Łączność bezprzewodowa – wymagania dla zakładów produkcyjnych

Wojciech Pawlak
Ekspert FPPP

Na pierwszy rzut oka możliwości jest wiele: sieci komórkowe (publiczne i prywatne) w standardzie 4G/5G, rodzina sieci opartych o standard IEEE 802.11 (WiFi), technologia Bluetooth, UWB, IEEE 802.15.4, sieci LPWAN (ang. Low-Power Wide Area Networks): NB IoT, LTE-M, LoRaWAN, SigFox… W oparciu o jakie kryteria dokonać wyboru i czy istnieje tylko jeden najlepszy wybór?

Zagadnienie nie jest trywialne, ponieważ wymagania klientów z obszaru przemysłu ciężko opisać zamkniętym zbiorem parametrów i ich wartości. Można natomiast dość dobrze wskazać kategorie wymagań i ustrukturyzować dalsze rozważania.

Przede wszystkim kluczowa jest odpowiedź na pytanie „po co?”, czyli zastosowanie / przypadki użycia. Typowe odpowiedzi to zwykle:

• Zapewnienie wygodnej łączności dla komputerów, laptopów, smartfonów do połączenia z siecią firmową i Internetem. Tylko tyle i aż tyle. Jak zauważono we wstępie, rolę tę z powodzeniem spełnia standard WiFi i nic nie wskazuje, aby ta sytuacja miała się zmienić. Urządzenia są tanie, powszechnie dostępne, proste w konfiguracji i zapewniają oczekiwaną w tym przypadku wydajność.
• Komunikacja będąca ekwiwalentem (w sensie niezawodności i stabilności) sieci przewodowych. Zwykle do zapewnienia łączności z systemami OT krytycznymi dla przedsiębiorstwa i ciągłości procesów wytwórczych, np. kontrolery PLC, systemy SCADA, współpraca z sieciami standardu ProfiNet. W segmencie bezprzewodowym tylko dwie technologie są w stanie zapewnić akceptowalne parametry niezawodności: dedykowane, separowane sieci oparte na IEEE 802.11 z dodatkowymi rozszerzeniami proponowanymi przez poszczególnych dostawców i wsparciem dla protokołów TSN (ang. Time Sensitive Networking; Industrial WLAN) oraz zamknięte prywatne sieci komórkowe LTE/5G (sieci kampusowe).
• Zbieranie danych z licznych czujników IoT (temperatura, wilgotność, charakterystyka dźwięku, wibracje, pomiary napięcia i natężenia, pomiary gazów) i ich dalsze przetwarzanie. Zwykle w trzech celach: monitorowania parametrów środowiska, ciągłego i scentralizowanego monitorowania procesów produkcyjnych (ang. Manufacturing Operations & Control wg normy ANSI/ISA-95) oraz detekcji anomalii i przewidywania awarii (ang. Predictive Maintenance). W przypadku czujników IoT panuje chyba największa dowolność w wyborze technologii bezprzewodowej – bardzo często, jeżeli czujniki wysyłają relatywnie niewielkie porcje danych, robią to rzadko i nie ma reżimu pracy w czasie rzeczywistym, ważnym kryterium jest oszczędność energii i długi czas życia na baterii. Wtedy preferowane technologie to BLE (ang. Bluetooth Low Energy), IEEE 802.15.4, LoRaWAN i NB IoT. Dwie pierwsze będą wymagały obecności urządzenia typu koncentrator (zwykle będącego elementem zestawu), który prześle informacje dalej (bezprzewodowe możliwości: WiFi, LTE, 5G), NB IoT komunikuje się bezpośrednio ze stacją bazową sieci komórkowej, LoRaWAN wymaga swojej własnej infrastruktury w układzie rozszerzonej gwiazdy (ang. Star-of-Stars). Dla sensorów specjalistycznych, które generują większe strumienie danych do wyboru będzie zwykle interfejs WiFi lub LTE. Co ważne – liczba czujników działających na terenie przedsiębiorstwa będzie tylko rosnąć, więc nawet niewielkie ilości danych mogą zająć istotną część dostępnego pasma. Ten aspekt – skalowalność – powinien być koniecznie brany pod uwagę w planowaniu infrastruktury bezprzewodowej.
• Monitorowanie przepływu podzespołów, urządzeń i ludzi (ang. Asset Tracking) – główne bezprzewodowe technologie z tego segmentu to RFID, UWB (ang. Ultra Wideband) i Bluetooth. Nie sposób jednoznacznie wskazać najlepszej – oferują różną dokładność (od kilkunastu centymetrów do 2-3 metrów), opóźnienia, pojemność i skalowalność kosztów. Ich dokładniejsze omówienie znajduje się w oddzielnym artykule. Ich wspólną cechą będzie, że położenie elementu śledzonego (tzw. Taga) odczytywane jest przez urządzenia (bramki, huby, skanery), które z kolei przesyłają te dane (bywa, że wstępnie przetworzone) dalej do serwera aplikacyjnego – jeżeli odbywa się to na drodze bezprzewodowej, to zwykle poprzez WiFi lub sieć komórkową (LTE, LTE-M, NB IoT, 5G).
• Łączność bezprzewodowa dla urządzeń transportu, przede wszystkim pojazdów autonomicznych AGV (ang. Automated Guided Vehicle), a w niedalekiej przyszłości dronów. Jest to obecnie gwałtownie rosnący segment w obszarze wdrożeń Przemysłu 4.0 obejmujący pojazdy autonomiczne oraz modernizacje tradycyjnych wózków widłowych. O tyle ciekawy, że generuje niebanalne wymagania w kontekście łączności. Rozwiązania nawigacyjne (LIDAR, kamery z analizą obrazu) oraz potrzeba dynamicznego zarządzania trasami floty takich pojazdów (ang. Swarm AGV Optimisation) powodują, że standardowo obecny interfejs WiFi nie zapewnia oczekiwanego poziomu stabilności i niezawodności. Jedynym rozwiązaniem wydaje się być łączność LTE/5G w formie sieci kampusowej.
• Łączność dla nietypowych akcesoriów i urządzeń stosowanych przez pracowników, np. ręczne czytniki kodów, skanery RFID, okulary AR/VR – praktyka rynkowa pokazuje, że urządzenia te wyposażone są w interfejsy Bluetooth (do współpracy ze smartfonem lub bramką Bluetooth),Wifi lub LTE (4G). Na rynku nie pojawiły się jeszcze (październik 2022) akcesoria z modułem 5G.
• Systemy wizyjne kontroli jakości i CCTV. Ten przypadek użycia jest szczególny, ponieważ bardzo trudny do realizacji na masową skalę w środowisku bezprzewodowym. Cechą łączności bezprzewodowej jest zwykle asymetria w transmisji danych – kierunek „w dół” sieci (ang. Downlink) oferuje większą prędkość i pojemność niż kierunek „w górę”, tj. od urządzenia do elementu sieciowego (ang. Uplink). Tymczasem kamera wideo generuje ciągły strumień danych o relatywnie wysokiej przepływności. Kilka takich urządzeń może skutecznie zająć większość dostępnego pasma degradując parametry współistniejących usług. Racjonalnym rozwiązaniem, jeżeli wyjątkowo nie można skorzystać z połączenia kablowego, będzie użycie dobrze zaplanowanej sieci WiFi lub sieci kampusowej LTE/5G z odpowiednio nadanymi priorytetami usług.
• Łączność głosowa dyspozytorska typu push-to-talk. Cały czas istnieje poważne zapotrzebowanie na takie rozwiązania w służbach utrzymania ruchu, rozległych obiektach przemysłowych i infrastrukturalnych, magazynach wysokiego składowania. Stosowano i wciąż stosuje się w tym celu systemy PMR (ang. Personal Mobile Radio) w paśmie 446MHz i rzadziej systemy Tetra na zbliżonych częstotliwościach. Pomimo swojej prostoty i łatwości wdrożenia wydają się już obecnie błędną ścieżką rozwojową – zmuszają użytkownika do utrzymywania oddzielnej infrastruktury z niewielkim lub żadnym potencjałem rozwojowym w kierunku bardziej zaawansowanych usług. Obecnie nowoczesne implementacje push-to-talk realizowane już są w formie usługi dodatkowej wykorzystującej transmisję danych w sieciach komórkowych z lokalnie instalowanym serwerem aplikacyjnym (co ponownie preferuje sieci kampusowe LTE/5G) i transmisją WiFi stosowaną raczej jako łącze zapasowe / awaryjne.

Powyższy przegląd najważniejszych zastosowań wyraźnie wskazuje na absolutną konieczność stosowania WiFi – tak ze względów wygody, jak też kosztowych. Rzeczywiście tak w praktyce jest, ale jednocześnie nie jest to medium zdolne zagwarantować stabilność i niezawodność wystarczającą, by być fundamentem wdrożenia zaawansowanych aplikacji Przemysłu 4.0 – i to także wniosek płynący z rozmów z praktykami w tej dziedzinie, czyli zwykle specjalistami OT / utrzymania ruchu. Nawet najlepiej zaprojektowana zakładowa sieć WiFi 6 (802.11ax) działająca w pasmach 2,4GHz i 5GHz jest podatna na kilka niedających się uniknąć zjawisk:

• Kompatybilność wstecz ze starszymi wersjami WiFi (802.11b/g/n/ac). Niestety takich urządzeń jest wciąż mnóstwo ze względu na niską cenę chipsetów. W praktyce ich obecność bardzo degraduje efektywne zarządzanie dostępnym pasmem radiowym i obniża realną pojemność sieci. A oczekiwanie, że będziemy stosować wyłącznie urządzenia najnowszego standardu WiFi 6 jest najzwyczajniej w świecie niemożliwe do spełnienia.
• Spadek efektywności wraz ze wzrostem liczby użytkowników. Zależność jest dość prosta – im więcej urządzeń końcowych, tym efektywna dostępna dla każdego przepustowość jest mniejsza niż wynika to z prostego dzielenia Pojemność / Liczba urządzeń. Taka jest po prostu cecha tej technologii związana z „walką” urządzeń o dostęp do pasma. Im więcej urządzeń, tym więcej pasma tracone jest na kolizje pomiędzy konkurującymi nadajnikami. Częściowo problem rozwiązuje standard WiFi 6 stosując mechanizmy skopiowane z sieci komórkowych LTE, ale wtedy wracamy do poprzedniego punktu i kompatybilności ze starszymi urządzeniami. Można określić wręcz, że standard WiFi w tym punkcie staje się ofiarą swojej własnej popularności.
• Wzajemne zakłócanie z Bluetooth w paśmie 2,4GHz. Specyfika protokołu Bluetooth (duża liczba wąskich kanałów radiowych, skakanie po częstotliwościach) powoduje, że to raczej Bluetooth zakłóca WiFi, a nie odwrotnie. Więc masowe wdrożenie czujników IoT lub pozycjonowania wewnątrzbudynkowego w oparciu o tą technologię statystycznie pogorszy wydajność sieci WiFi.
• Niewielkie moce Access Pointów WiFi. Ponieważ urządzenia te pracują w pasmach nielicencjonowanych to ich maksymalna moc podlega ograniczeniom (100mW dla 2,4GHz, 200mW dla 5GHz). W praktycznych realizacjach oznacza to, że np. dla wypełnionych magazynów wysokiego składowania o wysokości 12-15m z infrastrukturą WiFi zainstalowaną typowo pod sufitem hali występują już problemy z łącznością na poziomie podłogi.
• Brak kontroli nad dodatkowo uruchamianymi Access Point’ami WiFi i innymi źródłami zakłóceń (szczególnie w paśmie 2,4GHz) – czyli typowa bolączka wszystkich sieci biurowych. Niewielkie sieci WiFi uruchamiane „tylko na chwilę”, dodatkowe hotspoty wstawiane, aby doraźnie poprawić zasięg w krytycznych miejscach, hotspoty w smartfonach pracowników. A w końcu wszystkie „egzotyczne” urządzenia korzystające z pasm nielicencjonowanych w całkowicie dowolny sposób (choćby bezprzewodowe dzwonki do drzwi). Nie sposób zabezpieczyć się przed takimi niespodziankami i gdy dla użytkowników biurowych to co najwyżej niedogodność, tak dla stabilności procesów produkcyjnych to krytyczne zagrożenie.
• I już ostatnie: niewielkie wsparcie dla mobilności użytkowników. W przeciwieństwie do sieci komórkowej, gdzie niezauważalne przełączanie telefonu pomiędzy stacjami (ang. handover) to standard wypracowany jeszcze w czasach GSM, o tyle dla WiFi to wciąż bolączka. Rzeczywiście, profesjonalne przemysłowe sieci WiFi wydają się minimalizować czasy niedostępności przy przechodzeniu z zasięgu jednego Access Pointa do drugiego, ale wciąż nie są to rozwiązania wystarczająco niezawodne choćby dla pojazdów AGV.

Od powyższych wad wolna jest natomiast komórkowa transmisja danych LTE i 5G oparta o pasma licencjonowane. Bez wątpienia jest to jednak rozwiązanie droższe, wymagające obecnie współpracy z operatorem telekomunikacyjnym. Aczkolwiek ten warunek może nie być konieczny w przyszłości, jeżeli przedsiębiorstwo będzie mogło wystąpić o własną, lokalną licencję na pasmo 5G właśnie do zastosowań przemysłowych. W obu przypadkach będzie to oznaczać jakąś formę prywatnej sieci komórkowej, dostępnej dla niewielkiej grupy użytkowników, gdzie jest już możliwość zarządzania jakością i niezawodnością. Mając powyższe na uwadze, w kontekście wdrożeń Przemysłu 4.0 najwłaściwsze będzie współistnienie dwóch domen bezprzewodowych: WiFi i LTE/5G z jasno określonym podziałem odpowiedzialności. Sieci WiFi dla wszelkich zastosowań niekrytycznych, nie wymagających ani SLA, ani pracy w reżimie czasu rzeczywistego oraz dla stacjonarnych urządzeń końcowych. I sieć komórkowa dla wszystkich pozostałych. Taka koncepcja współgra z obecnym kierunkiem prac standaryzacyjnych w obszarze 5G obejmujących konwergencję tych dwóch domen wg koncepcji ATSSS (ang. Access Traffic Steering, Switching, Splitting). Zgodnie z nią, możliwe będzie inteligentne przełączanie strumieni danych pomiędzy obiema domenami w zależności od oczekiwanej pojemności, prędkości i niezawodności. I nawet jeżeli komercyjne rozwiązania ATSSS dopiero wkraczają na rynek, to już widać wyraźnie, że współistnienie WiFi i 5G traktuje się jako coś oczywistego, co wręcz w długim okresie czasu daje szansę na zaoferowanie wymagającym użytkownikom rzeczywiście elastycznych i zaawansowanych usług bezprzewodowej transmisji danych.