ПРЕСС-ЦЕНТР

Беспроводные технологии находят применение в приложениях автоматизации производства

МКА 6/2004

Технологический прогресс обещает превратить прокладку кабелей в дела давно минувших дней. Всё больше и больше предприятий и организаций применяют или планирует применить решения на основе беспроводных технологий. Предлагаемый обзор подготовлен по материалам журналов CONTROL, Control Engineering, МКА и сайтов компаний "РТСофт", ABB, Citect, Datastream.

Компания Intel дала прогноз, что к 2010 году в соответствии с законами развития и благодаря внедрению передовых технологий рынок России в области компьютерных технологий и телекоммуникаций станет самым крупным в Европе. Существует мнение, что при создании телекоммуникационной инфраструктуры стран третьего мира целесообразнее сразу внедрять беспроводную передачу данных. Таким образом, пропускается этап прокладки дорогих информационных магистралей. Примеры внедрения технологий Wi-Fi в таких странах уже существуют. В частности, в Бутане беспроводная связь соединяет две деревни, одна из которых находится в горах, а вторая на равнине. Кроме горных условий, радиосвязь удобна и на морских просторах. Индонезия выбирает Wi-Fi для связи с разными островами, на которых преимущественно и расположено всё это государство. Прокладка подводного кабеля обошлась бы несравнимо дороже, а террористы, пираты и акулы значительно затрудняли бы обслуживание каналов. В Ирландии также ведутся работы по развитию беспроводной сети, которая охватит удалённые населённые пункты. Беспроводные соединения (связь Wi-Fi) является альтернативой проводной связи DSL и для российского рынка телекоммуникаций. Поэтому в нашей стране разработчики решений в области телекоммуникаций и информационных систем в последнее время особое внимание уделяют беспроводным технологиям.

Соответственно, распространение получают устройства, оснащённые сенсорным экраном и предназначенные для работы с сетевыми или Интернет-приложениями через беспроводные соединения, обеспечивающие высокоскоростной доступ к базам данных. Такие технологии уже используются на различных вертикальных рынках, включая здравоохранение, банковскую и страховую деятельность, в торговле, в гостиничном и развлекательном бизнесе, образовании.

Также и бытовой сфере беспроводные системы постепенно становятся тенденцией. Например, почти все известные зарубежные производители домашних охранных систем выпускают беспроводные версии, поскольку в проводных системах конкуренция привела к минимальной прибыли. Производители также учитывают, что в Европе и США потребители ценят домашний интерьер, не любят расползающиеся по стенам провода, а потому делают выбор в пользу беспроводных версий.

Широкое применение беспроводные технологии нашли в автоматизации складской деятельности. Например, автоматизированная система контроля дистрибуции готовой продукции может обеспечивать сквозной контроль поставок готовой продукции предприятия пищевой отрасли. Основанная на технологии штрихового кодирования, система хранит в централизованной базе данных уникальные идентификационные номера всех коробок и паллет. Всё это даёт возможность по номеру заказа, коду конечного потребителя, идентификационным номерам и даже по номеру складского погрузчика безошибочно определять, когда была произведена, кому продана и куда отправлена каждая упаковка. Такие решения могут быть интегрированы с подсистемой финансового учёта заказов потребителей.

Что касается промышленности, то в области управления производством уже сейчас компании начинают применять беспроводные технологии в своей работе. В дальнейшем в этой области прогнозируется бурное развитие беспроводных технологий, так как для этого уже давно разработаны технологии и элементная база всех уровней автоматизации производства, начиная с низовой автоматики, SCADA-систем и заканчивая уровнем ERP-систем.

Скажем, простои автоматизированных конвейеров и технологических линий в основном вызваны обрывом кабелей, поэтому использование беспроводной технологии может существенно повысить их надёжность. И такие разработки уже есть. Например, автоматизированный конвейер можно оснастить беспроводными датчиками (см. врезку "Беспроводные датчиковые сети"), передающими информацию на центральный компьютер не по многожильному кабелю, а в виде радиосигналов. Электропитание в этом случае подаётся на датчики тоже не по кабелю, а за счёт преобразования энергии электромагнитного поля. Например, концерн ABB в сотрудничестве с консорциумом Bluetooth разработал беспроводные датчики приближения для роботов.

Различные беспроводные протоколы и методы, применяемые в SCADA-системах, выросли и до сих пор ассоциируются с разнообразными методами радиочастотных (RF) технологий. Они включают традиционные радиостанции, сотовые телефоны и, совсем недавно, переносные персональные компьютеры, карманные компьютеры или другие мобильные Web-браузеры, подключаемые через специальные протоколы (среди которых наиболее известен Bluetooth) к локальной сети.

Ранее в SCADA-системах небольшие порции данных получали от большого числа удалённых объектов на низкой скорости (до 1200 бит/с). Современные же системы SCADA имеют большую вычислительную мощность и сложность. Возросший объём данных и количество функций управления требуют и больших скоростей, поэтому системы передачи модернизируются до скорости 9600 бит/с и более. Как правило, системы SCADA рассчитаны на долгий срок эксплуатации 10 лет и более, и все составляющие должны удовлетворять жёстким условиям эксплуатации. Основные компоненты любой SCADA-системы это прежде всего головной компьютер и программное приложение, управляющее удалёнными терминалами (RTU Remote Terminal Unit) или измерительными устройствами. Приложение должно иметь возможность периодически соединяться для обмена данными с каждым управляемым устройством или датчиком. Обычно это осуществляется с помощью стандартного протокола, подходящего для конкретного приложения. Период времени, в течение которого должны состояться обмены данными со всеми устройствами системы, часто бывает очень коротким. Одна из наиболее сложных частей SCADA-системы это система передачи, соединяющая головной компьютер со всеми контролируемыми устройствами. Она может включать модемы для передачи данных по аналоговым линиям, а также наземные и беспроводные цифровые каналы связи. Средства связи часто представляют собой основную статью ежемесячных расходов, если они не принадлежат компании, эксплуатирующей SCADA-систему, а арендуются у операторов публичных сетей передачи данных.

Многие беспроводные протоколы определяются и поддерживаются институтом инженеров по электронике и электричеству (IEEE) как часть стандарта 802. Некоторые стандарты беспроводных коммуникаций, среди которых Bluetooth, Wireless Application Protocol (WAP) и and Third-Generation (3G), выросли из сотовой связи. Несколько инициатив по созданию промышленных беспроводных стандартов, таких как Wireless DeviceNet, являются расширением традиционных стандартов полевых шин, тогда как другие служат для более специфических приложений, позволяя осуществлять беспроводную радиочастотную идентификацию (RFID) и считывая штрих-коды.

И в проводных, и в беспроводных сетях наблюдаются дефекты передачи сигналов и снижение пропускной способности, когда их коммуникационные сети переполняются устройствами, повышаются скорости передачи данных или появляются новые источники помех. Однако эти и некоторые другие физические барьеры в беспроводных устройствах зачастую могут преодолеваться. Поэтому и растёт интерес к применению беспроводных технологий в SCADA-приложениях.

Также зачастую требуется решить задачу удалённого доступа к данным SCADA-системы. В настоящее время существует множество видов переносных устройств, которые могут быть использованы для беспроводного доступа к SCADA-системе, такие как переносные персональные компьютеры, карманные компьютеры и сотовые телефоны. Например, корпорация Citect предлагает программное обеспечение CitectSCADA Pocket для карманных компьютеров. Разработанное как дополнение к CitectSCADA оно расширяет возможности работы со SCADA-системой Citect, предоставляя оператору удобный беспроводной интерфейс. Применение CitectSCADA Pocket позволяет операторам быть мобильными и уделять больше внимания другим задачам предприятия, но при этом своевременно получать информацию обо всех событиях в реальном масштабе времени. Инструментарий CitectSCADA Pocket может быть полезен не только операторам, но также и руководителям (оперативная информация о внештатных ситуациях в рабочее и нерабочее время), обслуживающему персоналу (быстрая диагностика возникающих проблем) и инженерам (экономия времени и средств при вводе управляющих сигналов).

ПО CitectSCADA Pocket позволяет отображать значение любой переменной независимо от её типа в реальном масштабе времени; отображать алармы и тренды в реальном масштабе времени, а также архив алармов. Помимо этого можно вводить значения переменных.

Продукт CitectSCADA Pocket поставляется в составе пакета CitectSCADA версии 5.5 и выше и позволяет обеспечить вывод всех необходимых данных из CitectSCADA на экран карманного компьютера. Решение CitectSCADAPocket может использоваться на практически любом карманном компьютере, базирующемся на операционной системе PocketPC2002 и среде Microsoft .NET Compact Framework.

Что касается перспектив различных устройств беспроводного доступа, то развитие идёт в направлении стирания различий между портативными персональными компьютерами и сотовыми телефонами. "Производители портативных персональных компьютеров (включая карманные) начинают ощущать усиливающееся давление смартфонов и усовершенствованных мобильных телефонов, продажи портативных персональных компьютеров сокращаются", так указано в отчёте Gartner Group за 2003 год. Конечно, граница между портативными персональными компьютерами и смартфонами едва различима, но суть в том, что в будущем мобильные беспроводные устройства будут, скорее всего, выглядеть как сотовые телефоны, а не как портативные персональные компьютеры.

В ближайшем будущем смартфоны будут иметь такие встроенные возможности, как глобальное позиционирование, нанесение меток RFID, запись видео, оцифровка изображений, web-доступ через браузер, e-mail и доступ в корпоративный Интранет через виртуальные частные сети (VPN virtual private network).

Недавно рядом компаний была представлена другая ключевая возможность считывание отпечатков пальцев. Смартфоны этих компаний имеют встроенную функциональность распознавания отпечатков пальцев.

Все вышеперечисленные возможности (за исключением распознавания отпечатков пальцев и нанесения меток RFID) могут быть и в тех смартфонах и портативных персональных компьютерах, которые уже продаются в ближайшем магазине сотовой связи, но ни одно из этих устройств не сочетает все возможности.

Учитывая тенденции развития техники и экономические стимулы, вскоре вполне возможно будет снабдить каждого работника предприятия смартфоном долларов за сто или даже меньше со всеми вышеперечисленными возможностями. И тогда SCADA-приложения будут ограничены только воображением сообщества пользователей.

В случае если SCADA-системой обнаруживается какая-то проблема, инженер по эксплуатации может быть извещён через смартфон сигналом определённого тона, обозначающим появление проблемы на предприятии. Затем голосовое сообщение или e-mail проинформирует инженера о сути проблемы.

Далее инженер может войти в корпоративный Интранет через VPN компании. Безопасность будет обеспечена встроенным считывателем отпечатков пальцев, программное обеспечение для проверки прав доступа получит отпечаток пальцев и автоматически сконфигурирует параметры входа в локальную сеть Интранет, обеспечивая инженеру доступ к SCADA-системе.

Соответственно, информация, отображаемая на экране смартфона, будет мало отличаться от той, что мы увидим на основном экране интерфейса SCADA-системы.

Применение беспроводных технологий актуально в SCADA-системах для удалённого контроля и мониторинга систем водоснабжения, уровня в резервуарах или ёмкостях на нефтебазах, состояния в горнодобывающей промышленности и многих других отраслях.

Использование беспроводных технологий перспективно не только в SCADA-системах. Их значимость возрастает и для приложений уровней MES и ERP. Многие системы управления производственными фондами (EAM) включают программные продукты, поддерживающие возможность беспроводного доступа к базам данных сервера этой системы. Например, приложение Datastream 7i Phone обеспечивает связь с базой данных EAM-системы Datastream 7i. Программное обеспечение через Web-сервисы загружается на мобильный телефон, поддерживающий язык Java. Затем телефон через Интернет соединяется с Datastream 7i для обмена данными. В ходе двусторонней синхронизации происходит передача новых данных и обновление информации, введённой через интерфейс телефона. Приложение Datastream 7i Phone идеально подходит для тех должностных лиц, работа которых связана с частыми перемещениями и которым не требуется доступ ко всей функциональности системы.

Необходимо также отметить возможности инструментария радиочастотной идентификации (RFID) для организации мобильного доступа к информации о состоянии основных фондов в реальном времени, т.е. RFID может стать мощным инструментом для систем управления основными фондами

В заключение отметим, что управление производством с использованием беспроводных технологий является способом повышения эффективности и обеспечения надёжности функционирования всех технологических линий и производственных участков. Кроме несомненной экономии средств, улучшается также и качество производимой продукции, поскольку онлайновый контроль может осуществляться в любое время и из любого места. Однако, несмотря на то, что использование беспроводных технологий вполне возможно и желательно, и может решить ряд ключевых проблем, не должно возникать противопоставления "или-или" проводные и беспроводные технологии будут сосуществовать. Таким образом, беспроводные технологии не заменяют кабели и ряд других видов оборудования, а скорее дополняют его там, где демонстрируют эффективность и помогают сократить издержки, не жертвуя при этом надёжностью и безопасностью.

"Беспроводные датчиковые сети"

В соответствии с прогнозами аналитической фирмы ON World (Сан-Диего, США), к 2010 году доходность рынка беспроводных датчиковых сетей возрастёт в 50 раз, достигнув 7 млрд долларов. Несмотря на то, что цифра в 7 млрд долларов, с точки зрения бизнес-прессы, основ не потрясает, темпы роста и прикладной потенциал этого рынка заслуживают внимания.

Уже появился термин smart dust "интеллектуальная пыль". Он подразумевает специальные сети, состоящие из крошечных, порядка одного кубического миллиметра, датчиков, разбросанных, по всему пространству, например, заводского цеха, и посылающих по беспроводной связи необходимую информацию, например, о температуре или давлении. Ими можно "усыпать" грудную клетку пациента, чтобы следить за его сердечным ритмом и кровяным давлением. Возможных применений масса. Широчайшие возможности таких сетей пока лишь обсуждаются.

И пусть "интеллектуальная пыль" сверхмалые, сверхэкономичные датчики, которые устанавливаются быстро и дёшево и помогают оценить готовность к посевной, оповестить о химической атаке или отследить нарушение границы, появятся ещё не скоро, ячеистые сети современных экономичных датчиков будут широко доступны в ближайшие годы. По оценкам аналитиков, микросхема со встроенным радиопередатчиком, стандартными алгоритмами обработки данных и датчиковым интерфейсом будет стоить от 50 до 75 долларов. Слишком дорого для "интеллектуальной пыли", но вполне допустимо для многих приложений промышленной автоматизации и управления жизнеобеспечением зданий. Особенно если учесть стоимость прокладки проводов, гибкость реконфигурирования прикладных систем и возможность в случае необходимости установки дополнительных датчиков.

Одной из разрешающих технологий для организации беспроводной связи в промышленных приложениях является протокол ZigBee. Он продвигается альянсом ZigBee и предназначен для низкоскоростной передачи по беспроводной сети маломощных информационных сигналов в приложениях удалённого мониторинга и управления. Он определяет сетевой, защитный и прикладной уровни и базируется на стандарте IEEE 802.15.4, в соответствии с которым строятся физический уровень и уровень управления доступом к передающей среде.

По скоростным характеристикам ZigBee уступает другим стандартам беспроводной связи, особенно Bluetooth и WiFi, которые оптимизированы для передачи речевой и графической информации. Однако благодаря экономичности и большому количеству легко подключаемых узлов, ZigBee оптимально подходит для большинства систем промышленного мониторинга и управления (см. табл). Другие упомянутые протоколы не соперничают с ZigBee, а, скорее, дополняют его.

Например, при мониторинге работы электродвигателя прямо в заводском цеху можно собирать простую информацию с десятка датчиков и пересылать её по узкополосному радиоканалу. В этом случае необходим только шлюз, преобразующий эту информацию из стандарта IEEE 802.15.4 в стандарт IEEE 802.11. Таким способом можно получать информацию от датчиков с батарейным питанием и передавать её устройству WiFi с питанием от электросети.

Чтобы это стало реальностью и "интеллектуальная пыль" стала массовым рынком, необходимо срок жизни батареек, питающих сотни датчиков, продлить лет до 10 и преодолеть взаимные помехи от используемых технологий радиосвязи. Многочисленные работы по этим направлениям, ведутся. Уже есть решения, которые находятся в стадии испытаний и первых опытных образцов.

Как сказал один из менеджеров американской компании Dresser Instruments, "революции ещё нет, но идея уже витает повсюду".