A vezeték nélküli megoldások az ipar átformálásának legújabb hullámát jelentik: már a nevük is lényegében a rugalmasság és a skálázhatóság szinonimája, az osztott érzékelő- és irányítástechnikai rendszerekben pedig jelentős hatékonyságjavulást produkálnak. Vezeték nélküli távadókat már évek óta használnak ipari üzemekben, a korábbi megoldásokat viszont szinte kizárólag két pont közötti kábeles kapcsolat kiváltására tervezték. Az ipari folyamatirányítás kétségtelen sikertémája napjainkban a WirelessHART vezeték nélküli hálózatok kiépítése, elvi alapjaikat a műszer- és irányítástechnika vezető gyártói fektették le

A WirelessHART az egyetlen, széles körben elfogadott vezeték nélküli hálózati szabvány a folyamatautomatizálás világában: robusztus, megbízható és biztonságos vezeték nélküli technológia valósítható meg vele számos területen.

A WirelessHART folytonos távkapcsolatot tesz lehetővé az érzékelők és aktuátorok között, megbízhatósága igazolhatóan 99%-nál is jobb, és biztonságos, önszervező hálózati funkciókkal rendelkezik.

1. ábra. A WirelessHART az ipari irányítástechnika minősített szabványa

Csúcstechnológiás és bármilyen irányítástechnikai és felügyeleti feladatra alkalmas, így a folyamatgazdák és az üzemeltetés igény szerint használhatják napjaink WirelessHART-megoldásait.

A WirelessHART jól bővíthető hagyományos funkciókkal vagy a jövőben megjelenő innovatív eszközökkel.

Az ipari vezeték nélküli hálózatok evolúciója

Az üzemi hatékonyság és termelékenység javítására számos fronton nyitottak pozíciót az irányítástechnikai ipar innovátorai: fejlett diagnosztikai algoritmusok, új és továbbfejlesztett érzékelők, valamint kommunikációs technológiák jelentek meg, többek között ipari vezeték nélküli rendszerek.

Az ipari vezeték nélküli technológiák két jelentős technológiai fejlesztés koalíciójára vezethetők vissza. Az egyik ilyen technológia 1995-ben született az Egyesült Államokban, az innovációiról is híres DARPA védelmi kutatási ügynökségénél. A DARPA több millió dollár összegben finanszírozott olyan kutatásokat, melyek célja rendkívül megbízható, biztonságos és extrém alacsony fogyasztású, vezeték nélküli érzékelők fejlesztése katonai célokra. A másik mérföldkő 2003-ra datálható, és az IEEE 802.15.4 szabvány bevezetéséről szól: a vezeték nélküli érzékelőkről és beavatkozószervekről szóló első rádiókommunikációs szabványról. Az IEEE 802.15.4 szabványt vezető ipari és technológiai beszállítók dolgozták ki, megbízható és biztonságos, állandó vezeték nélküli felügyeleti és irányítástechnikai funkciók megvalósításához.

WirelessHART

A WirelessHART az első nyílt és együttműködő vezeték nélküli kommunikációs szabvány, amelyet kifejezetten a folyamatirányítási igények szerint fektettek le: ipari üzemek terepi eszközeivel való megbízható, robusztus és biztonságos, vezeték nélküli kommunikáció megvalósítására. A HART Communication Foundation (HCF) szervezet 2003-ban kezdte meg működését; a WirelessHART 2007 őszén jelent meg a HART 7 specifikáció részeként, részletes vizsgálatokat és engedélyeztetéseket követően. A WirelessHART szabvány kiadása több száz emberévnyi tudás esszenciáját jelenti a folyamatirányítás iparági tapasztalataival és a legmodernebb vezeték nélküli innovációkkal ötvözve, kifejezetten az ipari környezetek igényeire formálva.

2. ábra. A WirelessHART a 99%-nál is jobb megbízhatóság elérésére fejlett technikákat használ

A vezetékes HART-rendszerekhez hasonlóan a WirelessHART is támogatja a folyamatirányító és felügyeleti alkalmazások teljes skáláját: bizonyítottan alkalmas berendezések és technológiai folyamatok felügyelete, környezetvédelmi monitoring, eszközgazdálkodás, prediktív karbantartás, fejlett diagnosztika és visszacsatolt szabályozás céljára. A WirelessHART tervezésének másik előnye, hogy jól kiegészítik a vezetékes műszer- és irányítástechnikai megoldásokat: visszafelé kompatibilisek a hagyományos rendszerekkel, illetve egyszerűen bővíthetők újabb eszközökkel, egyszeri beruházással folyamatosan javuló megtérüléseket hozva.

A WirelessHART komolyságát jelzi, hogy a Fieldbus Foundation (FF) és a PROFIBUS Nutzerorganisation (PNO) szervezetek közös megállapodást írtak alá a HART Communication Foundation szervezettel a vezeték nélküli átjárók általános illesztőfelületének kifejlesztéséről: célja a résztvevők meglévő vezetékes technológiáival való teljes kompatibilitás biztosítása.

Ipari szintű megbízhatóság

3. ábra. Az elérhető, vezeték nélküli műszer- és irányítástechnika

A WirelessHART önszervező vezeték nélküli hurokhálózati megoldást használ a terepi eszközök között, valamint egyéb innovációkat, amelyekkel megvalósítható a folyamatirányítás szigorú követelményeinek is megfelelő biztonságos és megbízható digitális kommunikáció. A WirelessHART a 99%-nál is jobb megbízhatóság elérésére diverzitási (változatosságot biztosító) eljárásoknak nevezett, fejlett technikákat használ:

Idő-diverzitás

Az idő-diverzitás olyan eljárás, amely az adatátvitelt az ütközések minimalizálása és a csomagveszteségek helyreállítása érdekében intelligens módon ütemezi. Az idő-diverzitást WirelessHART szinkron időosztásos multiplexeléssel, az időablakok dinamikus kezelésével éri el. Az optimalizáló algoritmus a csomagütközések elkerülésével maximálja a vezeték nélküli kapcsolatok sikeres adatcsomagjainak arányát.

Kód-diverzitás

A kód-diverzitás a rádióspektrum hatékony kihasználását és megbízhatóságának növelését lehetővé tévő eljárás. Segítségével az adatátvitel könnyen leválasztható más kommunikációk egy időben jelentkező zajától. Ezt a technológiát az IEEE 802.15.4 rádiós szabványból vette át a WirelessHART.

Frekvencia-diverzitás

Frekvencia-diverzitás alatt azt értjük, hogy a vezeték nélküli eszközök dinamikusan választják ki a különféle üzemi csatornákat a torlódások, valamint más, vezeték nélküli rendszerekkel való interferenciák elkerülése érdekében. A WirelessHART a frekvencia-diverzitás elérésére a csatornaugrás (channel hopping) megoldást használja.

Útvonal-diverzitás

Az útvonal-diverzitás a hurokhálózati kialakításnak köszönhető. A módszer célja redundáns kommunikációs útvonalak biztosítása két vagy több, vezeték nélküli eszköz között. Alkalmazásával csökkenthető az adatátviteli teljesítmény (akkorára, hogy pontosan elég legyen a szomszédos útválasztóig), így minimálisra csökkennek a sok hasonló eszköz miatti interferencia-problémák.

Teljesítmény-diverzitás

A teljesítmény-diverzitást úgy éri el a rendszer, hogy a rádiós kapcsolatok átviteli teljesítményét olyan minimális szintre csökkenti, amilyen szinten a vevők még fogadni tudják a jeleket. A megoldással csökken a spektrum más felhasználóit terhelő rádiófrekvenciás zaj.

Jövőbeli kilátások

Számos kezdeményezés látott már napvilágot azzal a céllal, hogy folyamatirányítási alkalmazások számára kommunikációs szabványokat fejlesszenek ki. Ilyen például a ZigBee Alliance, amely általános célú vezeték nélküli kommunikációs protokollt fejlesztett ki, szintén az IEEE 802.15.4 ipari szabvány alapján. A ráfordítások azonban nem hozták meg a várt eredményt. A ZigBee Alliance vevőköre napjainkban a lakossági és kereskedelmi alkalmazásokra fókuszál. A várakozások szerint a ZigBee-technológia újabb verziói ipari feladatokra is alkalmasak lesznek, de csak korlátozottan, a nem kritikus állapotok monitorozására.

Hozzá hasonlóan a Bluetooth-szabvány is több éve keresi az ipari alkalmazások felé mutató utat. A Bluetooth a fogyasztói elektronikai piacon elért sikerei alapján keresi piaci bővítésének új lehetőségeit. Mivel esetében a hálózatok létrehozásának elvi korlátai vannak, a Bluetooth ipari alkalmazásai jelenleg csak két pont közötti I/O-kommunikációra korlátozódnak. Az új Bluetooth-alapú technológia, a WiBree várhatóan áttörést jelent néhány probléma áthidalására, és lehetséges lesz majd a vezeték nélküli szenzorhálózatok létrehozása számos alkalmazás esetében.

Az ISA100.11a rádiós technológia és általános célú alaptechnológia igen hasonló a WirelessHART megoldásához. A legjelentősebb különbség az IPV6-alapú internetprotokoll, az opcionális hurokhálózat és az objektumalapú alkalmazásréteg. E funkciók azonban sajnos problémásak lehetnek a hálózati eszközök energiafogyasztása szempontjából, mivel akkumulátorról kell működniük hónapokon át. Igen jelentős biztonsági kockázatot hordoznak továbbá a natív internetkapcsolat használatából eredően. A kezdeményezés bonyolultsága ráadásul megbízhatósági problémákba is torkollhat.

Összefoglalás

A WirelessHART egy nyílt és gyártófüggetlen, vezeték nélküli szabvány, amelyet kifejezetten az ipari folyamatautomatizálás igényei szerint tervezetek. A WirelessHART-ban rejlő több száz emberévnyi irányítástechnológiai tapasztalat és igazolhatóan több mint 99%-os terepi megbízhatósága képes azt nyújtani, amit egy valóban használható terepi műszer- és irányítástechnikai kommunikációtól elvárnak.

4. ábra. Az elérhető vezeték nélküli műszer- és irányítástechnika

A termékek és a tudás rendelkezésre áll, értékei pedig egyértelműen a vezeték nélküli technológiákra átállás mellett szólnak. Már egy kisebb alkalmazás kiválasztásával is csatlakozhatunk a korai innovátorok elégedett táborához, olyan javulásokat tapasztalva, amelyekről a „vezetékes" világban csak álmodhattak a mérnökök. Hatékonyságuknak és nyújtott teljesítményüknek köszönhetően számos iparban várható a vezeték nélküli technológiák inváziószerű elterjedése.

Az Emerson honlapja