Постоянное развитие быстрых, детерминированных и надежных беспроводных сетей в промышленной среде стало решающим фактором в реализации Industry 4.0 и концепции промышленного Интернета вещей (IIoT) в течение последнего десятилетия. Промышленные коммуникации сделали еще один шаг вперед с появлением беспроводных технологий IEEE 802.11ax и 5G для использования в промышленных средах.
Прошло более 20 лет с тех пор, как IEEE впервые утвердила оригинальный стандарт беспроводной связи IEEE 802.11, за которым вскоре последовали версии IEEE 802.11a, b и g, большинство из которых были разработаны для офисных и домашних приложений под брендом «Wi-Fi».
Стандарт IEEE 802.11 «Wi-Fi» был впервые представлен в 1997 году. Сегодня большинство современных промышленных предприятий уже частично, если не в основном, работают через промышленные беспроводные локальные сети (iWLAN).
В отличие от домашнего, офисного и общественного Wi-Fi, приложения iWLAN имеют более высокие требования к производительности, которые могут включать низкую задержку, детерминизм, чрезвычайную надежность, высокую безопасность или адаптацию к сложным радиочастотным средам.
Поэтому сейчас самое время оценить состояние дел в области промышленных беспроводных локальных сетей (iWLAN), поддерживающих производственные предприятия и связанные с ними логистические и складские комплексы (LAN означает локальная сеть).
Устранение задержек в беспроводных сетях для связи в реальном времени
Самым большим недостатком является задержка передачи данных, в основном из-за коллизий данных в сети iWLAN, которые требуют повторной передачи.
Слишком большое количество повторных передач одного и того же сообщения может привести к отслеживанию времени отклика системы управления и истечению единицы времени для безопасной передачи данных между датчиками и программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), что приведет к сбоям и, следовательно, прерыванию производства.
Это может стать особенно большой проблемой в роуминге. Время, необходимое блуждающему клиенту для переключения с одной точки доступа (AP) на другую во время беспроводной связи и повторного подключения к новой AP, которое может занять больше времени, если оно должно проходить через контроллер AP, также может привести к сбоям связи и снизить эффективность систем управления и безопасности.
Такие задержки могут даже вынудить техников управления добавлять единицы времени, чтобы учесть более длительные задержки, и жертвовать своими стандартами контроля и безопасности, чтобы сохранить производство.
Все изменилось с появлением стандарта IEEE 802.11n в 2009 году и IEEE 802.11ac в 2014 году. Оба стандарта на несколько порядков быстрее своих предшественников, а конкретные технологические разработки помогают обеспечить большую уверенность в приложениях (задержка составляет всего 17 миллисекунд).
Эта технология в достаточной степени сокращает, корректирует и распределяет циклы опроса между клиентами для минимизации задержек и обеспечения гораздо более быстрого роуминга. Вариант этого протокола был разработан специально для использования с постоянно движущимися узлами, такими как узлы на автоматизированных управляемых транспортных средствах (AGV) и кранах, для дальнейшего повышения производительности и сокращения времени роуминга до менее чем 50 мс.
Промышленные WLAN — это больше, чем просто точки доступа
Настройка iWLAN требует больше технических навыков, чем настройка Wi-Fi в вашем доме, офисе или кафе. Гостиницы, аэропорты и муниципалитеты могут быть более сложными из-за своих размеров, но на заводах беспроводная связь должна отвечать более строгим требованиям.
Вот еще два отличия.
- Отказоустойчивая надежность: В непромышленной среде потеря или повреждение данных во время передачи не всегда критичны, так как данные обычно могут быть повторно переданы без заметного влияния на получателя. Однако в промышленных условиях сбои в передаче данных могут поставить под угрозу управление технологическим процессом и безопасность, привести к простою оборудования, проблемам с качеством и травмам.
- Радиопомехи, затухание и отражения: В непромышленной среде различные источники радиочастотных (РЧ) помех, отражений и затухания, характерные для промышленной среды, обычно отсутствуют. Большие металлические машины неправильной формы, трубы, металлические настилы и алюминиевый прокат, двери, которые могут отражать радиочастотные волны, толстые бетонные стены или материалы, хранящиеся на полках, которые могут их блокировать, а также ряд других источников радиочастотных сигналов — RFID, соседние промышленные и офисные беспроводные локальные сети, и это лишь некоторые из них.
Возможности, предлагаемые сетями IEEE 802.11ax и 5G
Поскольку количество и плотность устройств IoT и IIoT продолжают расти, парадигма IEEE 802.11ax переводит Wi-Fi с теоретической пиковой скорости передачи данных на общую пропускную способность сети. IEEE 802.11ax увеличивает скорость до 10 Гбит/с по сравнению с IEEE 802.11ac, что на 37% больше.
Используя ортогональный множественный доступ с частотным разделением (OFDMA), заимствованный из технологии 4G LTE, IEEE 802.11ax повышает эффективность использования спектра настолько, что позволяет поддерживать миллион устройств на квадратный километр.
Промышленные сети 5G отличаются друг от друга
Они открывают возможность полного подключения к беспроводным сетям для широкого спектра новых приложений в производстве, техническом обслуживании и логистике.
Высокая скорость передачи данных, надежная и прочная широкополосная связь и сверхкороткие задержки повысят эффективность и гибкость производства, даже если все эти преимущества не будут доступны одновременно.
Промышленные сети 5G вызывают множество вопросов о том, как лучше всего реализовать новый стандарт связи. Некоторые компании, занимающиеся автоматизацией, имеют исследовательские группы 5G, работающие с органами по стандартизации, чтобы предоставить клиентам сети 5G, когда они будут готовы к полному развертыванию в промышленной среде.
В то же время, в зависимости от промышленного применения беспроводной сети, рекомендуется придерживаться стандартов Wi-Fi IEEE 802.11, а именно IEEE 802.11n, ac и ax.
Пришло ли время модернизировать промышленные беспроводные локальные сети?
Многие из используемых сегодня iWLAN могут быть реализованы с использованием технологий IEEE 802.11a, b, g или n, которым в некоторых случаях уже десять лет. Технические специалисты предприятий должны рассмотреть возможность сотрудничества с отраслевыми сетевыми экспертами и корпоративными ИТ-партнерами для оценки текущей модернизации — или, по крайней мере, модернизации.
Хотя 5G и IEEE 802.11ax — это будущее направление беспроводной связи, IEEE 802.11ac и IEEE 802.11n в настоящее время способны обеспечить высокую пропускную способность и низкую задержку, необходимые для промышленных приложений.
Например, IEEE 802.11ac может обеспечить пропускную способность, необходимую для видеоприложений, а IEEE 802.11n ценен для промышленных приложений MIMO (multiple-in, multiple-out).
Последний стандарт может поддерживать движущиеся автономные транспортные средства и мостовые краны, помогая справляться с изменяющимися отражениями радиочастотного сигнала при их движении.
Кроме того, в тех случаях, когда приоритет отдается детерминированным коммуникациям, таким как управление трафиком и безопасность, iWLAN может быть оптимизирована с помощью технологий, которые добавляют уверенности в промышленные беспроводные коммуникации.
Низкая задержка может повысить производительность периферийных вычислений, принести пользу технологиям виртуальной и дополненной реальности (VR/AR) для поддержки работников и обеспечить большую мобильность оборудования, машин, автономных машин и логистики.
Конечно, эти приложения более сложны и требуют более совершенных технологий передачи радиочастот для их поддержки. Поэтому тщательное проведение опросов на рабочих местах и другие передовые методы станут залогом успешного внедрения.
Рекомендации по применению
iWLAN требуют четкого понимания требований приложения и, следовательно, требуют тщательной технической поддержки для передачи радиочастотного сигнала.
В промышленных условиях часто присутствуют различные источники радиопомех, отражений и поглощений, которые могут вызывать различную степень ослабления и неравномерности радиоволн.
К ним относятся беспроводные локальные сети в соседних офисах, соседние системы iWLAN и RFID, металлические механизмы, трубы, полки и двери, толстые бетонные стены, жидкости и даже люди. Поэтому для успешного развертывания и эксплуатации iWLAN необходимо провести тщательное обследование объекта.
Целью исследования объекта является обеспечение адекватного покрытия сигнала для целевых устройств и приложений за счет оптимального расположения точек беспроводного доступа, соответствующего выбора канала и наилучшего соотношения сигнал/шум между точками беспроводного доступа и клиентскими устройствами.
Для исследования объекта потребуется план помещения, требования к скорости передачи данных приложения и инструменты для измерения отношения сигнал/шум и обнаружения других источников радиосигнала, например, программное обеспечение для исследования беспроводных сетей и анализатор радиочастотного спектра.
Если эти инструменты недоступны, на этом этапе проектирования iWLAN можно нанять экспертов со специализированным программным обеспечением и большим опытом обследования объектов.
Визуальный осмотр здания также необходим для проверки поэтажного плана, поскольку в первоначальный проект могут быть внесены значительные изменения, а также для документирования любых возможных источников ослабления, которые могут быть независимыми, например, полки с расходными материалами или оборудованием, машины и расходные материалы.
Спектральный анализ также должен проводиться с использованием соответствующих инструментов. На этом этапе можно определить, оборудовать и протестировать начальные места расположения точек доступа. Идеально подходят высокие места, такие как колонны зданий (внутренние) или колонны (внешние), фермы и потолки.
Устройства беспроводной точки доступа с многочисленными и всенаправленными антеннами обеспечивают наилучшее радиочастотное покрытие и лучше всего подключаются с помощью кабелей Power over Ethernet (POE).
При настройке точек доступа и клиентских устройств необходимо убедиться, что они могут «общаться» друг с другом. Они должны быть расположены так, чтобы их радиоволны образовывали зоны покрытия, которые слегка перекрываются, чтобы избежать потери сигнала или перекрытия каналов.
После установления радиосоединения функции более высокого уровня, такие как безопасность и роуминг, следует активировать поэтапно, чтобы можно было устранить неполадки, добавив их при необходимости. Это также относится к модификациям соединения, таким как настройки мощности передачи или стратегии роуминга.
Со временем пространственное расположение объекта может значительно измениться. Например, установка нового станка, металлической стойки или даже стены или перегородки может привести к незначительным или резким изменениям радиочастотных характеристик производственной среды.
Если многое изменится, сеть iWLAN может перестать работать совсем. В противном случае iWLAN может работать неоптимально и повышается риск сбоев связи, что приведет к простою или дополнительным расходам.
Обновленный спектральный анализ также должен быть частью регулярных обследований участка. Могут быть введены в эксплуатацию новые внутренние системы или соседние здания, использующие Wi-Fi.
Эти новые системы не были включены в первоначальный анализ спектра и могут создавать помехи или увеличивать плотность беспроводного спектра за счет существующих беспроводных решений.
Помните, что анализ спектра — это только временная шкала, поэтому спектр необходимо регулярно контролировать.
Если анализ нового спектра выявляет значительные изменения, влияющие на существующие беспроводные системы, необходимо внести коррективы (либо в новую систему, либо в существующую), чтобы все системы могли сосуществовать и функционировать оптимально.
Помимо пространственных изменений, доступные iWLAN и беспроводные технологии неизбежно будут развиваться с течением времени, подобно тому, как развивался стандарт IEEE 802.11, а сейчас появляются беспроводные технологии 5G.
Конкуренция со старыми технологиями Wi-Fi может быть дорогостоящей из-за упущенных возможностей, поскольку новые беспроводные технологии могут предложить больше функциональности и зачастую стоят дешевле.
Сетевая безопасность
Отрасли промышленности, особенно критически важные объекты инфраструктуры, такие как электростанции, нефте- и газодобывающие предприятия, транспорт и другие, являются основными мишенями для киберугроз. Например, программы-выкупы могут шифровать данные, необходимые для работы или обработки машины, и требовать плату за их расшифровку.
Преступники все чаще выбирают крупные промышленные предприятия, поскольку выкуп за них может быть гораздо выше, чем за частных лиц или малые и средние предприятия.
Хорошей новостью является то, что устройства iWLAN имеют встроенные функции безопасности, такие как брандмауэры, шифрование и аутентификация устройства.
Дополнительное оборудование может обеспечивать функциональность виртуальной частной сети (VPN). В некоторых компонентах эти функции должны быть настроены во время развертывания, и этот шаг может быть пропущен, оставляя iWLAN уязвимой для вторжения.
