W dzisiejszych czasach, w dobie zmierzania w kierunku cyfryzacji produkcji, idei Przemysłu 4.0 oraz Smart Factory techniki komunikacyjne w przedsiębiorstwie produkcyjnym nabierają coraz większego znaczenia. Nie są już tylko narzędziem ułatwiającym komunikowanie się pomiędzy pracownikami w jednym zakładzie bądź w różnych zakładach, ale coraz częściej stanowią element większej sieci łączności pomiędzy człowiekiem a maszynami i urządzeniami, a nawet wyłącznie pomiędzy maszynami.

Bez kabli taniej i wygodniej

Dla wielu przedsiębiorców bezprzewodowe sieci komunikacji są bardziej pożądane od tych przewodowych ze względu na ich koszt. Sam brak konieczności okablowania sieci przemysłowej, co może być bardzo kosztowne i skomplikowane, bywa najważniejszym kryterium przy podejmowaniu decyzji o systemie łączności w przedsiębiorstwie, a to tylko początek potencjalnych korzyści płynących z pozbycia się kabli. Tam, gdzie ich nie ma, znika także ryzyko np. przecięcia kabla i uszkodzenia całej infrastruktury przewodowej. Oczywiście systemy bezprzewodowe z drugiej strony są narażone na zagrożenia, które nie dotyczą tych tradycyjnych, wliczając w to zakłócenia okresowe, zaniki sygnału, interferencje czy ataki hakerskie, ale istnieje wiele metod ograniczających niekorzystny wpływ tych czynników.

Konfiguracje bezprzewodowe umożliwiają decentralizację układów kontroli i sterowania. Urządzenia połączone siecią zdalną zyskują drugie życie, ponieważ mogą być swobodniej przemieszczane lub nawet stale znajdować się w ruchu. To samo tyczy się pracowników, których praca wymaga ciągłej kontroli urządzeń – dzięki zautomatyzowanej sieci mogą być bardziej mobilni i nadzorować zachodzące procesy zdalnie, mając przy tym dostęp do wszelkich potrzebnych danych. Ponadto komunikacja bezprzewodowa zapewnia dynamiczne konstruowanie infrastruktury informatycznej, umożliwiając automatyzację i rekonfigurację stanowisk pracy i linii technologicznych według konkretnych wymagań.

Chociaż instalacja sieci bezprzewodowej jest ułatwiona i przyspieszona w stosunku do tradycyjnych rozwiązań, to nie znaczy, że jest ona zupełnie łatwa i nie można ustrzec się błędów. Każda sieć tego typu powinna być wdrożona po uprzedniej analizie i zrozumieniu wymagań danego środowiska. Wydajność komunikacji bezprzewodowej zależy bowiem od wielu czynników w postaci potencjalnych barier, zakłóceń elektromagnetycznych, wielkości infrastruktury, a nawet opadów atmosferycznych. Ponadto, aby komunikacja była efektywna, urządzenia muszą charakteryzować się odpowiednio krótkim czasem zwłoki i szybką aktualizacją oprogramowania użytkowego dla oddalonych aparatów, dlatego należy je rozważnie wybierać. Odpowiednio przeprowadzona konfiguracja sieci bezprzewodowej może okazać się jednak bardzo wdzięcznym rozwiązaniem, które praktycznie nie wymaga żadnej konserwacji. Do działającej już instalacji bardzo łatwo można dołączać kolejne urządzenia, co potrafi znacznie obniżać koszty implementacji nowych narzędzi.

Standardy na miarę potrzeb

Możliwych zastosowań bezprzewodowej komunikacji w przemyśle jest tak samo dużo, co różnych standardów i urządzeń typowych dla tej technologii. Stosuje się ją w mobilnym monitoringu, systemach oddalonych, tworzeniach sieci WLAN, komunikacji M2M, sieciach czujników czy zdalnych układach automatyki. O popularności i atrakcyjności tego typu łączności świadczy fakt, że różne organizacje i przedsiębiorstwa stale próbują wprowadzać własne rozwiązania w tym obszarze, mimo że na rynku już funkcjonuje co najmniej kilka popularnych standardów.

Każda z technologii łączności cechuje się konkretną przepustowością, zasięgiem, kosztem wdrożenia czy niezawodnością. Wybór odpowiedniej technologii bezprzewodowej nie musi być jednak sztuką kompromisu, o ile zostanie dobrze przemyślany. W rozwiązaniach przemysłowych najczęściej stosuje się tzw. sieci ISM (Industrial, Scientific, Medical) do wymiany danych na krótkich dystansach do 100 metrów. Należą do nich wszystkie najpopularniejsze standardy w postaci: Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, WPAN. Oczywiście istnieje także wiele specjalistycznych systemów, które najlepiej sprawdzają się w konkretnych środowiskach, takie jak: DECT/DPRS, WMAN, WirelessHART czy Trusted Wireless. Transmisja danych na duże odległości to natomiast domena sieci komórkowych i typowych dla nich standardów: 2G, 3G, 4G LTE oraz przyszłościowego 5G, z którym wiąże się duże nadzieje w kwestii Przemysłu 4.0.

Jednym z najpowszechniejszych typów komunikacji bezprzewodowej jest Wi-Fi (Wireless Fidelity), tworzące sieć WLAN, doskonale znane także z użytku domowego. Nie oznacza to jednak, że ten model sieci nie nadaje się do użytku przemysłowego. Wi-Fi (standard IEEE 802.11) było projektowane bowiem jako bezprzewodowe rozszerzenie dla Ethernetu (standard IEEE 802.3), czyli kablowego typu komunikacji, co umożliwia współpracę obu rozwiązań w zakładach, które nie są lub nie chcą być w pełni odcięte od kabli transmisyjnych. Powszechność tego standardu jest jego największą zaletą, ponieważ można połączyć ze sobą urządzenia w istniejącej już infrastrukturze i łatwo w ten sposób rozbudować sieć WLAN. Wireless Fidelity najczęściej pracuje na częstotliwości 2,4 GHz, ale możliwe jest także wykorzystanie 5 GHz. Wyższa wartość zapewnia obsługę większej liczby urządzeń (ok. 250 w zależności od routera) i szybszą transmisję danych, natomiast mniejsza to lepsza propagacja, czyli zasięg transmisji, który przeciętnie wynosi ok. 100 metrów. W celu zaspokojenia konkretnych potrzeb użytkowników powstało wiele standardów tej sieci bezprzewodowej, które charakteryzują się różnymi prędkościami czy zasięgiem. Oczywiście Wi-Fi nie jest wolne od wad, ponieważ wymaga ono stosunkowo dużej mocy obliczeniowej oraz zużywa dużo energii elektrycznej, co jednak jest optymalizowane chociażby przez tryby uśpienia czy regulację czasu włączania układów.

Technologia Bluetooth zapewnia z kolei połączenie standardowo z siedmioma węzłami slave, co może wydawać się niewielką liczbą, tak jak i prędkość transmisji danych na poziomie 1 Mb/s. Jednak w tym przypadku od ilości ważniejsza jest jakość. Technologia „niebieskiego zęba” cechuje się bowiem dużą niezawodnością, ponieważ automatycznie usuwa ona z sekwencji skoków kanały, które są używane przez inne sieci. Różne firmy opracowują własne moduły Bluetooth w zależności od konkretnych potrzeb. Z wykorzystaniem palmtopów i smartfonów mogą one być interfejsami do wprowadzania i odczytu danych, a także służyć jako modemy lub bramy. Ponadto zasięg, ograniczona liczba połączonych urządzeń i prędkość przesyłu danych mogą być usprawnione za pomocą technologii Bluetooth Mesh Networking i Enhanced Data Rate.

Zigbee natomiast to standard, z którym teoretycznie można połączyć dziesiątki tysięcy urządzeń, z czego aż ponad 2 tysiące z nich może pochodzić od różnych producentów. Organizacja Zigbee Alliance dba o wysoką kompatybilność swojego systemu, dlatego zapewnia on wysoką interoperacyjność. Jednak tym, co jest dla niego najbardziej znamienne, jest tania komunikacja radiowa o małej mocy. Niskie koszty eksploatacji zapewniają niewielkie zapotrzebowanie na energię oraz prostota instalacji i konfiguracji samych urządzeń. Szybkość transmisji Zigbee to zaledwie 250 kb/s w paśmie 2,4 GHz, jednak większa przepustowość nie jest potrzebna do docelowego monitorowania i zarządzania urządzeniami. Zigbee jest także stosunkowo bezpieczne i niezawodne dzięki detekcji i korekcji błędów w transmisji, a jego zasięg wynosi około 100 metrów. W przemyśle używa się tego standardu do nadzorowania procesu produkcyjnego i linii produkcyjnych czy nawet całych budynków, a także do zarządzania energią i systemami bezpieczeństwa.

Użycie komunikacji bezprzewodowej w przemyśle wymaga jednak łączności także na dystans liczony w kilometrach. Jednym z najpopularniejszych rozwiązań tego typu jest technologia LoRa, która może zapewnić zasięg na poziomie nawet 15 kilometrów w obszarze niezabudowanym i 2-5 kilometrów w zabudowanym. Dzięki protokołowi LoRaWAN szybkość transmisji jest optymalizowana, by zminimalizować czas jej trwania, co przekłada się na niskie zużycie energii, przez co urządzenia mogą pracować nawet 10 lat na jednej baterii. Co prawda przesyłane dane można liczyć w kilobajtach, jednak jest to satysfakcjonujący wynik dla zastosowań w Internecie Rzeczy.

Przyszłość należy do 5G

W przemyśle wykorzystuje się także sieci komórkowe, spośród których standard 4G LTE jest najefektywniejszy. Ta sieć charakteryzuje się prędkością porównywalną lub wyższą niż ta, którą może zaoferować sygnał Wi-Fi. Obsługuje ją większość współczesnych urządzeń, a w przeciwnym razie może przełączyć się na transmisję w standardzie 3G lub 2G, co usprawnia jej operacyjność.

To wszystko jest jednak tylko przedsmakiem dla 5G, które może całkowicie zrewolucjonizować nie tylko komunikację bezprzewodową w przemyśle, ale sam przemysł. Chociaż nie jest ona jeszcze powszechnie stosowana, to do jej wprowadzenia już przygotowują się najwięksi światowi gracze. Standard ten umożliwi przesyłanie danych generowanych przez nawet milion urządzeń na kilometr kwadratowy. Ponadto szybkość transmisji zmieni funkcjonowanie fabryk. Staną się bardziej wydajne i na tyle inteligentne, żeby wyznaczyć nową jakość interakcji między ludźmi a maszynami.

Ze względu na duże zróżnicowanie standardów komunikacji bezprzewodowej oczywiście nie da się wskazać jedynego optymalnego rozwiązania, które zwiększyłoby potencjał przedsiębiorstwa. Nie ulega jednak wątpliwości, że zastosowanie rozwiązań bezprzewodowych w przemyśle zmienia jego obraz i funkcjonalność.