Полевые беспроводные сети

Полевые беспроводные сети

Промышленные беспроводные устройства и сети используются в контрольно-измерительных системах и системах автоматизации в промышленных условиях, когда проводные соединения датчиков, преобразователей и других устройств оказываются слишком сложными или дорогими. Кроме того, их широко используют для временных решений, например в НИОКР или пилотных проектах.

Беспроводные сети потребительского класса используются, в основном, ради удобства. Промышленные полевые беспроводные сети должны быть намного надежнее, и не должны мешать работе других беспроводных систем предприятия. Эти сети, а также используемые в них беспроводные устройства, должны быть максимально простыми с точки зрения ТО. Наконец, промышленные беспроводные сети и устройства должны легко интегрироваться с существующими проводными сетями и устройствами, а беспроводная система должна быть гибкой и масштабируемой.

Беспроводные решения для промышленных отраслей

Есть три основных типа промышленных беспроводных сетей, которые могут использоваться в различных отраслях: «глобальное покрытие» (от англ.: the global canopy), «магистраль» (site backbone), и «полевая сеть» (field mesh). Глобальное покрытие предполагает использование беспроводных технологий дальнего радиуса действия, и может быть реализовано в виде частной сети, объединяющей множество локаций, разделенных сотнями километров, или может использовать публичные сервисы, такие как Интернет, спутниковые или сотовые сети. В любом случае, основное предназначение – передача данных на сверхдлинные расстояния.

«Магистраль» – хорошее решение в тех случаях, когда данные передаются между локациями, расположенными на расстоянии нескольких миль. Это намного меньше, чем в случае с «глобальным покрытием», однако, достаточно для большинства сценариев.

Полевая сеть, или беспроводная сеть датчиков, используется для отправки и получения нескольких килобайт данных на коротких расстояниях до 100-200 м. Эти беспроводные сети состоят из датчиков и исполнительных устройств, мобильных полевых устройств и т.д. Эти сети будут в центре внимания настоящей статьи.

Частотные диапазоны

Используемая частота – один из самых важных факторов при создании беспроводных сетей. Диапазон 2.4 ГГц чаще всего используется в промышленности. Он входит в набор промышленных, научных и медицинских диапазонов, специально зарезервированных для этих использований в международном масштабе, и дифференцированных от диапазонов телекоммуникационных. Этот ISM диапазон (от англ.: industrial, scientific, medical) cтал стандартом де факто, так как не требует лицензирования. Коммуникации 2,4 ГГц используются следующими стандартами:

•         IEEE 802.11b/g/n (Wi-Fi) используется для локальных беспроводных сетей, работающих на расстояниях от 100 до 300 метров, со скоростью обмена данными до нескольких мегабайт в секунду.

•         IEEE 802.15.1 используется для коммуникаций Bluetooth, требующих очень небольших затрат энергии и работающих на расстоянии от 1 до 10 м.

•         IEEE 802.15.4 это самоорганизующаяся, самоисцеляющаяся сеть, с небольшими затратами энергии. Вариации этого стандарта используются ZigBee, ISA-100.11.a и WirelessHART.

•         IEEE 802.16e используется для коммуникационного протокола WiMax, позволяющего устанавливать связь на расстояниях 5-50 км, обеспечивая передачу данных со скоростью до 72 Мб в секунду.

Беспроводные технологии для промышленной автоматизации

На рис. 1 изображены различные типы сетей на предприятии. Беспроводные сенсоры (XC, XX, XV, и т.д.) находятся в нижней части диаграммы. Архитектура может включать беспроводную сеть датчиков, работающую в удаленной локации и обменивающуюся данными с сетью управления, используя технологии IEEE 802.11 Wi-Fi или IEEE 802.16 WiMax.

Рис.1. На промышленных предприятиях используются различные типы проводных и беспроводных сетей.

На один уровень выше, между распределенной системой управления или ПЛК автоматизации и беспроводными сенсорами, находятся точки доступа или шлюзы. Шлюзы – это интерфейсы между беспроводной сетью и системой автоматизации. Шлюзы обмениваются данными с датчиками по беспроводной сети и общаются с системой автоматизации с помощью проводных сетей Modbus, Modbus TCP или Ethernet IEEE 802.3. Для большинства проводных коммуникаций расстояние является ограничивающим фактором, поэтому, шлюзы, как правило, расположены ближе к системе автоматизации.

В большинстве промышленных систем есть и другие устройства, использующие беспроводные коммуникации, такие как камеры, системы RFID, мобильные телефоны – из-за чего приходится использовать различные методы для уменьшения интерференции и обеспечения надежных коммуникаций.

Сетевые типологии

Существуют различные типологии беспроводных сетей: «звезда», «дерево», «ячейка», «кластер». Протокол ISA-100.11a поддерживает каждую из них (Рис. 2).

Рис. 2. Сетевые топологии для беспроводных сетей могут быть типа «звезда» или «дерево», а также, комбинацией этих топологий, такой как «ячейка» или «кластер».

Топология «звезда», как правило, используется с устройствами с ограниченной функциональностью и работающими только на аккумуляторах. Полнофункциональные устройства, работающие и на аккумуляторах и от электросети, лучше использовать в других топологиях.

Самой базовой сетевой топологией является «звезда» с одним центральным или маршрутизирующим узлом, отправляющим и получающим информацию от всех конечных узлов. У всех конечных узлов, таким образом, только одна функция – передача данных центральному узлу. Благодаря этому, они потребляют очень мало энергии: после отправки данных они возвращаются в спящий режим. Помимо высокой энергоэффективности, топология «звезда» не позволяет отказу какого-либо конечного устройства повлиять на всю остальную сеть: каждое конечное устройство изолировано от остальной сети единственным каналом связи с центральным устройством.

Ячеистая топология состоит из узлов, каждый из которых может служить коммутатором для соседних узлов, если они работают на той же частоте. Ячеистая топология обеспечивает надежную и безопасную передачу данных, а также, отлично масштабируется. Если маршрут через один или несколько узлов не работает, узел может маршрутизировать данные соседнему узлу, и они, в конечном итоге, достигнут точки назначения альтернативным путем.

Топологии «дерево» и «кластер» являются комбинацией «звезды» и ячеистой топологии. В топологии «дерево» используется один коммуникационный узел, «под» которым находятся узлы «звезды», а кластерная сеть это комбинация «звезды» и ячеистой топологии.

Часть II

Безопасность

Безопасность – критически важный фактор для промышленных беспроводных систем, используемых в процессных отраслях. Поэтому всегда необходимо использовать механизмы для защиты беспроводных сетей. В стандарте ISA-100.11a предусмотрено несколько способов поддержания безопасности сети, в том числе:

• Шифрование: каждый передатчик данных в ISA-100.11a использует 128-битное шифрование. 
• Аутентификация: только устройства, прошедшие аутентификацию менеджером системы и менеджером безопасности, могут обмениваться данными.
• Целостность: каждый источник данных использует уникальный MAC-адрес для обеспечения целостности данных и безопасности их передачи. 
• Ключи: все беспроводные устройства должны иметь “ключ связывания”, действующий как пароль, используемый устройством для аутентификации в сети.

Аутентификация и технология связывания обеспечивают безопасность сети, поскольку предотвращают подключение к ней неавторизованных устройств. Все процессы аутентификации узлов контролируются менеджером безопасности, который требует от каждого устройства предоставления шлюзу своих уникальных идентификационных данных в зашифрованном виде (ключ связывания). К каждому пакету данных применяется 128-битное шифрование. Безопасность на всем пути от одного узла сети к другому обеспечивается как на уровне сообщений (шифрование), так и на транспортном уровне (Windows).

Администратор сети назначает всем беспроводным устройствам ключ связывания, и устанавливает параметры, необходимый для присоединения к сети. После того, как ключ связывания распознается, и устройство подсоединяется к сети, менеджер безопасности назначает ему дополнительные ключи (мастер-ключ, сессии, приватный) для дальнейших коммуникаций. Эти ключи необходимо периодически обновлять, так как ограничение срока их действия обеспечивает дополнительную защиту сети.

При передаче каждого элемента данных между двумя беспроводными узлами требуется предоставлять MAC-адреса как источника, так и узла назначения.

Стратегия сосуществования

Поскольку многие беспроводные стандарты используют диапазон 2.4 ГГц, очень важно, чтобы различные технологии, такие как Wi-Fi, WirelessHART, ZigBee и др., могли бы сосуществовать в его рамках. Среди лучших методов обеспечения сосуществования различных беспроводных устройств – расширение спектра, скачкообразное изменение рабочей частоты, а также передача данных в четко определенное время.

Электрический шум на промышленном предприятии может вызывать помехи, если не пользоваться соответствующими защитными мерами. Слаботочные радиотехнологии, использующие технологию расширения спектра для передачи данных на скорости в районе 200 кБ позволяют преодолевать проблемы с шумом. Данные распределяются между различными каналами, затем получаются и собираются принимающим устройством. Скачкообразное изменение частоты, при котором происходят быстрые переключения передачи данных между каналами с различной частотой, позволяет избежать перегруженности каналов связи. Также эти техники позволяют повысить безопасность, поскольку для получения данных, посылаемых через сеть, требуются и код расширения спектра, и схемы изменения рабочей частоты.

Синхронизация времени открывает разнообразные возможности доступа, благодаря тому, что каждому устройству назначается конкретный временной слот, позволяющий избежать коллизий пакетов. Детерминированная передача (TDMA) также позволяет сэкономить энергию, поскольку только передающее и принимающее устройства должны быть активны во время передачи данных. TDMA гарантирует, что каждая подсеть получает синхронизированные во времени данные от сетевого сервера, благодаря чему любая передача данных в беспроводной сети происходит в правильное время.

Другими методами преодоления типичных препятствий являются ячеистые сети с многочисленными путями доступа, а также интеллектуальное изменение каналов. Беспроводные ячеистые сети направляют трафик к Интернет-шлюзу (IGW), или от шлюза к точке доступа. Когда многочисленные устройства пытаются найти наилучший сквозной путь к шлюзу, трафик на этих маршрутах может уменьшить скорость и производительность сети. Ячеистая сеть с поддержкой многочисленных путей обеспечивает альтернативные маршруты для уменьшения нагрузки на сеть.

ISA-100.11a также поддерживает  “черный список каналов”. К примеру, на предприятии может использоваться  Wi-Fi канал 3 для коммуникаций ISA-100.11a, а также каналы 21 и 24 для общих коммуникаций через Wi-Fi. Менеджер системы может быть настроен таким образом, чтобы каналы 21 и 24 были включены в “черный список” для коммуникаций ISA-100.11a. Это позволяет избежать проблем с производительностью в сети. В этом сценарии образуются два отдельных канала: один для Wi-Fi, и один для коммуникаций ISA-100.11a, что позволяет двум беспроводным технологиям сосуществовать на предприятии.

Надежность

Надежность исключительно важна для систем управления промышленными процессами и систем измерения. Поэтому стандарт ISA-100.11a предлагает многочисленные техники для обеспечения надежных коммуникаций, таких как резервирование, интеллектуальное изменение каналов, технология duocast, синхронизация времени.

Сеть с ячеистой топологией обеспечивает резервирование, поскольку может перенаправлять данные от одного узла к точке назначения, минуя неисправные узлы. Для дополнительной надежности резервирование может быть реализовано на уровне шлюза, магистральной сети, системы безопасности, менеджера системы. Например, если один магистральный маршрутизатор откажет, другой соберет данные от датчиков и направит информацию в шлюзы.

Другим методом, обеспечивающим точную передачу данных, является изменение каналов. Ее суть заключается в том, что технология доступа к свободным каналам динамически выбирает различные каналы для избегания интерференции (рис. 3). Кроме того, используется высокая частота повторных попыток, для ограничения латентности данных до 100 мс или меньше.

Рис. 3. Технология динамического изменения каналов позволяет беспроводным устройствам быстро изменять каналы передачи данных для избегания интерференции.

ISA-100.11a также поддерживает  технологию duocast для резервирования каналов связи. При ее использовании одно устройство отправляет информацию сразу двум соседним узлам. Два получающих устройства отправляют подтверждение от обоих конечных устройств в тот же временной слот. Без технологии duocast, если один из маршрутов отказывает, делается повторная попытка перед переключением на другой канал – что замедляет обмен данными. Синхронизация во времени высокоточная, поскольку каждый пакет данных подписан Международным Атомным Временем. Все данные привязаны к определенным слотам времени, и должны достигать пункта назначения и получать подтверждение от узла в рамках своего слота времени. Время на получение пакета данных и расшифровку информации ограничено, что обеспечивает надежные коммуникации.