Введение
Современный этап развития автоматизированных систем управления производством требуют все больше и больше затрат. А также не стоит забывать о существовании проблемы проводки километров кабелей и соединительных проводов. Для решения этих проблем на многих отраслях промышленности вводятся беспроводные системы управления и сбора информации. Беспроводные сети имеют гибкую архитектуру, требуют малых затрат при их установке и обслуживании. Важным аспектом является стандартизация протокола передачи данных, что делает измерительную систему открытой и совместимой с изделиями других производителей.
Беспроводные технологии служат для передачи информации на расстояние между двумя и более точками. Беспроводной сетевой адаптер установлен в каждом компьютере, и пользователи работают так, будто их компьютеры соединены обычным кабелем. Существует много объектов автоматизации, где сложно обойтись без беспроводных сетей или где их применение явно желательно:
датчики и исполнительные устройства на подвижных частях производства (конвейер, лифт, крыло самолёта, и т.д.);
объекты, в которых либо дорого, либо невозможно проводить соединительные провода;
когда прокладка постоянного кабеля из-за нерегулярного характера его использования чаще всего просто невыгодна;
объекты, находящиеся в агрессивных зонах;
системы отслеживания траектории движения транспорта, охрана границ государства, мониторинг чего-либо;
объекты, где известно, что стоимость проведения и обслуживания кабельных каналов будет существенно больше стоимости беспроводного соединения;
объекты во взрывоопасных зонах.
Беспроводные системы управления и сбора данных имеют массу преимуществ над проводными:
низкая стоимость установки;
быстрая откладка системы и поиск неисправностей;
обеспечение удобной модернизации системы;
снижение стоимости за счёт исключения кабелей;
уменьшение трудозатрат и времени на монтаж и обслуживание системы;
Со временем, пока технологический прогресс все набирает обороты, перестройка и обслуживание становятся более лёгкими, беспроводные системы захватывают все больше областей автоматизации.
Хотя, имея достаточно плюсов, беспроводные системы не могут быть без каких-либо недостатков и проблем, поэтому важен рациональный анализ всех возможных преимуществ и особый подход к каждой задачи промышленной автоматизации.
Беспроводные сети уступают проводным сетям во времени доставки сообщений, в помехозащищённости, надёжности связи, безопасности, ограниченной дальности действия, из-за резкого падения пропускной способности сети при увеличении количества одновременно работающих станций и коэффициента использования канала. Физические причины возникновения перечисленных проблем связаны с интерференцией, дифракцией, преломлением, отражением и т. д.
Поскольку реконфигурация системы и ее монтаж становятся гораздо более простыми, беспроводные сети можно использовать и в традиционных областях применения кабельных связей, когда стоимость кабеля и монтажа оказывается выше, чем установка беспроводной системы.
Беспроводные сети делятся на следующие классы:
сотовыесети WWAN (Wireless Wide Area Network);
беспроводные LAN (WLAN - Wireless LAN);
беспроводные сети датчиков.
Мониторинг большого предприятия не может обойтись без такого же большого количества датчиков и компьютеров. Как только их становится больше двух, появляется проблема выбора конфигурации физических связей, или типологии.
Под типологией сети понимается конфигурация графа, (рис. 1) вершинами которого соответствуют конечные узлы сети и коммуникационное оборудование, а рёбрами – электрические и информационные связи между ними[1].
Типология «Точка-точка»
Самый простой вариант организации сети из двух устройств. Как правило, узлы этой сети являются равноправными.
Типология «Звезда»
Эта типология служит основой организации всех современных сетей и вычислительных сетей. Преимущество этой структуры в том, что никто другой не может влиять на среду передачи, а также надёжность. Каждый объект подключается отдельным кабелем к концентратору (центральному устройству). Только неисправность концентратора может вывести из строя всю сеть.
Рис 1. Типологии беспроводных сетей
Типология «Многоячейковая сеть»
Многоячейковая сеть – базовая с полной связью типология компьютерных сетей и сетей связи, в которой каждая рабочая станция сети соединяется со всеми другими станциями этой же сети. Характеризуется высокой отказоустойчивостью, сложностью настройки и избыточным расходом кабеля в проводных сетях. Каждый узел имеет несколько возможных путей соединения с другими узлами. За счёт этого такая типология очень устойчива. Так как исчезновения одного из каналов не приводит к потере соединения между двумя компьютерами. Эта типология допускает соединение большого количества узлов и характерна для крупных сетей.
Типология «Кластерное дерево»
Типология «кластерное дерево» образуется в основном в виде комбинаций вышеназванных типологий вычислительных сетей. Основание древа вычислительной сети располагается в точке (корень), в которой собираются коммуникационные линии информации (ветви дерева). Вычислительные сети с древовидной структурой строятся там, где невозможно непосредственное применение базовых сетевых структур в чистом виде.
Типология «Общая шина»
Общая шина является очень распространённой типологией для локальных сетей. Основным преимуществом схемы является её дешевизна и простота наращивания, то есть присоединение новых узлов к сети. Однако имеет низкая надёжность и плохая производительность.
Типология «Кольцо»
В сетях с кольцевой типологией данные в сети передаются последовательно от одной станции к другой по кольцу, обычно, в одном направлении. В кольце не существует определённого централизованного контроля. Отказ в работе хотя бы одного узла приводит к нарушению работы всего кольца. Данная типология проста в управлении.
Сегодняшнее положения многих производствах далеко от идеала. Конечно, это естественно для большинства вещей, но что бы приблизить этот идеал, то есть выпускать намного быстрее более качественную продукцию необходимо произвести модернизацию всей промышленности. Начать можно с замены кабельного оборудования там, где оно устарело на более продуктивные беспроводные технологии. Для решения этого нужно провести анализ существующих аналогов беспроводных сетей.
Цель данного реферата заключается в анализе автономных беспроводных сетей для сбора данных и управления и описании их черт, которые непосредственно помогут в улучшении производства.
1 ТехнологияBluetooth
Технология Bluetooth была разработана на базе стандарта IEEE 802.15.1 специально для замены кабеля для соединения различных устройств офисной и бытовой техники с использованием частотного ISM-диапазона 2,4 ГГц. Спецификация Bluetooth поддерживается организацией SIG (Special Interest Group), образованный в 1998 г. и объединяющий более 1900 членов. В системах автоматизации технология Bluetooth применяется для записи программ в ПЛК, дистанционного считывания показателей с накопителей информации. Система Bluetooth организована в виде «пикoсетей» (piconet), в которых одно ведущее устройство осуществляет взаимодействие не более чем с семью ведомыми. Ведомые устройства могут взаимодействовать друг с другом только через ведущее. Каждое устройство может быть членом четырех пикосетей одновременно, но главным может быть только в одной из них. Такое устройство исполняет роль моста между пикосетями. Несколько взаимодействующих пикосетей образуют так называемую scatternet (разбросанную сеть)[2].
Трафик в сети организован с временным разделением каналов и дуплексной передачей. Временное разделение осуществляется интервалами длиной в 625 мкс. Ведущие устройства могут начинать передачу только в течение интервалов с нечетными номерами, ведомые отвечать в течение четных интервалов. В течение каждого интервала можно передать 366 бит.
В системе Bluetooth используется широкополосная модуляция типа FHSS. Переход с одной частоты на другую выполняется по случайному закону, который устанавливается для каждого соединения индивидуально. Это повышает степень защиты информации. Несущая частота изменяется 1600 раз в секунду. Скорость передачи равна 433,9 Кбит/с.
Если пикосети расположены близко одна от другой, то они могут влиять друг на друга, поскольку между ними нет никакой синхронизации. Чтобы уменьшить вероятность взаимовлияния, используется адаптивный метод скачкообразного изменения частоты AFH.
На канальном уровне используются два типа пакетов, данных: ACL (Asynchronous Connection Lees- «асинхронный без прямого соединения каналов») и SCO (Synchronous Connection-Oriented – «синхронный с прямым соединением»). ACL-пакеты используются совместно с проверкой контрольной суммы (CRC). Если контрольные суммы приемника и передатчика не совпадают, запрашивается повторная передача пакета. Используется шесть разных ACL пакетов, охватывающих разное количество временных слотов. ACL пакеты используются в том случае, когда целостность данных важнее скорости их доставки.
Пакеты SCO поддерживают трафик реального времени путем резервирования временных слотов. Повторная передача здесь не допускается, хотя имеется «расширенный» вариант SCO, в котором допускается ограниченное количество повторных передач. Существует три типа SCO пакетов одинаковой длины (HV3, HV2, HV1), по 366 мкс, которые позволяют передавать данные со скоростью 64 кбит/с.
Устройство Bluetooth имеет 48-битовый адрес.
Большинство Bluetooth устройств имеют мощность передатчика 1 мВт, однако разрешен следующий ряд мощностей, делящий все устройства на три класса:
класс 1 – до 100 мВт (максимальная дальность на открытом пространстве до 100 м.);
класс 2 – до 2,5 мВт (максимальная дальность на открытом пространстве до 15 м.);
класс 3 – до 1 мВт (максимальная дальность на открытом пространстве до 5 м.).
Можно назвать следующие достоинства технологии Bluetooth: малые размеры оборудования, простота использования, безопасность передачи информации (благодаря аутентификации и кодированию), хорошая поддержка стандартов. К недостатком можно отнести относительно большое потребление энергии и невозможность построения сетей сложной конфигурации.
Эти особенности связаны с тем, что система Bluetooth решает проблему замены кабелей для устройств, подключаемых к компьютеру, а не проблему создания беспроводной LAN.
2 Технология ZigBee
Стандарт IEEE 802.15.4 является самым новым в серии беспроводных сетей. На его основе ZigBee Alliance разработал спецификацию протоколов сетевого и прикладного уровня, которые анонсировал в декабре 2004 года под названием «ZigBee». ZigBee Alliance включает в себя более 180 фирм, работающих совместно над продвижением стандартов, стека протоколов и прикладных профилей для потребительского и промышленного сектора экономики. Прикладные профили ориентированы, в частности, на автоматизацию зданий, промышленный мониторинг, вентиляцию и кондиционирование, работу с датчиками. Спецификация технологии ZigBee описывает построение сети, вопросы безопасности, прикладное программное обеспечение.
Основной областью применения ZigBee/IEEE 802.15.4 является передача информации от движущихся и вращающихся частей механизмов, промышленные системы управления и мониторинга, беспроводные сети датчиков, отслеживание маршрутов движения и местоположения имущества и инвентаря, «интеллектуальное» сельское хозяйство, системы охраны.
В отличие от других беспроводных технологий, где ставится задача обеспечить высокую скорость передачи, большую дальность или высокое качество обслуживания, ZigBee/IEEE 802.15.4 создавался изначально по критериям малой дальности действия, низкой цены, низкой потребляемой мощности, низкой скорости передачи и малых габаритов. Эти свойства идеально соответствуют требованиям к большинству промышленных датчиков. Поэтому технологию ZigBee часто отождествляют с промышленными беспроводными сенсорными сетями WSN (Wireless Sensor Network). Устройства ZigBee используются в применениях, где система Bluetooth оказывается слишком дорогим, и не требуется высокая скорость передачи.
Технология ZigBee, как и Bluetooth, использует не лицензируемый диапазон 2,4 ГГц. Стандарт предусматривает также использование частот 868 МГц в Европе и 915 МГц в США. Максимальная скорость передачи составляет 250 кбит/с в диапазоне 2,4 ГГц. Диапазон 2,4 ГГц разделен на 11 - 26 каналов шириной по 5 МГц каждый.
Несмотря на то, что вся идеология стандарта IEEE 802.15.4 построена в предположении, что типовая связь будет осуществляться на расстоянии около 10 м, стандарт не устанавливает требований к мощности передатчика. Этот параметр регулируется нормативными документами в области радиосвязи, специфическими для каждого государства. Наибольшее распространение на рынке имеют передатчики с мощностью 1 мВт, которые обеспечивают связь на расстоянии до 10 м в помещении, а также передатчики с мощностью 10 мВт, увеличивающие это расстояние до 80 м в помещении и до 1 км в условиях прямой видимости. Дальность связи можно увеличить применением антенн специальной конструкции.
Модель OSI сети ZigBee включает в себя физический уровень, канальный уровень, состоящий из подуровня доступа к среде передачи MAC и LLC, которые определяются стандартом IEEE 802.15.4, а также сетевой уровень NWK (Network) и уровень приложений APL, состоящий из подуровня поддержки приложений, подуровня объектов устройств ZigBee (ZigBee Device Object – ZDO) и объектов Application Objects, определяемых изготовителем ZigBee-устройств.
Подуровень MAC управляет доступом к радиоканалу, используя метод CSMA/CA. Он также отвечает за передачу маячковых фреймов, синхронизацию и обеспечение надежных методов передачи информации. Подуровень LLC выполняет связь сетевого уровня с уровнем MAC.
Уровень NWK использует методы, обеспечивающие:
регистрацию в сети нового устройства и исключение его из связи;
безопасность при передаче фреймов;
указание маршрутов фрейма к месту назначения;
прокладку маршрутов между устройствами в сети;
обнаружение сети ближайших соседей;
запоминание необходимой информации о соседних узлах.
В ZigBee имеются три типа устройств:
координатор формирует топологию сети и может устанавливать мосты с другими сетями (к каждой ZigBee-сети имеется только один координатор);
маршрутизатор работает как промежуточное звено, передовая в нужном направлении данные от других устройств;
конечное устройство передает данные координатору или маршрутизатору и не может связываться с аналогичными ему устройствами. Уровень NWK отвечает за организацию новой сети, когда это нужно, и назначение адресов новым устройствам, подключение к сети.
Подуровень APS-уровня приложений обеспечивает:
обслуживание таблиц для связывания устройств сети на основе информации о необходимости и возможности связывания;
передачу сообщений между связанными устройствами;
определение группового адреса устройств, удаление и фильтрацию сообщений с групповыми адресами;
отображение 64-битного адреса в 16-битновый;
фрагментацию, перекомпоновку и транспортировку данных.
Подуровень ZDO обеспечивает:
определение роли устройств в сети;
инициирование или ответ на запрос соединения;
защиту информации;
обнаружение устройств в сети и определение того, какой сервис они предоставляют.
Топология ZigBee-сети поддерживается уровнем NWK и может иметь форму звезды, дерева или ячеистой сети. В топологии типа звезды сеть контролируется координатором. Координатор отвечает за инициализацию и обслуживание сетевых устройств и всех конечных устройств, непосредственно взаимодействующих с координатором. В ячеистой и древовидной структуре сети координатор отвечает за организацию сети и выбор некоторых ключевых параметров, но сеть может быть расширена с помощью ZigBee маршрутизаторов. В сети с древовидной топологией маршрутизаторы перемещают данные и управляющие сообщения по сети, используя иерархическую стратегию маршрутизации. Древовидные сети могут использовать маячковую стратегию маршрутизации.
Ячеистая сеть должна обеспечить полную одноранговую коммуникацию устройств, т.е. в ячеистой сети нет устройств разных рангов (координаторов, маршрутизаторов и т.п. - все устройства равноправны), все устройства равноправны.
Основным назначением физического уровня является прием и передача данных через радиоканал. Здесь также измеряется мощность радиосигнала, оценивается качество связи и чистота канала, осуществляется выбор канала. С точки зрения модели OSI физический уровень обеспечивает интерфейс между стеком протоколов и средой передачи информации. Подуровень MAC управляет маячком, доступом к каналу, выделяет гарантированные слоты времени, проверяет достоверность передачи фреймов, передает фрейм подтверждения о получении, выполняет часть работы по обеспечению защиты информации.
Физический (PHY) и канальный (MAC) уровни модели OSI имеют следующие основные характеристики:
скорость передачи – 250 кбит/с;
короткий 16-битовый адрес или расширенный адрес длинной 64 бита;
выделение интервала времени для передачи информации каждым узлом;
протокол обмена с уведомлением о получении;
малое потребление мощности;
контроль уровня энергии;
наличие индикатора качества связи;
16 каналов в диапазоне 2,45 ГГц.
Стандарт IEEE 802.15.4 использует модуляцию типа OQPSK (Offset Quadrature Phase-Shift Keying – смещенная квадратурная фазовая манипуляция).
3 Технология Wi-Fi
Основное назначение технологии Wi-Fi (Wireless Fidelity – «беспроводная точность») - беспроводное расширение сетей Ethernet. Она используется также там, где нежелательно или невозможно использовать проводные сети. Например, для передачи информации от движущихся частей механизмов; если нельзя сверлить стены; на большом складе, где компьютер нужно носить с собой[2].
Технология Wi-Fi разработана консорциумом Wi-Fi на базе серии стандартов IEEE 802.11 и обеспечивает скорость передачи от 1 до 54 Мбит/с. Wi-Fi консорциум разрабатывает прикладные спецификации для воплощения стандарта Wi-Fi в жизнь, выполняет тестирование и сертификацию продукции других фирм на соответствие стандарту, организует выставки, обеспечивает необходимой информацией разработчиков Wi-Fi оборудования.
Несмотря на то, что стандарт IEEE 802.11 был ратифицирован еще в 1997 г., сети Wi-Fi получили широкое распространение только в последние годы, когда существенно понизились цены на серийное сетевое оборудование. В промышленной автоматизации из множества стандартов серии 802.11 используются только два: 802.11b со скоростью передачи до 11 Мбит/с и 802.11g и до 54 Мбит/с.
Модель OSI для стандартов Wi-Fi и IEEE 802.11 определяется на физическом и канальном уровне. Основное назначение физических уровней – обеспечение интерфейса с беспроводной средой передачи (с эфиром), а также оценка состояния эфира и взаимодействие с уровнем MAC.
Физический уровень состоит из двух подуровней:
PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) выполняет процедуру отображения PDU (Protocol Data Unit – модуль данных протокола) подуровня MAC во фрейм формата FHSS или DSSS. Эта процедура выполняет передачу, обнаружение несущей и прием сигнала.
PDM (Physical Medium Dependent) – подуровень, зависящий от среды передачи данных. Этот подуровень будет различным для разных скоростей передачи и разных стандартов из серии 802.11. Подуровень PMD обеспечивает данные и сервис для подуровня PLCP и функции радиопередачи и приема, результатом которых является поток данных, информация о времени, параметры приема. Основным рабочим состоянием уровней PLCP является обнаружение несущей, и оценка незанятости канала. Для выполнения передачи PLCP переключает PMD из режима «прием» в режим «передача» и посылает элемент данных PPDU (PLCP Data Unit).
Физический уровень выполняет скремблирование, кодирование и чередование.
Передача сигналов по радиоканалу выполняется двумя методами: FHSS и DSSS. При этом используется дифференциальная фазовая модуляция DBPSK и DQPSK с применением кодов Баркера, комплементарных кодов (CCK – Complementary Code Keying) и технологии двойного сверточного кодирования (Packet Binary Convolutional Coding – PBCC).
Wi-Fi 802.11g на скорости 1 – 2 Мбит/с использует модуляцию DBPSK. При скорости передачи 2 Мбит/с используются тот же метод, что и при скорости 1 Мбит/с, однако для увеличения пропускной способности канала используется 4 разных значения фазы (0, π/2, 3π/4, π) для фазовой модуляции несущей.
Протокол 802.11b, использует дополнительно скорости передачи 5,5 и 11 Мбит/с. На этих скоростях передачи вместо кодов Баркера используются комплементарные коды CCK.
Технология Wi-Fi использует метод доступа к сети CSMA/CA, в котором для снижения вероятности коллизий приняты следующие принципы:
прежде чем станция начнет передачу, она сообщает, как долго она будет занимать канал связи;
следующая станция не может начать передачу, пока не истечет зарезервированное ранее время;
участники сети не знают, принят ли их сигнал, пока не получат подтверждение об этом;
если две станции начали работать одновременно. Они смогут узнать об этом только по тому факту, что не получают подтверждение о приёме; если подтверждение не получено, участники сети выжидают случайный промежуток времени, чтобы начать повторную передачу.
Дальность связи средствами Wi-Fi сильно зависит от условий распространения электромагнитных волн, типа антенны и мощности передатчика. Типовые значения, указываемые изготовителями Wi-Fi оборудования, составляют 100 – 200 м в помещении и до нескольких километров на открытой местности с применением внешней антенны и при мощности передатчика 50 – 100 мВт. Вместе с тем, по сообщению германского еженедельника «Cot-puterwoche» во время соревнований по дальности связи была зафиксирована связь на расстоянии 89 км с применением стандартного оборудования Wi-Fi стандарта IEEE 802.11b (2,4 ГГц) и спутниковых антенн. В книге рекордов Гиннеса зафиксирована также Wi-Fi связь на расстоянии 310 км с применением антенн, поднятых на большую высоту с помощью воздушных шаров.
4 Технология FSO
Существующие системы радиосвязи имеют низкую скорость передачи данных, плохо защищены от помех и обнаружения. Чтобы не сталкиваться с проблемами радиосвязей используют атмосферные оптические линии связи (АЛОС; FSO – Free Space Optics).
Передача данных происходит не по радиоволнам, а по лучами, которые находятся в ближнем инфракрасном диапазоне волн 780 – 850 нм и 1520 – 1600 нм.
На длине волны 780 нм применяют лазеры, использующиеся в CD-приводах, однако при проектировании систем надо иметь ввиду их срок службы. В районе длины волны 850 нм очень распространены высокоскоростные приемные и передающие компоненты, обычно применяемые в сетях и передающем оборудовании. В таком диапазоне могут применятся высокочувствительные кремниевые лавинные фотодиоды и лазеры с вертикальной излучающей поверхностью. Одной из проблем являются возможность перехвата излучения с помощью приборов ночного видения, хотя считывание сигнала таким путём невозможен.
Волны с диапазоном 1520 – 1600 нм сочетают малое затухание и высокое качество электронных компонентов, что позволяет создать FSO-системы с волновым мультиплексированием. Отличаются такие FSO-системы высокой ценой, меньшей чувствительностью, малыми размерами приёмной площадки по сравнению с приемниками на кремниевых лавинных фотодиодах. Данный диапазон применяется в волоконно-оптических системах при работе на дальние расстояния, а также на них работают эрбиевые усилители, что обязательно для образования мощных (>500 мВт) и высокоскоростных (>2,5 Гбит/с) системах. Излучение данных длин волн нельзя перехватить с помощью приборов ночного видения[5].
Из-за использования атмосферными оптическими системами и волоконно-оптическими системами волн инфракрасного диапазона и имеют одинаковые возможности по полосе передачи, FSO-системы часто называют без волоконной оптикой (беспроводной оптической связью).
Преимущества FSO-систем являются:
«прозрачность» для большинства сетевых протоколов;
высокая скорость передачи данных;
высокое качество связи;
подключение приёмопередатчика к сети передачи данных при помощи кабельных и оптоволоконных устройств сопряжения;
отсутствие необходимости получения разрешений на использование;
быстрое развитие;
низкая цена
Недостатки FSO-систем:
невозможность качественной передачи данных при плохой погоде;
важность точного прицеливание приёмника и передатчика;
короткая дальность связи;
Заключение
В реферате рассмотрены беспроводные технологии в системах автоматизации и особое внимание уделено применению их в АСУ ТП. В частности, показано применение технологии Bluetooth в системах автоматизации с использованием ПЛК. Проведен анализ использования технологии Wi-Fi в современных системах передачи информации и связи. Например, для передачи информации от движущихся частей механизмов; если нельзя сверлить стены; на большом складе, где компьютер нужно носить с собой.
Беспроводная технология имеет гибкую архитектуру, требует малых затрат при их установке и обслуживании. Поэтому возможность использования беспроводных информационных систем автоматизированного управления значительно повышает качество управления, снижает себестоимость продукции за счет снижения затрат на кабельную продукцию.
Список литературы
Ивашин В. П.Беспроводная сеть сбора и передачи измерительной информации в АСУТП: учебное пособие / Ившин В.П., Казанский национальный исследовательский технологический университет: 2016. – Режим доступа: https://www.iprbookshop.ru/epd-reader?publicationId=61960
Шишов О. В. Современные средства АСУ ТП: учебник / Шишов О.В., Инфра-Инженерия: 2021. – Режим доступа: https://www.iprbookshop.ru/epd-reader?publicationId=115172
ZigBee specification. Document 053474r13. - ZigBee Standards Organization, Dec. 1, 2006. - 534 p. URL: http://www.olmicrowaves.com/menucontents/designsupport/zigbee/1171625602_ZigBee-Specification-2006-r13.pdf
Принципы работы FSO-систем (перевод ООО «МОСТКОМ») // ООО «Мостком». – 2003. URL: http://www.moctkom.ru/articles/fso-osa/fso-osa.htm
Чепусов Е.Н., Шаронин С.Г. Лазерная связь – ещё один способ беспроводной связи // Связь Комплект. – 1997-2013. URL: https://www.osp.ru/nets/1996/09/142000