagnostikovat i síť bezdrátovou.

Číslo 2: Přenosová kapacita

Jak si můžu být jistý, že zvolený bezdrátový systém vyhoví mým požadavkům na šířku přenosového pásma, a to i v budoucnu?
Napřed si udělejte malý domácí úkol. Ujistěte se, že znáte cíle, kterých chcete dosáhnout, požadavky na svou komunikační síť a prostředí, kde bude pracovat. Jaké jsou vzdálenosti mezi účastníky? Jakou komunikační rychlost potřebujete? Potřebuje přístup také pro mobilní účastníky? Je komunikační síť ve venkovním nebo vnitřním prostředí? Vyskytují se v prostředí předměty, jejichž povrch odráží elektromagnetické vlny? Jsou v něm pohyblivá, rotující nebo vibrující zařízení? Ujasněte si, jaký provoz na vaší rádiové síti očekáváte. Na výběr jsou různé systémy bezdrátové komunikace vhodné pro různé úlohy.
Zadruhé, pečlivě vyberte dodavatele. Pracujte s technikou určenou do průmyslového prostředí od dodavatele, který spolehlivě určí, co je pro konkrétní úlohu třeba, a pomůže vám vybrat takové řešení, jež umožní budoucí rozšíření sítě. Zvolte si takového dodavatele, který rozumí vašim zařízením a technologickým procesům. Podívejte se po správné kombinaci diagnostických nástrojů. Někteří dodavatelé vám mohou poskytnout nástroje využívající OPC, určené pro integraci do aplikačního programu HMI, který potom uživateli poskytne vizuální přehled o síti. Ověřte si, že dodavatel nabízí i další služby, jako analýzu přenosové cesty a audit na místě. O tyto věci se musíte postarat už při specifikaci vašeho projektu.
Je pravda, že v některých úlohách bezdrátové sítě nelze použít. Například pro výrobní linku s 1 000 I/O s periodou vzorkování v řádu milisekund. Takovou přenosovou kapacitu současné bezdrátové sítě zkrátka nemají.

Jak mám ochránit svoji síť před interferencemi, když si v sousedství nainstalují jinou bezdrátovou síť?
Mějte na vědomí, co vše se v místě instalace ještě nachází a bude nacházet. Přemýšlejte o informačním systému jako o jednom z výrobních prostředků. Využijte svých zkušeností a vytvořte systém údržby, který bude sledovat stav komunikační sítě. Znalost všech důležitých kritérií umožní předpovídat chování sítě. Diagnostické nástroje mohou periodicky sledovat síť, monitorovat nové účastníky nebo jiné změny v rádiovém prostředí, měřit vnější interference a zajistit, aby neměly podstatný vliv na výkon komunikačního sítě.
Ovšem i perfektně implementovaná síť se všemi opatřeními proti interferencím je citlivá na možné následné změny rádiového prostředí. Nemůžete zabránit tomu, aby někdo v sousedství spustil svoji rádiovou síť, ale můžete udělat preventivní opatření, abyste i v takovém případě mohli snížit dopad této změny na vaši síť.
Takových preventivních opatření je několik druhů. Na začátku je rozumné vybrat si systém s několika frekvencemi, které lze v případě potřeby měnit (např. sítě 802.11n mají v pásmu 5 GHz 24 kanálů). Jinou efektivní metodou pro zesílení spojení mezi dvěma rádiovými moduly a zvýšení odolnosti proti interferencím je použití směrové antény. Nastavení směrových antén, zvláště při velké vzdálenosti mezi účastníky, však může být obtížné. Dobří dodavatelé bezdrátové techniky při inspekci na místě instalace dokážou rozhodnout, jaké antény použít a jak je umístit.

Číslo 3: Spolehlivost

Je bezdrátová síť méně spolehlivá než kabelová? Odpověď je ne. Obě sítě jsou odlišné. Ani uživatel kabelové sítě, nechce-li mít problémy s rušením, nemůže položit komunikační kabel vedle silového kabelu pohonu, a stejně tak také uživatel bezdrátové sítě musí brát ohled na možné interference. U bezdrátových sítí se to však dělá jinak. Důležité kroky jsou zajištění viditelnosti mezi účastníky, výběr radiových modulů, antén a spojovacích kabelů. Vždy je nutné porovnávat zadání úlohy a specifické vlastnosti vybrané rádiové techniky.
V mnoha případech je kabelová síť méně spolehlivá než bezdrátová, zvláště u přenosu signálů z pohyblivých objektů, kde se jinak používají sběrné kroužky a kartáče. U těch dochází postupem času k opotřebení a ztrátě spolehlivosti. Podobně u flexibilních kabelových přívodů podrobených častým pohybům může časem dojít k degradaci kabelu a přerušení vodičů.

Bezdrátové komunikační sítě jsou úspěšně používány pro dohled, ale pro řízení?

Ve výrobě se pro komunikaci v rámci řídicích systémů stále častěji používá Ethernet. A kde se uchytí Ethernet, často za ním brzy pronikne i bezdrátová komunikace. Mnohá bezdrátová zařízení jsou natolik inteligentní, že mohou fungovat jako řízené switche a zajišťovat funkci filtrování paketů. Mnohé podporují deterministické úlohy a poskytují vysokou míru flexibility, rychlosti, přesnosti a předvídatelnosti odezvy. V těchto projektech je ovšem více než jinde nutné systém pečlivě navrhnout a správně realizovat, a to v těsné spolupráci s dodavateli komunikační techniky, integrátory a firmami poskytujícími inženýrské služby.
Každý, kdo má zkušenosti s bezdrátovým připojením k internetu, zažil mnohokrát situaci, kdy router přestane pracovat a musí se resetovat a restartovat. Kdo by chtěl něco takového riskovat v provozu? Současná zařízení určená pro průmyslové prostředí jsou mnohem spolehlivější a robustnější než běžná spotřební nebo kancelářská technika. Existuje mnoho pokročilých nástrojů, které dokážou testovat síť a rozeznat, že se blíží k poruše, a rozhraní HMI poskytuje uživateli on-line informace o „zdravotním stavu“ sítě. Pro zvýšení spolehlivosti komunikace lze uplatnit systémy technického a procedurálního managementu.
Náhrada kabelů anténami pomohla v mnoha reálných úlohách zvýšit spolehlivost a efektivitu technologických procesů. Zvláště u úloh s pohyblivými zařízeními dochází k dramatickému snížení nákladů, omezení počtu a doby odstávek a potřebné údržby.
Například společnost Procter & Gamble se rozhodla pro zvýšení spolehlivosti některých zařízení zavést bezdrátovou komunikaci. Sběrné kroužky nahradila bezdrátovým komunikačním systémem, přizpůsobeným k začlenění do stávající sítě EtherNet/IP. Zvolena byla síť 802.11 ve frekvenčním pásmu 5 GHz, aby byla zajištěna koexistence s existujícími sítěmi, které obsadily pásmo 2,4 GHz. Bezdrátová síť splnila očekávání, co se týče determinismu, vykazuje méně ztracených paketů, nemá žádné odstávky z důvodu ztráty komunikace a provozní technici jsou s ní spokojeni.
Společnost Liberty Airport Systems z Ontaria v Kanadě navrhuje osvětlení pro přistávací dráhy komerčních i vojenských letišť. Spolehlivost osvětlení je důležitá pro usnadnění pohybu letadel a jeho odstávka nebo porucha má za následek zpoždění letů, jejich přesměrování či zrušení a v nejhorším případě může vést i k havárii letadla. Primární komunikační systém používá optický kabel uložený pod povrchem přistávací dráhy. Při jeho poškození je osvětlení celé dráhy vyřazeno z provozu. Společnost Liberty proto nyní v mnoha instalacích primární komunikační systém zálohuje bezdrátovou komunikací, aby tak zvýšila spolehlivost osvětlovacího systému a snížila náklady na údržbu. V jednom případě např. došlo k poškození optického kabelu při stavebních úpravách dráhy. Bezdrátový systém bez problémů zastoupil optickou komunikaci na dobu přibližně týdne, po kterou byl kabel opravován.

Závěr

Klíčovou roli v překonávání obtíží při uplatnění nové bezdrátové komunikační techniky nyní i v budoucnu hraje a bude hrát důkladné porozumění jejím možnostem, správný návrh systému a jeho instalace.
Bezdrátové komunikační systémy naneštěstí nejsou systémy typu „nainstaluj a zapomeň“. Na komunikační síť je třeba dohlížet. Už v počátcích je třeba spolupracovat s pracovníky oddělení IT. Uspokojíte-li jejich potřeby a požadavky, v mnoha případech převezmou svůj díl zodpovědnosti za údržbu sítě.
Při respektování uvedených pravidel může uživatel bez omezení těžit z flexibility a univerzálnosti bezdrátové komunikační techniky a v mnoha případech také omezit své náklady na technologická zařízení.