Статьи

Отбор по условию

Словарь автоматизатора




Дистанционное образованиеИнформационно-поисковые системыИнформационные массивыИнформацияНаучная деятельностьОбработка данныхПрограммное обеспечениеСи -
Программное обеспечение автоматизированной системы - совокупность программ для реализации целей и задач автоматизированной системы.

Весь словарь »»»








Беспроводные технологии в сфере управления

Джим Монтегю (Jim Montague), журнал CONTROL ENGINEERING

Беспроводные решения становятся все более многочисленными и разнообразными, находя свое применение не только в сфере сбора данных и мониторинга, но и в сфере управления.

В область управления и автоматизации постепенно проникает ряд беспроводных технологий связи, сбора данных, мониторинга, организации сетей и контроля. Развитие и распространение беспроводной связи, как и большинства других новых технологий, стимулируется единственной способной преодолеть корпоративную инерцию силой — постоянным стремлением к экономии, к повышению эффективности и к получению конкурентного преимущества. Ожидание от новых систем управления 50-процентного сокращения расходов на кабельную проводку, оплату труда, материалы, тестирование и верификацию является вполне естественным.

Природа вышеупомянутой силы вряд ли позволит беспроводной связи стать заменой традиционных технологий; скорее всего, следует ожидать появления гибридных архитектур, где беспроводная связь будет дополнять проводную. В таких системах беспроводные технологии смогут проявлять свою экономичность и эффективность, не приводя при этом к снижению уровня надежности и безопасности системы.

Внедрение беспроводных технологий возможно и желательно, поскольку способно решить множество серьезных проблем, однако ситуации или — или не будет. Проводная и беспроводная связь будут сосуществовать, — говорит Майкл Ивенсон (Michael Evenson), вице-президент компании NetSilicon (Уолтхэм, Массачусетс) по операциям в Европе. — Сегодня беспроводные системы встречаются довольно редко, но, полагаю, через два-три года они получат более широкое распространение. Например, беспроводные системы удаленного мониторинга очистки воды, состояния резервуаров, а также контроля горно-шахтных операций смогут приблизиться по своим характеристикам к системам контроля и управления реального времени.


Развитие взаимосвязей

Беспроводная связь, другие радио- и сетевые технологии (как новые, так и традиционные), а также технологии управления имеют много общего и нередко дополняют друг друга. Не вызывает сомнений, что в конечном итоге эта близость будет способствовать более быстрому распространению беспроводной связи. Г-н Ивенсон, например, говорит, что всё более широкое применение распределенных интеллектуальных управляющих архитектур и устройств, способных самостоятельно, на месте обрабатывать входные и выходные сигналы, ведет к появлению более автономных систем. Это означает уменьшение объемов сетевых трафиков, что, в свою очередь, способствует применению беспроводной связи как более практичного средства передачи данных. Уже разработаны технологии беспроводного подключения к локальным сетям, Интернету, сетям DeviceNet и Ethernet, обеспечивающие увеличение области охвата этих сетей и способствующие созданию различных приложений с возможностями беспроводной связи.

Беспроводных технологий довольно много, а потому нелишне будет ознакомиться с их происхождением, областями применения и способами реализации (см. врезку "Стандарты беспроводной связи"). Дополнительно рассматриваются такие характеристики, как скорость и дальность передачи, а также вопросы совместимости и помехоустойчивости.


Многообразие видов беспроводной связи

Как и в случае проводной связи, существует несколько протоколов и методов обмена сигналами по беспроводным каналам. Эти методы возникли из различных радиочастотных технологий и до сих пор с этими технологиями ассоциируются. Сюда входят и обычная радиосвязь, и сотовая телефония; в последнее время к ним добавились портативные и карманные компьютеры, а также другие подключаемые к персональным сетям (в частности Bluetooth) мобильные устройства с web-браузерами.

В основе большинства методов беспроводной связи, рассматриваемых как вероятные кандидаты на применение в сфере управления, лежат насчитывающие уже не один десяток лет технологии рассеянной передачи и цифровой коммутации пакетов. Рассеянная (шумоподобная) передача — это передача сигнала сразу по множеству каналов в пределах выделенной полосы пропускания, что способствует устранению перекрестных помех и помех при приеме, а также предотвращает перегрузку каналов. На приемном конце происходит восстановление исходного сигнала из одинаковых шумоподобных порций. Коммутация пакетов тоже позволяет организовать более эффективную связь, обеспечивая увеличение скорости передачи и объемов передаваемых данных.

Некоторые стандарты беспроводной связи определены Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и находится в его ведении, будучи частью семейства стандартов 802 (это семейство расширяется по мере роста скоростей передачи и появления новых функциональных возможностей).

Часть стандартов беспроводной связи дала сотовая телефония. Сюда входят стандарты Bluetooth, Wireless Application Protocol (WAP) и Third-Generation (3G). Существуют стандарты, представляющие собой расширения обычных промышленных шин (такие как Wireless DeviceNet), а есть и ориентирующиеся на более специальные области применения (радиочастотная идентификация, системы обработки штрих-кодов).


Беспроводные сети Ethernet

Беспроводная связь может использоваться со многими сетевыми технологиями, но наибольшее распространение, она, по всей видимости, получит в сетях Ethernet. Компания Rockwell Automation, например, собирается использовать свой протокол передачи управляющей информации CIP (Control Information Protocol) в сетях на базе беспроводного Ethernet (стандарт IEEE 802.11b). Благодаря этому, беспроводное оборудование компании Rockwell сможет решать те же задачи, что и проводные системы, говорит Кенвуд Холл (Kenwood Hall), вице-президент компании Rockwell Automation Advanced Technology Group (Мэйфилд-Хайтс, Огайо) по архитектурам и системным технологиям.

Бенсон Хуглэнд (Benson Hougland), технический директор компании Opto 22 (Темекула, Калифорния) по маркетингу, говорит: "Стандарт 802.11b привлекает столь большое внимание, поскольку он, как и Ethernet, хорошо известен специалистам и характеризуется более низкими затратами на внедрение. Стандарт 802.11b обеспечивает интероперабельность, имеет сформировавшуюся инфраструктуру и обладает неплохими шансами стать одним из общепринятых стандартов".

Компания Grupo Antolin (Хопкинсвилль, Кентукки), к примеру, недавно начала применять средства беспроводной связи Snap Wireless LAN I/O компании Opto 22 в гидромониторных роботах фирмы Robotic Production Technology (RPT, Оберн-Хиллз, Мичиган), используемых Grupo для внутренней отделки кузовов автомобилей. Обмен данными между роботами и программным комплексом PowerNet ControlLinc компании Control Inc. (Вулдридж, Иллинойс) осуществляется при помощи устройств Snap Wireless LAN I/O, радиотерминалов сбора данных (частота 2,4 ГГц) и устройств доступа в сеть компании Symbol Technologies. По беспроводной сети передаются коды деталей, схемы проклеивания, схемы прокладки кабелей и другая информация. Компания Grupo сообщает о значительном росте производительности, увеличении точности выполнения производственных операций, а также о снижении затрат на рабочую силу, в частности, о переходе с трехсменного графика на две с половиной рабочих смены в день.

Хотя г-н Холл и утверждает, что во многих случаях беспроводные системы все еще стоят дороже проводных, он согласен, что для пользователей связь по беспроводной Ethernet-сети выглядит так же, как и в случае обычного физического подключения. Пользователи имеют возможность программировать процессоры, осуществлять настройку и контроль аппаратуры, управлять оборудованием, создавать мобильные многофункциональные операторские интерфейсы для больших технических комплексов, а также устанавливать беспроводные устройства ввода/вывода и датчики в тех местах, где прокладка обычных кабелей и возможные неисправности могут обойтись слишком дорого. "Беспроводная связь хороша там, где нет приемлемой "кабельной" альтернативы, либо в тех случаях, когда кабели приходится менять слишком часто", — говорит г-н Холл.


Препятствия, надежность и безопасность

С ростом числа устройств, объемов передаваемых данных и с появлением дополнительных источников помех происходит снижение уровня сигнала и пропускной способности как в проводных, так и в беспроводных сетях. Однако нередко беспроводное оборудование позволяет преодолеть эти и другие физические препятствия.

Стены зданий, станки, движущиеся металлические и другие объекты производственной системы создают помехи, отражают, а иногда и гасят передаваемые сигналы, что приводит к необходимости отсутствия между передающей и приемной антеннами каких-либо препятствий. Нередко для решения этих и других нетривиальных проблем приглашаются специалисты по беспроводной связи, которые выполняют обследование условий эксплуатации, определяют точки доступа, места установки вспомогательных антенн и прочих компонентов, необходимых для работы данной системы.

Обследование места эксплуатации позволяет выявить все проблемы, с которыми может столкнуться пользователь беспроводной сети. В число таких проблем входят затухание сигнала, влияние бетонных стен, различных физических препятствий, электромагнитные помехи и др., — говорит г-н Хуглэнд из компании Opto 22. — При этом следует еще раз уточнить, каких целей планируется достичь путем внедрения беспроводной связи, и уже с этих позиций решить вопрос о целесообразности применения данной системы.

Использование широкополосных технологий, обеспечивающих повышенную степень защиты, может значительно повысить надежность связи. Например, рассеянная (шумоподобная) передача с перескоком частоты надежнее, чем традиционная модулированная передача: в образовании каждого пакета участвует несколько частот, и потому любой перехваченный сигнал звучит как шум. Кроме того, как утверждает Билл Арнольд (Bill Arnold), менеджер по маркетингу сетевых устройств и устройств ввода/вывода из компании Omron Elctronics (Шомберг, Иллинойс), теперь рассеянная передача осуществляется на частотах 2,4 ГГц, и ей не страшны ни микроволновые устройства, ни двигатели с переменной частотой вращения, ни сварочное оборудование, ни двигатели переменного тока, поскольку генерируемые таким оборудованием помехи лежат в килогерцовом и мегагерцовом диапазонах.

Невидимость соединения при передаче информации беспроводным способом вызывает естественные опасения несанкционированного доступа. Для защиты от перехвата данных, говорит г-н Холл, в беспроводной сети Ethernet вскоре будут реализованы весьма надежные криптографические алгоритмы на основе 128-разрядных ключей. Эти алгоритмы станут дополнением к существующим механизмам регистрации и другим мерам безопасности.


Беспроводные системы и конвейеры

Что, если бы в случае поломки какой-либо детали конвейера у вас была возможность не останавливать на несколько часов всю систему, а просто вынуть неисправную деталь, причем конвейер продолжал бы работать? В конце концов, выход из строя одной детали — это ведь не тотальное разрушение. Именно такое простое рассуждение и лежит в основе выпускаемых компанией Ward Systems Inc. (Грасс-Вэли, Калифорния) систем PowerPallets первого и второго поколений.

Вместо того чтобы выпускать обычные, жестко привинченные к полу моторизованные конвейеры, основатель компании подошел к делу с другой стороны и сделал активным компонентом системы "команду" полуавтономных конвейерных тележек с аккумуляторным питанием и идентификацией по радиоканалу. Тележки перемещались как миниатюрные автоматические управляемые машины (робокары) и при необходимости могли быть в любой момент "сняты с дистанции". Подобный подход обеспечивает не только сокращение времени простоев, уменьшение степени износа механических компонентов и уровня энергопотребления, но и большую гибкость в планировании техобслуживания.

Управление 25 тележками, используемыми в системе PowerPallet на предприятии Hexcel Manufacturing (Стэмфорд, Коннектикут), осуществляется встроенными контроллерами, связанными с центральным ПЛК системой Wireless DeviceNet компании Omron (Шомберг, Иллинойс). Тележки могут передвигаться со скоростью до 75 м/мин, замедляясь в нужный момент до 2 м/с при помощи средств радиочастотной идентификации. В задачи центрального контроллера входит определение трасс, согласование тележек по времени и разрешение конфликтов в местах пересечения трасс.

По словам Билла Арнольда (Bill Arnold), менеджера по маркетингу сетевых устройств и устройств ввода/вывода из компании Omron Elctronics, применение системы Wireless DeviceNet позволяет не только сэкономить на кабелях, но и более гибко планировать структуру предприятий и производственных линий в отсутствие необходимости прокладки многочисленных соединительных кабелей. 34 канала системы могут обслуживать 34 устройства или 34 станции, к каждой из которой подключено по 32 подчиненных устройства.

Не препятствуя сохранению основной магистрали и обычных топологий, система Wireless DeviceNet может дополнять или частично заменять их беспроводными каналами связи с интеллектуальными DeviceNet-узлами, способными самостоятельно выполнять многие сложные операции, — говорит г-н Арнольд. — Подобное децентрализованное управление обеспечивает более быструю реакцию на меняющиеся производственные требования, более эффективное использование имеющихся производственных площадей и большую оперативность выполнения заказов. Модификация же кабельной системы оказывается зачастую просто невозможной из-за связанных с этим процессом высоких расходов.


Радиочастотный обмен в пищевой промышленности

Многие предприятия пищевой промышленности были бы не прочь использовать радиосвязь для автоматизации своих производственных операций. Однако большая часть используемого на таких предприятиях оборудования заключена в металлические корпуса, снабжена электрическими двигателями, промывается водой под высоким давлением и построена в строгом соответствии с указаниями Департамента США по сельскому хозяйству — в общем, представляет собой с точки зрения беспроводных технологий смесь сильных радиопомех с неблагоприятными условиями эксплуатации.

Чтобы помочь одному расположенному в Форт-Смите (Арканзас) крупному предприятию по переработке птичьего мяса улучшить процесс сбора информации, повысить коэффициент использования средств автоматизации и справиться с частыми реконфигурациями, компании Weigh System South (WSS, Уолдрон, Арканзас) и Data Comm for Business (DCB, Шампейн, Иллинойс) разработали и внедрили беспроводную систему сбора и передачи данных WSS SR-1W, объединяющую до 96 устройств. В основе этой системы лежит радиорелейная технология рассеянной передачи на частотах 900 МГц и 2,4 ГГц, способная работать как внутри зданий, так и на открытом воздухе (с дальностью связи до 25 км.).

Изначально каждый взвешивающий агрегат соединялся с центральной станцией накопления данных линиями RS-232, однако постоянные модификации производства в соответствии с меняющимися требованиями по обработке продуктов заставили отказаться от практики кабельных соединений. Эксперименты с инфракрасными сканерами, считывателями штрих-кодов и другими приемопередатчиками показали одинаковую неэффективность всех этих технологий.

Наконец, в производственном цехе по разделке и удалению костей 43 беспроводных устройства фирмы DCB были подключены компанией WSS к центральной системе. Сигналы устройств передавались и мультиплексировались практически мгновенно единственным центральным приемопередатчиком. Была также организована беспроводная связь всех 43 взвешивающих агрегатов с сервером под управлением Microsoft Windows NT, на что потребовалось три выходных дня. С тех пор практически не было случаев влияния помех на систему рассеянной передачи. Устройства фирмы DCB заключены в двойной корпус, обеспечивающий защиту от попадания влаги при мытье водой под давлением до 2000 фунтов на квадратный дюйм.

Внедрение беспроводной системы сбора данных позволило, кроме того, повысить точность заполнения нарядов. Например, беспроводная система компании DCB способна предупреждать рабочий персонал о приближающемся завершении выполнения заказа, что приводит к практически полному отсутствию потерь мяса. По окончании выполнения текущего заказа систему просто инициализируют для выполнения следующего (а не изменяют схему кабельной разводки, как раньше).

Ожидаемое в связи с повышением точности увеличение объемов выпуска должно составить 2 процента при обработке 180 тонн куриного мяса за смену. Кроме того, увеличение скорости передачи данных позволяет занятым на разделке мяса рабочим обрабатывать больше тушек, что означает и больший заработок. Наконец, система способна контролировать выработку каждого отдельного рабочего, что способствует более точному начислению заработной платы.

Источник: Why not wireless? Control Engineering October 2001, www.controleng.com


Врезка 1. Стандарты беспроводной связи

Беспроводная связь и методы организации беспроводных сетей опираются на такие технологии, как цифровая коммутация пакетов, рассеянная передача по полосе частот (шумоподобная передача), сотовая телефония и т.д. В число самых известных беспроводных стандартов входят следующие:

  • Два основных стандарта локальных беспроводных сетей. Первый, существующий уже 12 лет стандарт IEEE 802.11b, предусматривает работу на частоте 2,4 ГГц со скоростью передачи 11 Мбит/с на расстояния до 100 м. Второму стандарту (IEEE 802.11a) всего два года. Он определяет функционирование устройств на частоте 5 ГГц при скорости передачи 54 Мбит/с и дальности подключения опять-таки до 100 м. В последнее время цены в пересчете на один узел упали с 1000 до 120 долларов. Помимо этих двух, в разработке находятся несколько других стандартов семейства 802; в ближайшем будущем таких стандартов ожидается еще больше. Дополнительную информацию о стандартах семейства IEEE 802 можно найти на web-страницах www.spectrum. ieee.org и www. standards.ieee.org/ getieee802.
  • Стандарт Bluetooth, разработанный группой Bluetooth Special Interest Group и получивший обозначение IEEE 802.15. Он также определяет работу на частоте 2,4 ГГц, но со скоростями передачи 722𥃨 Кбит/с и с расстояниями до 10 м. Стоимость составляет порядка 100 долларов на узел, однако падение цен ожидается и здесь. Дополнительную информацию можно найти на сайте www.bluetooth.com.
  • Стандарт Third-Generation (3G) представляет собой стандарт сотовой телефонии, контролируемый Международным союзом по телекоммуникациям (ITU). По имеющимся сведениям, скорость передачи данных в этом стандарте составляет 2 Мбит/с для стационарных и 384 Кбит/с для мобильных систем. Адрес союза ITU в Интернете — www.itu.int.
  • Стандарт Wireless Application Protocol (WAP) — это еще один родившийся в области сотовой связи стандарт; в настоящее время опирается на язык WML (wireless markup language). Дополнительную информацию можно найти на web-сайте форума WAP Forum по адресу www.wapforum.org.

Врезка 2. Беспроводная сеть Ethernet на линии транспортировки угля

Модернизируя в апреле 2001 года на электростанции D.B.Wilson с мощностью 440 МВт устаревшую систему управления восьмисекционным 3,6-километровым угольным конвейером, специалисты из компании-владельца Western Kentucky Energy (WKE, Хендерсон, Кентукки) и фирмы-интегратора ECS Engineering (Элберфилд, Индиана) приняли решение использовать беспроводную систему связи.

По их оценкам, подключение удаленных секций конвейера и соответствующих систем управления оптоволоконными кабелями обошлось бы в 368 тысяч долларов, или на 60% больше суммы в 425 тысяч, выделенной и затраченной на внедрение беспроводной системы связи. При этом реализация "оптоволоконного" проекта заняла бы от четырех до шести недель, в то время как "беспроводной" вариант потребовал всего полторы недели.

Начало конвейерной линии находится около реки Грин-Ривер, загрузка угля на конвейер осуществляется погрузчиком грейферного типа по 80𤸼 тонн с одной баржи. В общей сложности за день разгружается по 10㬈 барж.

По словам Винса Вулдриджа (Vince Wooldridge), главного электрика станции D.B.Wilson, внедрение беспроводной связи не потребовало особых усилий, поскольку на конвейере уже использовались системы управления на базе ПЛК Allen-Bradley ControlLogix компании Rockwell Automation; функциональные возможности этих систем были просто расширены поддержкой беспроводной технологии Ethernet/IP. Другие специалисты электростанции также не сомневались в успехе, поскольку внедрение в 1998 году беспроводной сети Ethernet в систему управления штабелеукладчиком и шихтосмесителем прошло без каких-либо осложнений.

В состав новой системы управления конвейерной линией вошли две радиоантенны, подсеть, охватывающая три сегмента и диспетчерскую, а также подключаемые к Ethernet-линиям радиопередатчики BreezNet. Хотя скорость передачи данных составила лишь 3 Мбит/с вместо номинальных 12, новая система оказалась быстрее своей предшественницы, построенной на основе сети Data Highway. По словам торгового представителя фирмы ECS Грега Мидкиффа (Greg Midkiff), новая беспроводная система столь же устойчива и надежна, как и старая проводная.

Многие специалисты настороженно относятся к радиосвязи, поскольку она ассоциируется у них с дедушкиным радиомагазином, — говорит г-н Мидкифф. — Сегодняшняя радиоаппаратура не уступает по надежности проводным системам.

Беспроводным способом передаются как цифровые, так и аналоговые сигналы для управления пусками и остановками конвейера. "Новая система занимается тем же, чем и старая, но гораздо более надежна и реже отказывает. Теперь мы имеем более точные сведения о потребляемом двигателями токе и состоянии коммутационной аппаратуры, что помогает нам при проведении профилактики оборудования и устранении неполадок. Время работы и вес транспортируемого угля регистрируются автоматически. Раньше такого не было; показания весов нам приходилось снимать вручную, — говорит г-н Вулдридж. — В сущности, единственной проблемой, с которой нам пришлось столкнуться, было росшее между антеннами дерево, которое мы срубили. Погодные условия и даже молнии во время гроз не мешали нормальной работе новой системы связи".



Другие статьи раздела:


 


| Новости | Организации | Описания | Форум | Публикации | Регистрация |
Copyright © 2000 - 2001 ГОСНИИСИ. Авторские права охраняются.
Воспроизведение материалов или их частей в любом виде без письменного разрешения запрещено.
 
 
Rambler\'s Top100