W każdym przedsiębiorstwie kluczową rolę odgrywa utrzymanie ruchu maszyn, a zatem ich odpowiednio wczesna i skuteczna diagnostyka oraz serwisowanie. Tradycyjny sposób wykonywania tego zadania wymaga obecności na produkcji pracownika technicznego bądź inżyniera, który przeprowadzi stosowne pomiary lub dokona naprawy. To z kolei prowadzi do niepotrzebnego zagrożenia dla higieny produkcji. Dlatego warto bliżej przyjrzeć się nowym trendom w diagnostyce maszyn.

Bezprzewodowa diagnostyka maszyn
Na rynku dostępne są zaawansowane systemy pomiarowe, które nie potrzebują kosztownego układania przewodów po maszynie i hali produkcyjnej. Przewody trudno zabezpieczyć przed kurzem, bakteriami i drobnoustrojami, co czyni ich brak jeszcze bardziej korzystnym. Sieć modułów bezprzewodowych może mieć przy tym zdolność samoorganizującą się, a to z kolei sprawia, że nie ma konieczności konfiguracji sieci.

W skład bezprzewodowego systemu diagnostycznego wchodzą czujniki drgań, temperatury, moduły komunikacji bezprzewodowej, bramki bezprzewodowe oraz dedykowane oprogramowanie, które umożliwia archiwizację i szczegółową analizę zebranych danych. Oprogramowanie działa w oparciu o przeglądarkę internetową, dzięki czemu analiza danych może zostać przeprowadzana z każdego miejsca z dostępem do sieci. Dostosowana do potrzeb aplikacji konfiguracja oprogramowania daje możliwość wyświetlania najniezbędniejszych wskaźników, informujących o bieżącym stanie technicznym maszyny.

Komunikacja bezprzewodowa zapewnia lepszy dostęp do maszyn w trudnych warunkach higienicznych. Umożliwia parametryzację, wyświetlanie oraz diagnostykę z odległości nawet kilkudziesięciu metrów. Pomocna jest w tym aplikacja na smartfon lub tablet, dostarczana przez producentów oprogramowania.

Standardy transmisji bezprzewodowej
Dobór sposobu komunikacji powinien uwzględniać m.in. odległość, na jaką mają być przesyłane dane. W większości aplikacji, w których wymiana informacji następuje na dystansie do 100 m, zastosowanie znajduje komunikacja ISM (z ang. Industrail, Scientific, Medical). Posługuje się ona nielicencjonowanym pasmem radiowym, a należą do niej popularne standardy Wi-Fi i ZigBee czy znajdujące się pod szyldem WPAN (Wireless Personal Area Network), takie jak Wireless USB i Bluetooth, Wireless HART oraz mniejsze, autorskie technologie.

W przypadku konieczności przesyłu danych na większą odległość zwykle wykorzystywane są sieci komórkowe GSM. Obecnie najnowszym standardem, zastępującym powoli LTE, jest 5G. W firmach, w których zachodzi konieczność zastosowania sieci rozległych, można czasem znaleźć rozwiązania WiMAX lub LoRA.

WiFi, Wireless Local Area Network
Większość osób korzysta dzisiaj z WiFi, łącząc się z bezprzewodową siecią w domu, pracy, a nawet w przestrzeni publicznej. Ten najbardziej popularny standard jest dominującym także w zakładach przemysłowych, a zatem również w branży spożywczej.
W praktyce WLAN (czyli znane wszystkim WiFi), korzysta za standardu IEEE 802.11, kompatybilnego z przewodową siecią Ethernet. Pozwala to na współdziałanie z systemami automatyki przemysłowej i tymi, które bazują na takich sieciach przemysłowych, jak EtherNet/IP, PROFINET RT, CANopen i Modbus/TCP.

Powszechność stosowania sieci WLAN wynika z łatwości, z jaką można integrować nowe urządzenia z systemami automatyki i IT już istniejącymi w zakładzie.

Poza licznymi zaletami, WLAN ma też pewne ograniczenia. Urządzenia, które są podłączone do jednej sieci, korzystają z tego samego pasma, a zatem im jest ich więcej, tym działają wolniej i tym dłużej przesyłane są dane. Może to mieć znaczenie w przypadku monitorowania maszyn w czasie rzeczywistym. Natomiast „na plus” można zapisać to, że dodając kolejne punkty dostępowe można w każdej chwili zwiększyć zasięg sieci.

Technologia Bluetooth
Kolejną bardzo popularną technologią bezprzewodową jest protokół Bluetooth, bazujący na międzynarodowym standardzie IEEE 802.15.1. Podobnie jak Wi-Fi, Bluetooth dostępny jest na całym świecie i nie wymaga koncesji. Może być wykorzystywany do przesyłania danych Ehernet czy Profinet i obsługuje odległość do 10 m. Najnowsze wersje umożliwiają wyznaczenie położenia z dokładnością nawet do kilkunastu centymetrów, co pozwala na precyzyjne określenie miejsca, w którym znajduje się odbiornik.
Bluetooth to przy tym taki rodzaj komunikacji bezprzewodowej, która jest stosunkowo dobrze odporna na zakłócenia. Zaleta ta wynika z zastosowania metody rozpraszania widma FHSS poprzez zmianę kanału transmisyjnego każdorazowo z chwilą przesłania danych, w interwale nawet 1600/s.

Protokół Bluetooth świetnie sprawdza się w przypadku sterowania i konserwacji maszyn, a zatem tam, gdzie zachodzi konieczność zastosowania niezawodnej komunikacji na niewielkim dystansie, z wykorzystaniem Ethernetu. Pozwala na przesyłanie danych pomiędzy inteligentnymi sensorami i sterownikami, nawet jeśli obszar jest zatłoczony inną radiową komunikacją lub występują na nim znaczne zakłócenia elektromagnetyczne.

ZigBee – idealny do czujników ruchu
ZigBee to specyfikacja protokołów transmisji danych, stosowana najczęściej w sieciach bezprzewodowych typu mesh, cluster tree. Cechą charakterystyczną ZigBee są stosunkowo niewielkie pobory energii i przepływowość (wynosząca do 250 kbps). Zasięg między węzłami może wynosić ok. 100 m.

Ze względu na to, że komunikacja w ZigBee jest dwustronna, każde działające w jego zakresie urządzenie może zarówno odbierać, jak i wysyłać sygnały. Funkcjonalność tej technologii ceniona jest także z punktu widzenia automatyki, bowiem ZigBee pozwala na natychmiastowy dostęp do urządzenia. Ta cecha powoduje, że chętnie wykorzystywany jest w czujnikach ruchu.

Na listę zalet tego standardu należy wpisać też wsparcie ze strony producentów, jak również dużą dostępność kompatybilnych produktów, a także łatwość w tworzeniu i rozbudowywaniu systemów. Warto ponadto podkreślić, że transmisja danych w systemach ZigBee jest uwierzytelniona.

WirelessHART – odporny na zakłócenia
Opisując sposoby komunikacji bezprzewodowej nie można zapomnieć o komunikacji radiowej z grupy ISM, zwanej WirelessHART (HART od Highway Addressable Remote Transducer). W tym przypadku mamy do czynienia z transmisją o mocy do 10 mW z użyciem protokołu w standardzie IEEE 802.15.4,.

Protokół WirelessHART daje możliwość równoległej pracy urządzeń z jednoczesnym zarządzaniem dostępnymi kanałami radiowymi. Pozwala także na implementację w nim metod rozpraszania widma oraz użycie krótkich czasów transmisji. Istotna jest również funkcji blacklisting, pozwalająca na odrzucenie sygnałów zajętych lub zakłóconych innymi rodzajami transmisji.

Kluczowe w WirelessHART jest jednak samodzielne i zautomatyzowane tworzenie i konfiguracja sieci typu mesh. To z kolei umożliwia każdemu urządzeniu komunikowanie się w sieci przy użyciu kilku różnych ścieżek. Dzięki temu, właśnie na sieć WirelessHART zakłócenia zewnętrzne nie mają właściwie żadnego wpływu. Co do zasięgu, sieć WirelessHART na wolnej przestrzeni może przesyłać informację na dystansie ok. 250 m, natomiast w przestrzeni zabudowanej to od 50 m do 100 m.

Transmisja na większe dystanse
Tam, gdzie konieczne jest zrealizowanie transmisji danych rozrzuconych na większym obszarze, stosowane są urządzenia współpracujące z sieciami operatorów telefonii komórkowej. To rozwiązanie funkcjonuje w jednym z dwóch systemów LoRA lub WiMAX.
Transmisja danych w komunikacji typu M2M oraz w rozproszonych systemach automatyki przemysłowej jest możliwa dzięki zastosowaniu modemów GSM. Oczywiście, nowszymi rozwiązaniami są modemy LTE oraz 5G. Komunikacja 5G daje możliwość transferu o szybkości 10 gigabitów na sekundę, przy czym opóźnienia wynoszą zaledwie kilka milisekund. Ma to ogromne znaczenie w przypadku autonomicznych pojazdów lub zdalnego sterowania robotami.

Warto także zwrócić uwagę na protokół i system komunikacji bezprzewodowej dalekiego zasięgu nazywany LoRA (od Long Range). Jego zaletami są: niski pobór mocy i łączność na bardzo duże odległości, nawet do 10-15 km. Jeśli chodzi o szybkość transmisji danych, w systemach LoRa wynosi ona od 0,3 kb/s do 37,5 kb/s. W systemie LoRa działają czujniki, które pracują przez długi czas na baterii i mogą współpracować z fotowoltaiką.

Rozplanowanie sieci Wi-Fi w fabryce
Przed rozpoczęciem planowania dotyczącego wyboru sieci bezprzewodowej, należy dobrać właściwą częstotliwość. Pod uwagę brane są pasma 2,4 GHz, 5 GHz lub 6 GHz.  Każda z częstotliwości ma w swoim paśmie wydzielone kanały. Pasmo 2,4 GHz ma ich 14 (o szerokości 22MHz), ale tylko trzy nie nachodzą na siebie (a zatem nie generują wzajemnych zakłóceń).  Co istotne, tam gdzie istnieje dużo urządzeń radiowych, częstotliwość ta może stać się ograniczeniem.

Budując sieć Wi-Fi na terenie fabryki trzeba także zwrócić uwagę na bariery fizyczne, w tym ściany i konstrukcje metalowe, bowiem mają one kluczowy wpływ na spadek jakości sygnału.

Odpowiednie pokrycie sygnału urządzeń wymaga właściwego wyboru anteny nadawczej. W tym miejscu należy mieć na względzie to, czy urządzenia są rozlokowane na stałym, szerokim obszarze, czy też przemieszczają się w jego obrębie. Wtedy bowiem najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie anteny dookólnej. Jeśli jednak urządzenia pracują na wąskim obszarze lub wykorzystują transmisję punkt-punkt, to lepszym rozwiązaniem z pewnością będzie antena kierunkowa.

***

Systemy łączności bezprzewodowej przydatne są przede wszystkim w systemach automatyki, komunikacji M2M, a także monitoringu i diagnostyki, co wymaga zbierania danych z rozproszonej sieci czujników. Coraz częściej łączność bezprzewodową wykorzystuje się do zdalnego sterowania pracą systemów oddalonych od siebie, a także w systemach bezpieczeństwa.

Rosnąca popularność komunikacji bezprzewodowej wynika m.in. z coraz mniejszych kosztów, jakie należy ponieść na jej wdrożenie. Dużą zaletą jest także mobilność – zarówno maszyny, jak i urządzenia przemysłowe działające w sieci bezprzewodowej mogą się swobodnie przemieszczać. Z kolei pracownicy mogą za pomocą tabletów bądź smartfonów nadzorować procesy. A to z kolei jest dużą zaletą, zwłaszcza w branży spożywczej.

Należy równocześnie pamiętać o zagrożeniach wynikających z zakłóceń, zaników sygnału czy nawet ataków hakerskich. Konieczne jest zatem podjęcie działań zmierzających do zminimalizowania tego typu niebezpieczeństw.