Kateri radijski standardi poganjajo industrijo 4.0? Pri prehodu na industrijo 4.0 prihajajo poleg gigabitnih napeljav v industrijska okolja vedno bolj tudi radijske tehnologije. Standardi so se zelo razvili, tako da so tudi največji kritiki, znani po izjavah »Naš sistem mora delovati – radio ni dovolj zanesljiv«, prisiljeni k premisleku. Vprašanje ni več »ali«, ampak »kako« in »do kdaj« izvesti integracijo radijskih tehnologij. Tukaj so najpomembnejši odgovori
Področje I: Blizu obdelovanca, vendar prilagodljivo, samozadostno in brez vzdrževanja
Na novih proizvodnih linijah se pojavljajo prva tipala in pogoni, ki delujejo brez kablov ter drsnih kontaktov. Ker jih je mogoče uporabljati prilagodljivo, omogočajo povsem nove proizvodne postopke. Doslej so bile prazne baterije, zaradi katerih se je proizvodnja ustavila, najpogostejši argument proti takšnim rešitvam, zdaj pa imamo tudi preverjena energetsko neodvisna tipala in pogone. Ti delujejo tako, da z enotami za pridobivanje energije iz okolja (angl. Energy Harvesting) pretvarjajo kinetično energijo, svetlobo iz okolja ali razlike v temperaturi v dovolj električne energije, da lahko zanesljivo pošiljajo podatkovne pakete po radijskih povezavah kratkega dosega na razdaljah do nekaj sto metrov. Vgrajeni hranilnik energije zagotavlja večtedensko nemoteno delovanje tudi v času, ko iz okolja ni mogoče pridobiti dovolj energije. Za povezovanje tipal in pogonov v omrežja so poleg podgigaherčnega protokola EnOcean na voljo še Bluetooth 5 in ZigBee 3.0 v frekvenčnem pasu 2,4 GHz.
Združenje ZigBee Alliance se je očitno učilo iz svojih preteklih napak. Različica 3.0 je bila odlično sprejeta v sistemih Amazon Echo, Philips Hue, Ikea Trädfri in Osram Lightfy, na podlagi svojih specifikacij pa tudi v industriji. Za pridobivanje energije iz okolja skupaj s komunikacijo ZigBee je na voljo usklajena kombinacija enot EnOcean. Radijska enota (enako kot radijski sklad) temelji na polprevodnikih podjetja Nordic Semiconductor.
Za preproste povezave P2P ali interakcijo s pametnim telefonom ali tabličnim ali prenosnim računalnikom je mogoča tudi povsem energetsko neodvisna uporaba tehnologije Bluetooth.
Če si želite večjega dosega ali zaradi načrta uporabe frekvenc na zemljišču tovarne ne smete uporabljati frekvenčnega pasu 2,4 GHz, vam je s protokolom EnOcean iz združenja EnOcean Alliance na voljo preverjena alternativa. Tudi tukaj lahko uporabljate enote za pretvarjanje energije in radijsko komunikacijo EnOcean. Podjetje Rutronik je distributer tako za podjetje EnOcean GmbH in združenje EnOcean kot tudi za podjetje Nordic Semiconductor. To pomeni, da lahko razvijalcem tudi pri prilagoditvah programske opreme in bolj zapletenih težavah zagotovi celovito podporo s strani obeh podjetij.
Področje II: Stalno sprejemanje – popolno mreženje v proizvodni hali
Rešitev, ki odlično povezuje tipalo ali pogon s prehodom, razdelilnikom ali robno računalniško enoto, saj ne potrebuje vzdrževanja in ni vezana na enega proizvajalca, lahko pri večjih in bolj kompleksnih omrežjih hitro naleti na omejitve. Zlasti pri mrežastih omrežjih brez časovne sinhronizacije mora vsako radijsko vozlišče stalno sprejemati podatke, da lahko sprejme prihajajoče podatkovne pakete in jih pravočasno obdela. To pa zahteva trajne in močnejše vire energije. Pri stacionarnih radijskih vozliščih so primerni ožičeni napajalniki, za »lebdeča« vozlišča pa je premična alternativa tehnologija polnjenja Airfuel, ki dopušča bistveno več svobode kot tehnologija Qi. Najboljši kompromis za različne zahteve je največkrat klasična baterija.
Številni radijski standardi, kot so Bluetooth Mesh, WiFi Mesh in ANT BLAZE, so izšli iz zvezdaste topologije, zadnja leta pa ponujajo tudi mrežaste topologije. Tehnologije ZigBee, Threat in še nekaj drugih pa so že od začetka v celoti namenjene za komunikacijo v mreži. Rešitve za mrežasta omrežja WiFi praktično ne morejo delovati brez fiksnega napajanja, vsi drugi navedeni sistemi pa lahko z enim polnjenjem baterije delujejo več mesecev.
Za razliko od gospodinjstev, kjer tehnologija ZigBee krmili svetilke LED, kaže, da bo tehnologija Bluetooth Mesh brez usmerjevalnikov postala merilo za rešitve za razsvetljavo v industriji: v skladiščih, proizvodnih halah, odprtih pisarnah in na hodnikih. Za razliko od običajnega ciljnega usmerjanja podatkovnih paketov se tukaj uporablja prelivanje podatkov za posebno hitro odzivanje in prehode skozi omrežje. Pametne telefone in podobno je mogoče kljub temu povezati v omrežje, kar je dodatna velika prednost pred drugimi radijskimi standardi, ki morajo svojo pot do opreme IT najti skozi usmerjevalnike.
Tehnologijo Bluetooth Mesh velja razumeti kot vmesni sloj, ki ga je mogoče teoretično izvesti na vseh strojnih napravah Bluetooth 4.0. Vseeno pa je zaradi najnovejše cenovne zgradbe združenja Bluetooth Special Interest Group smiselno, da za na novo razvite sisteme uporabimo sodobno strojno opremo Bluetooth 5 ali 5.1. Podjetje Rutronik ponuja polprevodnike skupaj z ustreznimi protokolnimi skladi podjetij STMicroelectronics, Redpine Signals, Nordic Semiconductor in Toshiba. Tisti, ki dajejo prednost rešitvam z vgrajenimi visokofrekvenčnimi vezji in že pridobljenimi certifikati, lahko izbirajo med enotami Bluetooth Mesh podjetij Insight SiP, Garmin, Panasonic, Murata, Telit, Fujitsu, Minew in Redpine Signals.
Področje III: Tesne povezave tudi na malo večjih razdaljah
Pri pretovoru, na primer v logističnih središčih, pristaniščih in na železniških postajah, so prva izbira radijske tehnologije z dolgim dosegom. Med tehnologijami, ki uporabljajo javne frekvenčne pasove ISM, kjer niso potrebna dovoljenja, se je v večini srednjeevropskih držav uveljavila tehnologija LoRa. Zlasti Francija in Nizozemska stavita zaradi dobro zgrajenega omrežja pretežno na tehnologijo Sigfox.
Leta 2019 pa se je začel trend obračati: Deloma, odvisno od regije in načina uporabe, sta se močno uveljavili kategoriji 4G Cat-M1 in Cat-NB1; prvi preizkusni sistemi so že prešli v množično proizvodnjo. Tehnologija LTE-M je idealna za aplikacije s sledenjem in preklapljanjem med celicami, LTE-NB1 pa še dodatno zmanjša porabo energije.
V številnih državah narekuje izbiro mobilne radijske tehnologije z nizko porabo predvsem omrežna infrastruktura. Nemški ponudniki mobilne telefonije so trenutno očitno osredotočeni na trg odčitavanja števcev. Ker se vgrajeni števci električne energije, plina ali vode ne premikajo, med povezavo tudi ni treba preklapljati med celicami mobilnega omrežja. Ponudniki v drugih državah stavijo bolj na določanje položaja premičnin, zato so se osredotočili na izgradnjo kategorije M1. Večina proizvajalcev mobilnih radijskih naprav podpira obe omrežji, podjetje Rutronik pa ponuja rešitve podjetij Telit, Nordic Semiconductor, Murata, Telic, Advantech, kmalu pa tudi drugih franšiznih partnerjev.
Tako kot enote 2G, 3G in klasične enote 4G so tudi sprejemno-oddajne enote LTE-M1 pogosto kombinirane s sistemom globalne satelitske navigacije (angl. Global Navigation Satellite System – GNSS), ker ciljajo na nadzor položaja ter premikanja zabojnikov, vozil, blaga z visoko ceno, ljudi in živali. Tukaj je treba vedno določati položaj in ga pošiljati v mobilnem radijskem omrežju. Pred nekaj leti navigacijski sistemi GPS skoraj niso imeli konkurence. Z ruskim sistemom Glonass in kitajskim sistemom Beidou smo dobili alternative GNSS, ki pa tehnično niso dosegle ameriškega sistema. Preboj evropskega sistema Galileo se je začel leta 2019 in ga že nekaj časa uspešno uporabljajo milijoni pametnih telefonov. Sredi leta 2019 je bila sprejeta odločitev, da bo brezplačno omogočena večja točnost določanja položaja, tako da je sistem Galileo zdaj pred sistemom GPS glede brezplačno uporabnih podatkov v sloju L1. Sistem Galileo je tudi edini, ki ponuja funkcijo overjanja. To omogoča preverjanje, ali prejeti signali dejansko prihajajo iz sistema Galileo in ne iz ponarejenega oddajnika. Prav tako je Galileo edini civilni sistem z demokratičnim upravljanjem. Kljub temu pa lahko skoraj vsem uporabnikom svetujemo, da stavijo na čim več vzporednih sistemov hkrati. Večina sodobnih sprejemnikov za več sistemov GNSS namreč deluje hitreje, varčneje in točneje z večjim številom satelitov. Pri tem pa je treba biti pripravljen na prihodnje spremembe in imeti sposobnost odzivanja na morebitne izpade sistemov. Za spreminjanje nastavitev v vgrajeni programski opremi lahko uporabimo modem NB1 ali M1, vgrajen v enoti.
Pri načinih uporabe, kjer kombiniramo GNSS s tehnologijami LoRa, Sigfox, WiFi ali Bluetooth, moramo paziti, da ima gostiteljski krmilnik ustrezno možnost dostopa do obratovalnega načina enote GNSS. Največkrat zadostuje za nastavitev uporabljenih in zanemarjenih sistemov že ukaz NMEA. To funkcijo za daljinsko upravljanje je treba vedno izvesti ročno in ima lahko v najslabšem primeru uničujoče posledice, po drugi strani pa tudi rešuje življenja ter posle.
Procesna raven: Dobrodošli v 6. generaciji omrežij WiFi
Na procesni ravni se združijo vse informacije posameznih delovnih postaj. Pogosto se s tipalom pridobljeni podatki na ravni posameznih naprav sploh ne obdelujejo. Da lahko iz njih pridobimo informacije, je potrebna najmanj ena stopnja predhodne obdelave podatkov. Za nekatere načine uporabe je ugodno, če lahko primerjamo več vzporedno prispelih podatkov iz posameznih naprav. To omogoča uporabo bolj zapletenih algoritmov za iskanje ujemanja z vzorci (angl. Pattern Matching), ki ne izvajajo le primerjav s statičnimi vzorci, ampak se morajo ves čas prilagajati tudi referenci. Za takšne in podobne računsko intenzivne naloge se največkrat uporabljajo zmogljivejši sistemi s procesorji x86.
Tudi tukaj kaže trend k medsebojnemu povezovanju, na sistemski ravni pa k brezžičnim tehnologijam. 6. generacija WiFi ni le hitrejša od prejšnjih, ampak jo odlikuje tudi boljše upravljanje povezav z udeleženci, kar je še posebej pomembno pri profesionalni uporabi. Dodaten argument je boljša porazdelitev frekvenc glede na prihajajoča omrežja 5G. Podjetje Rutronik je tehnološki partner podjetja Intel in lahko zato svojim strankam že od začetka ponudi tržno zrele rešitve WiFi 6. Zlasti veliko je povpraševanje po razširitvenih karticah M.2 za industrijske osebne računalnike, računalnike z zaslonom na dotik in NUC.
Sistemska raven: Pomembne so krajevne razmere
Izbira tehnologij na ravni sistema je močno odvisna od kompleksnosti in krajevnih posebnosti, na primer velikosti zemljišča ali načrta uporabe frekvenc v tovarni. Za manjša in dinamična podjetja lahko tudi tukaj ponudimo rešitve WiFi 6, za večja podjetja z zelo statičnimi napravami pa so (zaenkrat) primernejše ožičene rešitve. Ko bodo omrežja 5G razpoložljiva in cenovno dostopna, bo tudi tu čas za razmislek.
Raven obrata: Tukaj lahko uporabimo tudi prejšnjo generacijo
Pri komunikaciji med različnimi obrati se informacije prej stisnejo do te mere, da glede prenosne zmogljivosti in zakasnitev povsem zadostuje LTE – tudi za velike mednarodne poslovne sisteme. Če želite zaščititi žično spletno povezavo na svojem objektu, lahko že danes uporabite usmerjevalnik LTE, ki omogoča prenos ključnih kazalnikov o obratovanju v mobilnih omrežjih.
Če stavimo na raven posameznih naprav, kjer gre za podatke posameznih tipal največkrat nižjih kategorij LTE, lahko na ravni obrata uporabimo tudi tehnologijo LTE 6. ali višje kategorije. Poraba električne energije in cena modema sta tukaj praktično nepomembna, saj računalniki vedno delujejo z napajanjem iz električnega omrežja, uporabljamo pa tudi le malo modemov ali usmerjevalnikov LTE. Podjetja Telit, Telic in Advantech ponujajo rešitve, kot so razširitvene kartice, zunanji modemi ter usmerjevalniki. Celovita rešitev po meri vas lahko poveže na primer s strežnikom Intel ali Asus, ki je opremljen z modemom LTE Telit in kartico WiFi 6 Intel.
Dodatni trendi pri radijskih tehnologijah za avtomatizacijo
Dodatna tehnologija, ki po pametnih telefonih za končne stranke osvaja tudi industrijska okolja, je NFC. Tehnologija za frekvenčni pas 13,56 MHz zagotavlja zanesljiv prenos podatkov med aktivnim bralnikom in pasivnim odzivnikom, pa tudi med dvema aktivnima bralnikoma. Zaradi združljivosti s skoraj vsemi sodobnimi tabličnimi računalniki in pametnimi telefoni je na voljo poceni standardna strojna oprema, drage posebne naprave (na primer bralniki RFID) pa vedno pogosteje niso več potrebne. Poleg manjših stroškov za strojno opremo to pomeni tudi prednosti pri programiranju.
Če želite uporabljati RFID za večje razdalje ali hkrati odčitavati več odzivnikov, morate preklopiti na drugo frekvenco ali preučiti aktivne sisteme. Tu odzivnikov ne napaja elektromagnetno polje bralnika in ne komunicirajo s povratnim sklopom obremenitve, ampak imajo lastno napajanje (praviloma baterijo ali sončno celico) in komunicirajo v frekvenčnem pasu 2,4 GHz z radijskim protokolom Bluetooth ali podobnim lastniškim radijskim protokolom.
Če nimamo možnosti trajnega ožičenja ali pridobivanja energije iz okolja in baterijo naglo izpraznijo tudi varčne radijske povezave, kot je Bluetooth Low Energy, se vse več industrijskih aplikacij zanaša na protokol ANT. V kratkem pričakujemo prva tipala za natančno določanje razdalje na podlagi časa preleta signala, ki potrebujejo posebno malo energije. Protokol ANT je ob tem tovarniško na voljo v številnih pametnih telefonih Android in lahko z večprotokolnimi rešitvami SoC brez dodatnih stroškov za strojno opremo podatke prenaša tudi v omrežja Bluetooth.
»Inovacije v avtomatizaciji« pomenijo tudi uporabo najnovejših radijskih tehnologij
Serija spletnih seminarjev »Inovacije v avtomatizaciji« zagotavljajo informativne videoposnetke na zahtevo, ki jih pripravljajo vodilni proizvajalci elektronskih komponent za industrijo 4.0. Predstavljajo rešitve za prihodnje sisteme, glavne teme so umetna inteligenca, robotika in omrežja. Seminarji vključujejo tudi predstavitev podjetja Telit, ponudnika mobilnih komunikacij, rešitev SIM M2M, upravljanja naprav IoT in radijskih tehnologij kratkega dosega, ter podjetja Intel, proizvajalca rešitev WiFi 6. Za dostop do videoposnetkov seminarjev se registrirajte na naslovu www.rutronik.com/iia
