Nowe systemy radiowe Radioline bazujące na technologii Trusted Wireless 2.0

fot. Phoenix Contact

Większość z nas posiada więcej niż jedną parę butów. Oprócz butów sportowych, mamy na przykład eleganckie buty do tańca, buty do pracy w ogrodzie, buty na wycieczki piesze poza miasto. Do tego parę butów do codziennego użytku, tak więc przeciętny Kowalski ma kilka par butów o określonych właściwościach przeznaczonych na określone okazje. Podobna zasada obowiązuje w przypadku różnych przemysłowych technologii radiowych dostępnych na rynku.

Wszystkie zalety innych rozwiązań w jednym

Nowy system radiowy Radioline firmy Phoenix Contact wypełnia lukę pomiędzy standardami WirelessHART, Bluetooth i WLAN. Jako system zaprojektowany specjalnie do transmisji danych drogą radiową w rozległych aplikacjach infrastrukturalnych, system Radioline cechują właściwości, których brakuje jego poprzednikom. Bluetooth charakteryzuje się wysoką odpornością na obciążenia elektromagnetyczne obecne w aplikacjach przemysłowych. Jednak umożliwia on  tworzenie tylko niewielkich sieci obejmujących maksymalnie siedem urządzeń podrzędnych, połączonych punkt-punkt lub w strukturach gwiaździstych, przy odległościach nie przekraczających 150 metrów.

WLAN wykorzystuje DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) do przesyłania danych w paśmie o określonej częstotliwości. Jednak przy założeniu ograniczeń w zakresie 2,4 GHz, bez wzajemnych zakłóceń, równolegle mogą być obsługiwane maksymalnie tylko trzy systemy WLAN. Standard radiowy wspiera roaming pomiędzy różnymi punktami dostępowymi, umożliwiając pracę mobilnym aplikacjom Ethernetu, które muszą mieć zasięg około 100 metrów.

System WirelessHART stworzono z myślą o zasilanej akumulatorem komunikacji I/O w instalacjach procesowych. Mając na uwadze ograniczenie zużycia energii, zazwyczaj wybiera się niską częstotliwość. WirelessHART umożliwia utworzenie sieci do 254 urządzeń i transmisję danych na przestrzeni do 3000 metrów. Możliwe jest tworzenie wielu struktur w sieci, od połączeń punkt-punkt, do złożonych sieci kratowych Mesh. 

Proste uruchomienie

W przeciwieństwie do wcześniejszych rozwiązań, system radiowy Radioline bazujący na technologii Trusted Wireless 2.0, powstał specjalnie z myślą o wymianie radiowej danych w rozległych systemach infrastrukturalnych. Informacje pochodzące z czujników i urządzeń wykonawczych jak również dane, mogą być przesyłane przez system Radioline na duże odległości (zastosowanie w rozległych aplikacjach). Rozwiązanie to znajduje szerokie zastosowanie zakładach uzdatniania wody oraz oczyszczalniach ścieków, cementowniach, elektrowniach, systemach taśmowych, jak również w technologii procesowej. Projektując urządzenia radiowe, firma Phoenix Contact korzystała z ponad dziesięcioletniego doświadczenia przy doskonaleniu poprzedniej linii urządzeń.

Szczególnie ważne było zapewnienie prostego uruchomienia systemu. W tym celu podzespoły radiowe są fabrycznie skonfigurowane, dzięki czemu klienci muszą tylko ustawić jeden adres dla każdej stacji radiowej przekręcając żółte pokrętło. Adres „01” konfiguruje moduł jako nadrzędny, a urządzenia z adresami od „02” do „99” automatycznie mają przypisane funkcje wzmacniacz / urządzenie podrzędne (rys. 1). Ponieważ obsługiwane są wszystkie tryby operacyjne, głowica radiowa może być wykorzystana w ustawieniu sieci jako: urządzenie nadrzędne, wzmacniacz przekazu danych, lub jako urządzenie podrzędne w punkach końcowych sieci.  Podczas instalacji, cały czas wyświetla się poziom sygnału w postaci wykresu kolumnowego (diody). Informacja ta jest dostępna również w złączach śrubowych dla celów pomiaru. Stan całej sieci można również ocenić używając oprogramowania, które stanowi część zaawansowanej diagnostyki.

Rys. 1. Konfiguracja i przypisanie adresów I/O  za pomocą jednego przekręcenia pokrętem.

Rys. 2. Sygnały I/O mogą być dystrybuowane i powielane w rejonie eksploatacji poprzez  mapowanie I/O.

Rozszerzenie modułowe

Oprócz modułu radiowego, w ofercie znajduje się również osiem modułów I/O rozszerzenia. Każdy z ośmiu modułów ma również prosty system uruchamiający. Dzięki temu, każda stacja radiowa może być modułowo rozszerzona przez dopięcie maksymalnie do 32 modułów I/O na szynie DIN. Wtyk złącza T-bus przekazuje zasilanie 24 V oraz wewnętrzną komunikację, tak więc moduły mogą być instalowane i wymieniane bez przerywania pracy sieci. Informacje sygnałów są „przydzielane” jednym dotknięciem przy wykorzystaniu mapowania I/O (rys. 2). 

Na przykład, numer "23" na białym pokrętle, jest ustawiony jako adres I / O (wejść / wyjść) modułów rozszerzeń. Zarówno wejścia jak i wyjścia modułów z tymi numerami, są ze sobą powiązane. Sposób ten może być powielany dowolną liczbę razy w innych stacjach, umożliwiając łatwą dystrybucję nawet do 99 różnych modułów I/O (punktów rozszerzeń).

Moduły cztero-, sześcio- oraz ośmiokanałowe charakteryzuje wysokiej jakości elektryczna separacja międzykanałowa. Specjalną właściwością czterokanałowych modułów cyfrowych są szerokozakresowe wejścia oraz wyjścia przekaźnikowe pozwalające na przyłączanie napięcia do 250 V. Ośmiokanałowy moduł wyjścia może alternatywnie być również używany jako np. dwukanałowy moduł pomiaru i przesyłania wartości przepływu. 

Szeroki zakres zastosowań

Oprócz modułów rozszerzeń (I/O-to-I/O), system Radioline znajduje również zastosowanie w innych aplikacjach. Dzięki portom RS232 oraz RS485 wbudowanym w moduł radiowy, kable do komunikacji szeregowej można zastąpić technologią radiową, (nazwano to trybem operacyjnym serial-to-serial).

Innym ciekawym trybem jest połączenie i zintegrowanie sieci radiowych z kontrolerem Modbus. W tym trybie radiowe urządzenie nadrzędne Radioline otrzymuje adres Modbus’a i może zostać podłączone do kontrolera poprzez zintegrowany szeregowy interfejs Modbus RTU. W ten sposób cała sieć jest reprezentowana przez jeden adres urządzenia podrzędnego Modbus, co pozwala na łatwy zapis i odczyt informacji z czujnika / urządzenia wykonawczego. Ilość informacji w technologii Trusted Wireless 2.0, na której bazuje Radioline można ustawić od 16 do 500 kBit/s, co zwiększa czułość odbioru i pozwala na zwiększenie zakresu do 5000 metrów. Ponadto w sposób optymalny spełnia wszelkie wymogi przesyłu danych I/O oraz szeregowych.

Bezpieczna transmisja danych

Struktury sieci Radioline, elastycznie dostosowują się do cech danej instalacji. System Radioline obsługuje połączenia punkt-punkt, jak również sieci liniowe, gwiaździste a także samonaprawiające się sieci kratowe Mesh (rys. 3). W tym ostatnim przypadku każdy wzmacniacz / urządzenie podrzędne (moduł rozszerzeń) w sieci Mesh monitoruje połączenia z radiowym urządzeniem nadrzędnym. W chwili zdiagnozowania zakłóceń w komunikacji, niezwłocznie zaczyna wyszukiwać dodatkowych „uczestników” w sieci, dzięki którym połączenie z urządzeniem nadrzędnym może być wznowione. Czas na podjęcie alternatywnej ścieżki jest zazwyczaj krótszy niż jedna sekunda.

Rys. 3. System pozwala na ustawienie dowolnych struktur sieci, także samonaprawiających się sieci kratowych Mesh.  

Wykorzystanie FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)- w paśmie o częstotliwości 2,4 GHz, gdzie nadajnik cały czas „skacze” po pasmach częstotliwości, wyszukując odpowiednie - pozwala na bezpieczne przesyłanie danych. Tych częstotliwości jest w sumie dostępnych osiem i żadna z nich nie jest wykorzystywana wielokrotnie, co pozwala na wyeliminowanie interferencji. Ponadto pseudolosowy wzór „skoków” określa porządek korzystania z danej częstotliwości. W przypadku konkretnych sieci, użytkownik może stworzyć globalny, unikatowy wzór „skoków” używając do tego pamięci konfiguracyjnej. Oprócz współistnienia z innymi systemami bezprzewodowymi, urządzenie Radioline, blokuje wpływ zewnętrznych systemów Bluetooth, WLAN oraz WirelessHART przesyłających dane w paśmie częstotliwości 2,4 GHz (Rys. 4). Oprócz procesu „skakania” po częstotliwościach, o którym mowa powyżej, istnieje również możliwość zablokowania maksymalnie dwóch kanałów WLAN przez wpisanie ich na czarną listę i wyłączenie z użytku, co pozwala na zabezpieczenie przed wzajemną interferencją.   

Moduły Radioline mają również funkcje, które zapobiegają manipulacji danymi z zewnątrz. W tym celu każdemu pakietowi z danymi przypisany jest kolejny numer wykorzystywany przez wszystkie przekaźniki dla celów identyfikacji. Ponadto, dane można zakodować podczas transmisji przy pomocy kodowania AES, co uniemożliwia ich przechwycenie.

Rys. 4. Pamięć konfiguracyjna pozwala na tworzenie poszczególnych sieci bez wzajemnej interferencji.

Wniosek

System Radioline firmy Phoenix Contact łączy zalety różnych technologii radiowych w linii produktów, które zapewniają bezpieczną komunikację radiową danych I/O i szeregowych w rozległych instalacjach. System uruchamia się w prosty sposób i można go elastycznie dostosowywać do wymogów każdej aplikacji.