wersja mobilna

Niezawodna sieć bezprzewodowa Wi-Fi bazująca na urządzeniach Moxa

Numer: Czerwiec/2019

Bezprzewodowa wymiana danych między maszynami to obecnie dynamicznie zmieniająca się dziedzina techniki i rozwojowy obszar rynku. Wraz z rozwojem technologii bezprzewodowych rośnie też ich znaczenie w przemyśle. Standard IEEE 802.11n umożliwia transmisję danych nawet do 600 Mbps. Urządzenia Wi-Fi pracujące w przemyśle mają wiele dodatkowych technologii pozwalających pracować w szczególnie niekorzystnych warunkach czy zapewniają komunikację w przypadku, gdy standardowe rozwiązania biurowe nie są wystarczające. W dobie IoT niezawodność systemów przemysłowych ma kolosalne znaczenie.

Pobierz PDF
Elmark

Awaria nawet pojedynczego urządzenia może wpłynąć na dostępność dużej części infrastruktury o znaczeniu krytycznym. Sieci bezprzewodowe mają wiele zalet. Są to między innymi oszczędność kosztów, elastyczność, skalowalność, łatwość rozbudowy czy restrukturyzacji sieci. Niemniej jednak główną przeszkodą dla operatorów korzystających z rozwiązań bezprzewodowych jest zapewnienie niezawodności w trudnych i złożonych warunkach środowiskowych, szczególnie dla aplikacji o znaczeniu krytycznym.

Nowa seria AWK-A firmy Moxa jest precyzyjnie zaprojektowana do zapewnienia niezawodnej komunikacji bezprzewodowej Wi-Fi, aby zminimalizować przestoje i zmaksymalizować czas pracy systemów krytycznych. Prześledźmy najważniejsze czynniki, które mają wpływ na prawidłowe funkcjonowanie sieci Wi-Fi.

Częstotliwość i kanały wewnętrzne

Pierwszym krokiem, który przybliży nas do zaprojektowania sprawnie działającej sieci bezprzewodowej, jest znalezienie kanałów z możliwie najmniejszymi zakłóceniami. Jak powszechnie wiadomo sieci bezprzewodowe wykorzystują do transmisji danych fale radiowe, w związku z czym istotną kwestią jest dobranie odpowiedniej częstotliwości pracy (2,4 lub 5 GHz) oraz jej kanałów wewnętrznych w obrębie tych częstotliwości. Standard IEEE 802.11b/g definiuje pracę w zakresie ~2,4 GHz, natomiast standard IEEE 802.11a/n w zakresie ~5 GHz.

Oba standardy mają w swoim paśmie wydzielone kanały i tak na przykład 2,4 GHz ma ich 14 (o szerokości 22 MHz każdy). Jednak kanały nie są kompletnie odseparowane od siebie i sąsiadujące kanały mogą się wzajemnie zakłócać. Tylko 3 z nich nie nachodzą na siebie i w ten sposób w żaden sposób nie zakłócają się wzajemnie. Oznacza to tyle, że tylko 3 kanały z dostępnych 14 pozwolą nam na transmisję danych bez żadnych wzajemnych zakłóceń. W obszarach z dużą liczbą urządzeń radiowych częstotliwość 2,4 GHz może być pewnego rodzaju ograniczeniem, tym bardziej jeśli w przyszłości planujemy rozbudowę naszej sieci. Jeżeli zatem w sieci występuje wiele urządzeń korzystających z transmisji radiowej, to z pewnością warto rozważyć jej budowanie z wykorzystywaniem częstotliwości 5 GHz, w tym paśmie kanały na siebie nie nachodzą, a zatem mamy większe pole manewru.

Standard IEEE 802.11b IEEE 802.11a IEEE 802.11g IEEE 802.11n
 Rok  1999  1999  2003  2009
 Kompatybilność  IEEE 802.11b  IEEE 802.11a  IEEE 802.11b/g  IEEE 802.11a/b/g
 Częstotliwość  2,4 GHz  5 GHz  2,4 GHz  2,4/5 GHz
 Szerokość pasma  20 MHz  20 MHz  20 MHz  20 lub 40 MHz
 Liczba strumieni  1  1  1  2
 Maksymalna prędkość  11 Mbps  54 Mbps  54 Mbps  300 Mbps

 

Wzrost przepustowości łącza - technologia MIMO

Rysunek 1. Przykład wykorzystania technologii MIMO 2×2

Wróćmy do charakterystyki częstotliwości 5 GHz. Częstotliwość ta może pracować w dwóch standardach - 802.11a oraz 802.11n i z pewnością pomoże w uniknięciu problemów związanych z interferencją fal w często przeciążanym paśmie 2,4 GHz. Oczywiście wszystko ma swoje plusy i minusy. Korzystając z częstotliwości 5 GHz, trzeba liczyć się z tym, że konsekwencją zwiększenia częstotliwości będzie zmniejszenie propagacji fal, sygnał będzie gorzej przenikał przez przeszkody, co w efekcie końcowym przekłada się na przymusowe zastosowanie większej liczby AP w naszej sieci (pracując w standardzie 802.11a).

W przypadku stosowania standardu 802.11n rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie w urządzeniach technologii MIMO (rysunek 1), polegającej na transmisji wieloantenowej zarówno po stronie nadawczej, jak i odbiorczej. Głównymi korzyściami takiego rozwiązania są: zysk dywersyfikacji, a zatem wzrost niezawodności łącza, a także zysk multipleksacji, czyli wzrost przepustowości łącza.

Seria AWK-A wyposażona jest w dwie anteny, które pracują w technologii 2×2 MIMO. Wykorzystanie technologii MIMO oraz standardu 802.11n pozwala znacząco zwiększyć pojemność, przepustowość oraz niezawodność sieci WLAN.

Podwójna izolacja urządzenia

Rysunek 2. Podwójna izolacja urządzenia

Istnieje wiele potencjalnych zagrożeń ukrytych w środowiskach przemysłowych, które operatorzy mogą łatwo przeoczyć, ale nadal są one bardzo niebezpieczne dla urządzeń bezprzewodowych. Do innego rodzaju problemów możemy zaliczyć zewnętrzne zakłócenia mające wpływ na jakość połączeń bezprzewodowych. Są to zarówno zakłócenia pochodzące od przeszkód fizycznych, takich jak chociażby metalowe konstrukcje, zakłócenia elektromagnetyczne, pochodzące np. od silników DC czy falowników, jak i te pochodzące od urządzeń wykorzystujących do komunikacji tę samą częstotliwość 2,4 GHz. Należy zatem zadbać o odpowiednie ulokowanie naszych urządzeń oraz wybór optymalnych kanałów. Ignorowanie zagrożeń powodujących wyładowania elektrostatyczne może doprowadzić do utraty produktywności, dodatkowych kosztów konserwacyjnych oraz zwiększenia całkowitych kosztów procesu technologicznego.

Rysunek 3. Ochrona anten i portów zasilających

Podwójna izolacja w serii AWK-A oferuje kompleksową ochronę, która zapewnia stabilne napięcie zasilania oraz ochronę anten przed wyładowaniami elektrostatycznymi (rysunek 3).

Urządzenia serii AWK-A mają 500 V ochronę portów zasilania, a także zapewniają ochronę anten Level 5 ESD. Ta unikalna, wbudowana konstrukcja nie tylko chroni urządzenie przed uszkodzeniami wynikającymi z czynników środowiskowych, ale także znacznie ułatwia instalację w terenie, redukując zbędne akcesoria.

Redundancja połączeń radiowych - ochrona AeroLink

Rysunek 4. a) Funkcja AeroLink w przypadku prawidłowej pracy urządzeń, b) sposób działania funkcji AeroLink w przypadku awarii

Komunikacja przemysłowa staje się paradoksalnie coraz bardziej złożona, ponieważ coraz więcej krytycznych danych przesyłanych jest za pośrednictwem jednej sieci, aby zwiększyć ogólną wydajność. W aplikacjach, w których trudno wykorzystać transmisję przewodową, takich jak train-to-ground, platformy przybrzeżne i aplikacje do komunikacji między portami, sieć konwergentna może wykorzystywać urządzenia bezprzewodowe do zastępowania rozwiązań przewodowych. W takich aplikacjach szczególnie ważne jest zapewnienie redundancji połączeń. Innowacyjna technologia ochrony AeroLink firmy Moxa zapewnia inteligentną metodę awaryjnego przełączania z szybkim czasem przywracania i skalowalnością, co ułatwia włączanie wielu warstw ochrony połączeń bezprzewodowych w celu maksymalizacji czasu działania krytycznego systemu i zapewnienia ciągłej transmisji. Zasada działania jest prosta i polega na utrzymywaniu zapasowego połączenia bezprzewodowego i jego natychmiastowej aktywacji w przypadku wystąpienia zakłóceń lub awarii na łączu podstawowym. Dzięki temu zachowana pozostaje komunikacja, a co za tym idzie pełna funkcjonalność takiego połączenia. Komunikacja wraca na łącze podstawowe, gdy to połączenie stanie się znów aktywne. Rysunek 4a pokazuje działanie komunikacji bezprzewodowej w sieci w przypadku, gdy wszystkie połączenia działają prawidłowo.

Natomiast w momencie wystąpienia awarii bądź zakłóceń na łączu podstawowym komunikacja działa jak poniżej. Węzłem aktywnym staje się jeden z węzłów zapasowych (rysunek 4b).

Obiekty w ruchu - Turbo Roaming

Rysunek 5. Wyjaśnienie trybu Turbo Roaming

Ta autorska technologia firmy Moxa pozwala na szybkie przełączanie się ruchomego urządzenia typu „Client” pomiędzy poszczególnymi punktami dostępowymi (Access Pointami). Co bardzo ważne nie wymaga żadnej konfiguracji po stronie punktów dostępowych. Jedynie urządzenie pracujące jako Client musi mieć odpowiednią konfigurację. Przełączanie do kolejnego Access Pointa odbywa się na podstawie porównania mocy sygnału (rysunek 5). Zastosowanie tej technologii pozwala na znacznie dokładniejsze sterowanie obiektami w ruchu czy przesyłanie danych z kamer umieszczonych na pojeździe do zdalnego rejestratora wideo. Turbo Roaming pozwala zachować płynny obraz przy przesyłaniu wideo z ruchomego pojazdu.

Oprócz przybliżonych powyżej dodatkowych technologii typowych dla rozwiązań przemysłowych bardzo duże znaczenie ma samo wykonanie urządzeń. Standardem jest tutaj mocna, metalowa obudowa, redundantne zasilanie czy praca zarówno w ujemnych, jak i podwyższonych temperaturach. Wśród wielu rozwiązań bezprzewodowych producentów przemysłowych znaleźć można też urządzenia w wykonaniu IP67 czy ze złączami M12 bądź światłowodowymi.

W poniższej tabelce znajduje się podsumowanie najważniejszych funkcji urządzeń bezprzewodowych Wi-Fi serii AWK-A producenta MOXA.

Podsumowanie

W przypadku, gdy priorytetem jest transfer dużych ilości danych w krótkim czasie i na względnie niewielkie odległości, użycie Wi-Fi może być najlepszym wyborem sieci bezprzewodowej.

Budowanie sieci na obiektach przemysłowych opiera się również na podejmowaniu innych ważnych decyzji. Musimy wiedzieć, jakie dane są w naszej sieci przesyłane, na ile są one krytyczne dla działania całego systemu i w zależności od tego dobrać m.in. protokoły komunikacyjne, odpowiednią prędkość łącza czy skonfigurować protokoły redundancji sieci. W standardowych aplikacjach komunikacji bezprzewodowej utrata części danych, np. w momencie chwilowej przerwy w łączności, bywa akceptowalna. W przemyśle najczęściej jednak nie jest to tolerowane, m.in. ze względów bezpieczeństwa. Dlatego należy wykorzystywać takie urządzenia, które potrafią sprostać trudnym wymaganiom, a urządzenia Moxa niewątpliwie idealnie sprawdzają się w aplikacjach przemysłowych.

Zapraszamy na stronę naszego bloga www.moxa.elmark.com.pl, gdzie można znaleźć informacje o sposobach konfiguracji wspomnianych urządzeń.

Tomasz Sokół

Pozostałe artykuły

Inteligentne monitorowanie agregatów hydraulicznych

Numer: Lipiec/2019

Nie od dziś wiadomo, że efektywne maszyny zwiększają wydajność produkcji. Stąd też niezwykle istotne jest zapewnienie im idealnie działającej hydrauliki. Aby było to możliwe, konieczne jest zastosowanie odpowiednich czujników.

Gotowy na 5G

Numer: Lipiec/2019

Szwajcarski producent modułów radiowych - u-blox - w czerwcu 2019 roku zapowiedział produkcję autorskiego chipsetu do komunikacji komórkowej, pracującego w technologii LTE Cat. M oraz Cat. NB.

Security first!

Numer: Czerwiec/2019

Im większa jest wydajność i dostępność Internetu, tym bardziej wydajne są również komponenty, dzięki którym połączone urządzenia stają się "inteligentne", i tym więcej powstaje obszarów zastosowania aplikacji. Mikrokontrolery połączone z oprogramowaniem są sercem czujników w technologiach Przemysłu 4.0 oraz IoT. Całkowicie połączona fabryka i inteligentny dom tworzą ogromny potencjał rozwoju i innowacji - i to w zasięgu ...

Sterownik ruchu z zabezpieczeniem STO firmy Faulhaber. Wagę zagadnienia bezpieczeństwa współpracy człowiek-maszyna trudno przecenić

Numer: Czerwiec/2019

...

Bezprzewodowy "judasz" TX-75

Numer: Maj/2019

To po prostu musiało się stać! Popularność wideodomofonów, czy też bramofonów rośnie od wielu lat. O ile w czasach, kiedy urządzenia tego typu pojawiały się najpierw w firmach, później w gospodarstwach prywatnych, przedszkolach, szkołach itd. stanowiły one pewną sensację, o tyle obecnie już nawet nie dostrzegamy ich istnienia. Dziwić więc może, że do dzisiaj w zasadzie nie było bliźniaczo podobnych urządzeń, takich ...

Mobilna
Elektronika
Praktyczna

Elektronika Praktyczna

Lipiec 2019

PrenumerataePrenumerataKup w kiosku wysyłkowym

Elektronika Praktyczna Plus

lipiec - grudzień 2012

Kup w kiosku wysyłkowym