Jak pokonać bariery w stosowaniu technologii bezprzewodowych?

Czy sieć bezprzewodowa jest lepsza czy gorsza od przewodowej? Prawidłowa odpowiedź brzmi: jest inna. Istnieje mnóstwo technologii bezprzewodowych dopasowanych do potrzeb różnych użytkowników. Czy można ich użyć do każdego zastosowania? Nie, ale w wielu z nich okazują się bardziej elastyczne i opłacalne niż sieci przewodowe. Pozostają jednak wciąż kwestie dotyczące bezpieczeństwa, wydajności i niezawodności, które powstrzymują część użytkowników przed szerokim stosowaniem technologii bezprzewodowych? Czy uda się rozwiać te obawy?

1. Bezpieczeństwo

To pierwszy temat jaki pojawia się w trakcie dyskusji nad bezprzewodową siecią przemysłową, a decyzja o jej instalacji jest poprzedzona ożywioną wymianą zdań. Personelowi technicznemu zależy na zapewnieniu ciągłości produkcji, a stosowane środki bezpieczeństwa mają na celu zabezpieczanie procesów i urządzeń zakładowych. Inżynierowie IT chcą natomiast, aby systemy umieszczone w zakładzie współdziałały bezproblemowo z resztą sieci i nic nie zagrażało bezpieczeństwu informacji korporacyjnych. Choć różnią się podejściem, obie te grupy łączy troska o bezpieczeństwo firmowych systemów komunikacyjnych.

Obecnie istnieją mechanizmy zabezpieczeń sieci bezprzewodowych, które godzą interesy obu stron. Mimo to, nie zawsze się docenia możliwości jakie drzemią w sieciowych urządzeniach bezprzewodowych i sposoby ich wykorzystania do poprawy wydajności produkcji. Współczesne techniki szyfrowania nie pozwalają na odczytanie danych przez osoby niepowołane, a filtrowanie i silny mechanizm uwierzytelniania pozwala na dostęp do sieci tylko autoryzowanym urządzeniom. Mechanizmy opracowane przez rząd USA do przesyłania tajnych informacji są dziś wykorzystywane w urządzeniach bezprzewodowych, co jest dobrą odpowiedzią na wiele kwestii dotyczących bezpieczeństwa informacji, aktywów i niezawodności procesów.
Nie należy więc rozpatrywać dyskusji o bezpieczeństwie przemysłowych sieci bezprzewodowych jako sprzeczności interesów inżynierów IT i zakładowego personelu technicznego, tylko raczej jako wymianę zdobytych doświadczeń. Inżynierowie i technicy zakładowi mają duże doświadczenie w utrzymywaniu niezawodnego działania systemu przez 24 h na dobę i 7 dni w tygodniu - rozumieją też rolę niezawodności w trakcie wdrażania systemów automatyki. Personel IT doskonale z kolei rozumie jak ważne jest współdziałanie różnych systemów i zarządzanie siecią. Oba te podejścia uzupełniają się, jeśli tylko istnieje współpraca..

Współpraca z działem IT

Działy IT z reguły wykorzystują na szerszą skalę technologię bezprzewodową w zarządzanych przez siebie sieciach i dążą do upowszechnienia tej praktyki w celu sprawnego współdziałania z innymi sieciami. Są też pomocne w wyborze technologii, które będą później stosowane. Jeśli jednak dział IT nie jest zaangażowany w projekt od początku i chcemy działać na własną rękę, będzie się starał nas powstrzymać. W takiej sytuacji dobrze jest zdać się na pomoc dostawcy rozwiązań bezprzewodowych. Z reguły rozumie on potrzeby obu stron i jest w stanie znaleźć ogólnie akceptowane rozwiązanie. Jest także świadomy ograniczeń technologicznych, jakie występują w hali produkcyjnej, które nie są oczywiste dla personelu IT – potrafi jednak sprawić, że szybko rozumieją ich znaczenie.

Kwestią otwartą pozostają środki bezpieczeństwa, które należy przedsięwziąć, aby zapewnić taki sam poziom bezpieczeństwa do jakiego przyzwyczaiły nas sieci przewodowe. Obecnie stosowane standardy w sieciach bezprzewodowych są w stanie w pełni je zabezpieczyć i spełnić różne wymogi przedsiębiorstwa, często narzucane przez względy biurokratyczne. Przykładowo, branże poddane licznym regulacjom, jak np. farmaceutyka muszą przestrzegać ścisłych zasad zbierania danych, co sprawia, że ich działy IT są bardziej wyczulone na kwestię bezpieczeństwa

Jestem inżynierem zajmującym się sterowaniem procesami. Kto odpowiada za sieć w przypadku awarii systemu? Jak szybko można ją zdiagnozować i uporać się z nią?

To trudna kwestia dla inżynierów zajmujących się nadzorowaniem procesów produkcyjnych, ponieważ utrata kontroli nad nimi jest przeciwna ich naturze. W przypadku sieci bezprzewodowych powinny istnieć takie same zasady podziału odpowiedzialności, jak w przypadku klasycznych sieci Ethernet. W niektórych przypadkach personel IT odpowiada za wszystko, co jest podłączone do sieci Ethernet. W innych to zakład jest odpowiedzialny za wszystko, co jest związane z wydajnością produkcji. Czasami IT bierze udział w podejmowaniu decyzji dotyczących struktury sieci i wyboru częstotliwości, ale potem zakład jest odpowiedzialny za instalację i konserwację systemu. Istotne jest, aby w każdym przypadku był jasno określony zakres odpowiedzialności, a wybrana technologia bezprzewodowa zapewniała narzędzia diagnostyczne przydatne dla obu stron.

Rozwiązywanie problemów w hali produkcyjnej

Właściwe narzędzia diagnostyczne to podstawa skutecznego rozwiązywania problemów.
W świecie IT narzędzia te są oparte o protokół SNMP (Simple Network Management Protocol), który jest obsługiwany przez niektóre przemysłowe moduły radiowe. Bardziej zaawansowana diagnostyka wykorzystuje rozwiązania OPC umożliwiające integrację diagnostyki z systemem. Chociaż procedury są różne w poszczególnych firmach da się zaobserwować trend naśladowania rozwiązań wypracowanych w sieciach przewodowych. Jedna rzecz pozostaje niezmienna, bez względu na rodzaj sieci - gdy o drugiej w nocy „pada” linia produkcyjna, u kierownika zakładu odzywa się telefon.

Bez względu na to, kto jest właścicielem sieci, trzeba uczciwie powiedzieć, że rozwiązywanie problemów z sieciami bezprzewodowymi to całkiem inny proces niż w przypadku klasycznej sieci przewodowej Ethernet. Przede wszystkim sieć radiowa nie jest namacalna, nie można jej tak po prostu wziąć do ręki. Może zostać zainfekowana z zewnątrz, a przy próbie znalezienia problemu infekcja może się rozprzestrzeniać. Dlatego tak ważne jest posiadanie właściwych narzędzi do monitorowania i diagnozowania systemu. Podobnie jak w przypadku wszystkich innych komponentów systemu powinna zostać jednoznacznie określona osoba , która wie jak użyć tych narzędzi i rozumie działanie sprzętu. Ważny jest dobór dostawcy, który może pomóc w procesie implementacji systemu oraz w wyborze właściwych narzędzi, technologii i programu wsparcia technicznego. Dzięki temu ktoś, kto jest obeznany z diagnostyką sieci przewodowych będzie mógł również monitorować sieć radiową.

2. Wydajność

Jaką mogę mieć pewność, że system bezprzewodowy spełni moje wymagania, co do przepustowości, zwłaszcza w dalszej perspektywie?

Po pierwsze musimy dokładnie wiedzieć, czego oczekujemy od systemu bezprzewodowego. Przede wszystkim należy określić wymagania stawiane sieci, cele jakim ma służyć i charakter środowiska pracy. Jakie będą występować odległości i jaka prędkość będzie konieczna? Czy będzie potrzebny mobilny dostęp dla pracowników? Czy sieć ma działać na terenie otwartym czy we wnętrzu? Czy występują powierzchnie refleksyjne oraz ruchome, obrotowe i wibrujące elementy maszyn? Jakie przewidywalne natężenie ruchu ma zapewnić sieć? Istnieje wiele odmian sieci bezprzewodowych dopasowanych do różnego rodzaju zastosowań.

Po drugie należy starannie dobrać dostawcę usług. Należy wykorzystywać technologię do zastosowań przemysłowych od takiego dostawcy, który dokładnie potrafi określić, co będzie nam potrzebne w konkretnym zastosowaniu i jest w stanie wybrać rozwiązanie skalowalne, przystosowane do tempa rozwoju naszego systemu. Powinien to być dostawca, który dokładnie zna urządzenia i przebieg procesów produkcyjnych w firmie i potrafi dobrać odpowiednią kombinację narzędzi diagnostycznych. Niektórzy dostawcy oferują zintegrowane rozwiązania HMI wykorzystujące technologię OPC, które umożliwiają wizualizację stanu sieci. Dobrze jest też sprawdzić, czy możemy liczyć na wartość dodaną, np. w postaci przeprowadzanego audytu. Są to rzeczy, na które należy zwrócić uwagę przy określaniu specyfiki projektu. W przypadku niektórych zastosowań nie można jednak wykorzystać technologii bezprzewodowej. Na przykład linie produkcyjne używające 1000 punktów I/O w ciągu milisekund. Obecne technologie bezprzewodowe nie są wstanie sprostać takiemu poziomowi wydajności.

Jak można zabezpieczyć sieć przed skutkami interferencji wywołanej sąsiednią instalacją bezprzewodową?

Przede wszystkim powinnyśmy wykorzystać swoją wiedzę o lokalizacji przy budowaniu programu monitorującego stan systemu. Dokładne określenie wymagań, które musimy spełnić, pozwoli nam przewidzieć wydajność sieci bezprzewodowej w dalszej perspektywie. Dział IT powinien okresowo badać sieć, monitorując pojawianie się nowych użytkowników oraz inne zmiany w środowisku sieciowym, a także mierzyć interferencje pochodzące z zewnątrz, co pozwoli zapewnić stały poziom wydajności. Jednak nawet doskonale zrealizowana sieć z dobrym planem ograniczania wpływu interferencji nie jest odporna na ciągłe zmiany zachodzące w środowisku RF – wystarczy że sąsiad zmieni położenie swej instalacji i zacznie zakłócać naszą. Można jednak podjąć określone środki bezpieczeństwa lub dostosować swój system w celu zmniejszenia szkodliwego oddziaływania zewnętrznego.

Istnieje kilka sposobów zabezpieczeń. Dobrze jest na początku wybrać elastyczny zakres częstotliwości, który może być zmieniany w razie potrzeby ( standard 802.11n ma 24 kanały w paśmie 5GHz.). Inną skuteczna metodą jest stosowanie anten kierunkowych, poprawiających komunikację między modułami radiowymi i ograniczających wpływ interferencji - choć dokładne ustawienie anten, zwłaszcza przy dużych odległościach, jest trudne. Wymienione wyżej zaawansowane rozwiązania instalacyjne są realizowane na miejscu przez czołowych dostawców technologii po dokładnym zbadaniu konkretnej lokalizacji.

3. Niezawodność

Czy sieci bezprzewodowe są bardziej zawodne od przewodowych? Nie, są po prostu inne. Problem interferencji występuje również w sieciach przewodowych - nie należy np. prowadzić kabli tuż obok napędów. Sieć bezprzewodowa wymaga innego podejścia. Istotne są takie czynniki jak linia wzroku (czyli brak przeszkód między nadajnikiem a odbiornikiem, ang. LOS, Line of sight), wybór odpowiednich modułów radiowych i anten. Należy wziąć pod uwagę specyfikę działania urządzeń bezprzewodowych w zależności od konkretnego zastosowania. W wielu przypadkach klasyczne sieci przewodowe są bardziej zawodne, zwłaszcza w przypadku ruchomego osprzętu, gdzie do komunikacji wykorzystuje się pierścienie ślizgowe. Specyfika tego środowiska powoduje, że przez cały czas kable poddawane są zginaniu powodującemu uszkodzenia i degradacje.

Czy technika bezprzewodowa może być z powodzeniem stosowania do sterowania procesami technologicznymi?

Odpowiedź brzmi: w wielu przypadkach tak. W przemyśle nadal szeroko wykorzystuje się standard Ethernet do sterowania procesami, ale tuż za nim czai się technologia bezprzewodowa. Niektóre urządzenia bezprzewodowe są na tyle zaawansowane, że mogą działać jako switche zarządzalne, pozwalające na inteligentne filtrowanie pakietów. Inne wspierają aplikacje deterministyczne i charakteryzują się dużą elastycznością, prędkością, precyzją i przewidywalnością. W tego typu realizacjach bardzo ważne jest, aby projekt systemu i zastosowana technologia były starannie zaplanowane i zrealizowane w ścisłej współpracy z integratorem systemów i dostawcą rozwiązań. Innym problemem jest walka ze stereotypowym postrzeganiem technologii bezprzewodowej jako niepewnej. Każdy posiadacz komputera korzystający z internetu ma doświadczenia z wi-fi: są to głównie wspomnienia o awariach routerów i resetowaniu modemu. Czy ktoś chciałby to powtórzyć w nowoczesnej hali produkcyjnej? Tymczasem istniejące dzisiaj produkty bezprzewodowe wykorzystywane w środowisku przemysłowym są znacznie bardziej wytrzymałe i niezawodne od tych przeznaczonych do zastosowań konsumenckich. Pojawiają się nowe technologie i narzędzia pozwalające przewidzieć zbliżającą się awarię systemu, a nowe interfejsy użytkownika informują w czasie rzeczywistym o stanie sieci. Ujmując to obrazowo: po wymianie kabli na anteny w wielu zastosowaniach na świecie odnotowano znaczący wzrost wydajności i niezawodności – a tam gdzie stosowano ruchomy osprzęt do komunikacji, technologia bezprzewodowa spowodowała także znaczną redukcję kosztów oraz ograniczenie ilości przestojów i nakładów na konserwację.

Przykładowo, Procter & Gamble specjalnie w celu zwiększenia wydajności systemu wdrożył technologię bezprzewodową. W zakładzie wymieniono pierścienie ślizgowe i zastąpiono je siecią bezprzewodową zaprojektowaną w celu optymalizacji istniejącej sieci EtherNet/IP. Wykorzystano standard 802.11n i częstotliwość 5GHz ( wykorzystywaną równolegle do nasyconego już pasma 2.4 GHz). Nowa sieć sprostała wymaganiom co do wydajności – odnotowano mniej odrzuconych pakietów, żadnego przestoju spowodowanego błędami komunikacji oraz, co najważniejsze, nowe rozwiązanie spotkało się z pełną aprobatą personelu technicznego

Liberty Airport Systems (Ontario, Kanada) projektuje na zamówienie systemy oświetlania pasów startowych. Niezawodność działania systemu oświetlenia ma kluczowe znaczenia dla ułatwienia ruchu samolotów, bowiem każde zakłócenie jego działania przekłada się na opóźnienie, odwołanie bądź zmianę trasy lotu, a w najgorszym przypadku może doprowadzić do wtargnięcia na pas. Główne linie komunikacji światłowodowej biegną pod pasem startowym i w przypadku ich uszkodzenia mogą go całkowicie wyłączyć z użytkowania. Firma Liberty wykorzystuje sieci bezprzewodowe jako niezależny zapasowy system komunikacyjny w wielu swoich instalacjach w celu przedłużenia ich pracy i zmniejszenia kosztów utrzymania. Na jednym z lotnisk linia światłowodowa została uszkodzona w trakcie prac – zapasowy system komunikacji bezprzewodowej działał płynnie przez tydzień, w trakcie którego naprawiano światłowód.

Podsumowanie

Kluczem do pokonywania przeszkód teraz i w przyszłości jest właściwe zrozumienie, zaplanowanie i realizacja sieci bezprzewodowej. Sieć bezprzewodowa nie jest rozwiązaniem typu “zainstaluj i zapomnij”. Należy monitorować stan sieci i już na samym początku zaangażować w jej tworzenie personel IT. Jeśli dostaną odpowiednie narzędzia i wsparcie pomogą nam dbać o właściwy stan sieci - dzięki temu będziemy mogli korzystać z elastyczności i uniwersalności sieci bezprzewodowych, często przekładających się na znaczne oszczędności.