Jak hodnotíte současný stav využívání bezdrátových komunikací v průmyslové automatizaci?

Chod:
Bezdrátové sítě mohou fungovat v bezlicenčním, čili volném, nebo licenčním, tedy placeném frekvenčním pásmu. Patrně bude dominovat použití v bezlicenčních pásmech, protože pro většinu uživatelů bude rozhodující cena. Na kratší vzdálenosti je vhodná řada sítí podle IEEE 802.11 (802.11b, 802.11g, 802.11h). Dále navazuje řada veřejných sítí pro větší vzdálenosti, to znamená standardní sítě GSM. Je otázka, jestli se objeví další sítě pro přenos dat v pásmu 450 MHz. Pro průmyslové využití je k dispozici ještě pásmo 870 MHz, kde v současnosti kraluje sběrnice EIB, která zrovna v České republice nemá dominantní zastoupení kvůli ceně. Bezdrátové komunikace v automatizaci jsou v počátcích a vývoj závisí na tom, jak se bude vyvíjet situace ve veřejných sítích. Nárůst bezdrátových sítí není tak rychlý, jak by bylo možné očekávat, protože zatím neexistují služby, které by je využívaly, a tyto služby zase nevznikají proto, že nejsou k dispozici sítě. Vzniká tak začarovaný kruh, který se bude muset nějakým způsobem rozetnout. Kdy se to podaří, je jen otázka času.

Kučera:
Bezdrátová komunikace v průmyslové automatizaci není u nás zatím příliš rozšířená. Důvodů je více. V porovnání s naprosto jasným klasickým vedením kabelem jde o poměrně novou technologii. Chápu nedůvěřivost některých uživatelů vůči přenosu informace vzduchem na různých pásmech, kde může za určitých okolností docházet k rušení a selhání komunikace. Tady je velký prostor pro školy, odborné časopisy a v neposlední řadě i pro nás, pracovníky firem, které vyrábí zařízení pro bezdrátový přenos dat, aby s touto technologií seznamovali techniky a projektanty a ti ji pak mohli využít ve vhodných aplikacích. Jen pro představu, naše firma uvedla na trh své zařízení pro bezdrátový přenos teprve před dvěma roky. A již v loňském roce prodala naše pobočka v USA, kde je tento druh přenosu dat velmi rozšířený, zařízení v řádech milionů dolarů. Evropa zůstává v obratu za USA poněkud pozadu, ale i zde vidíme velký potenciál. V rámci České republiky jednáme s významnou domácí projekční firmou o nasazení první komunikační sady v provozu zpracování technických plynů.

Oujezdský:
Bezdrátové komunikace si našly cestu do aplikací, kde jsou řízené procesy rozloženy na větším území. Novým trendem je kombinování různých typů přenosových kanálů. Hlavní body kombinovaných komunikačních sítí jsou propojeny kabelově (backbone). Bezdrátové komunikace však slouží nejen v kombinaci s ostatními spoji (last mile), ale mnohdy také jako záložní cesta. Zůstává však celá řada aplikací, kde jsou bezdrátové komunikace zcela nenahraditelné – mobilní aplikace, letecký provoz.

Fiedler:
Zřejmě nejčastější aplikací v automatizaci je bezdrátová náhrada rozhraní RS-232/RS-485 a využití RFID (Radio Frequency Identification) pro bezdotykovou identifikaci. Domnívám se, že rozšíření malých bezdrátových sítí do automatizační oblasti bude jednou „zlatý důl“. To se však stane, až se podaří vymyslet a uvést do praxe zajímavou komerční aplikaci. Tedy až bezdrátová technika nebude sloužit pouze jako náhrada proudové smyčky nebo sériové linky, ale až bude řešit úplně něco nového.

Pro přenos dat v automatizaci se prosazuje řada komunikačních profilů – bezdrátové sítě LAN podle standardu IEEE 802.11 (802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11h), technologie GSM (GPRS), Bluetooth a nově se objevující profil Zigbee. Jaké s nimi máte zkušenosti a které z nich jsou nejvhodnější?

Fiedler:
Co se týče výhledu do blízké budoucnosti, tak předpokládám výrazný vzrůst využití technologie GSM (GPRS), v oblasti WLAN dávám šanci především standardům IEEE 802.11g a IEEE 802.11h a v  průmyslové automatizaci očekávám úspěch standardu ZigBee. Definované profily a architektura Bluetooth odpovídají aplikacím ve spotřební elektronice, pro které byl standard Bluetooth navržen.

Jaké zkušenosti máte s využíváním bezdrátových sítí. Jaké typy pouvažujete za nejvhodnější?

Fiedler:
U nás na katedře jsme se podíleli na vývoji čidla s bezdrátovým přenosem dat pro firmu BD Sensors. Hledali jsme, jaký standard použít, a u sítí WLAN podle IEEE 802.11 jsme narazili na to, že jejich nevýhodou je mimo jiné také velká spotřeba, což se v čidle projevuje tím, že použitá elektronika hodně „topí“, čidlo se zahřívá a neměří přesně. Zkoušeli jsme různé varianty a zatím jsme skončili u technologie Bluetooth, kde by mohly nastat také problémy, ale už jsou řešitelné. U standardu Bluetooth jsme narazili na otázku certifikace. Pokud firma chce tvrdit, že její čidlo podporuje  Bluetooth, tak se  nedoplatí. Certifikace se vyplatí, jen pokud se vyrábí několik tisíc čidel týdně. A tak kdo chce používat chráněný název Bluetooth, musí kupovat certifikované moduly, což celé čidlo prodražuje. Ale realizovatelné to je. Další problém je, že neexistují vhodné profily na Bluetooth, protože to je technologie směřovaná do komerčních aplikací, jako jsou hlasové přenosy, a existuje tam jediný použitelný profil, a to profil sériové linky.

Diskuse o bezdrátovém přenosu dat (zleva: Martin Oujezdský, Petr Fiedler a Eva Nováková, manažerka společnosti Automatizace)

Chod:
Není přenos zařízením dle standardu Bluetooth příliš pomalý?

Fiedler:
Je, ale to u čidel obvykle nevadí, protože třeba při měření teploty nebo tlaku je časová konstanta v jednotkách sekund nebo v desetinách sekundy. My jsme využili elektroniku Bluetooth jako rádiovou vrstvu. Někdo za nás na modulu vyřešil software pro rádiový přenos dat a vyšší protokoly jsme si vypracovali sami podle našich potřeb. Toto je řešení použitelné pro automatizaci, ale není standardní.

Chod:
My řešíme podobný problém s vysokou školou stavební. Jde o systém sběru dat z konstrukcí – teploty, tlaku apod. Výsledkem nebude měřicí ústředna klasického typu, ale jednotlivá čidla budou vybavena rozhraním Bluetooth a budou předávat data do sběrné centrály, kde bude instalován radiomodem s GPRS s vlastní adresou IP, takže bude schopen posílat data kamkoli, ať je to kancelář v Praze nebo v Austrálii. Ani v tomto případě nevadí pomalost techniky Bluetooth, ale je třeba koupit certifikovaný modul.

Oujezdský:
Naše firma má zkušenosti s automatizací rozvodných sítí – elektrických, vodovodních, plynárenských apod. Pro tyto účely jsou volná pásma nevhodná vzhledem k příliš malým výkonům, nedostatečnému zabezpečení a nemožnosti použití v rozlehlém území. Proto používáme přidělená frekvenční pásma, za která ovšem musíme platit. V těchto sítích nelze použít drátové spojení také proto, že jde často o mobilní nebo částečně mobilní stanice. Pohybujeme se ve vzdálenostech kilometrů nebo i desítek až stovek kilometrů. Používáme rádiové paketové sítě Morse na frekvencích 400 až 470 MHz. Pro zařízení používáme také pásmo od 300 do 340 MHz, které se u nás opouští, ale ve světě je běžné, a dále také pásmo kolem 160 MHz, které je velmi ceněné například pro sběr dat z lodí. Právě chystáme velkou aplikaci v Norsku, kde jde o přenos dat na vzdálenost mnoha desítek kilometrů do moře. Tam pochopitelně není možné použít jiný než bezdrátový přenos.

Chod:
Tam byste mohli použít satelitní síť Inmarsat, pokud byste to zaplatili, samozřejmě.
Oujezdský:
V Evropské unii i v Norsku musí lodi od určité velikosti podle zákona periodicky sdělovat svoji polohu, směr a rychlost. To je jasné zadání. Jestliže už je loď pro tento účel osazena komunikačním pojítkem, hledají se další oblasti použití: elektronická pošta, přístup na Internet, do centrálních databází, k předpovědi počasí, ke zprávám a další. K tomu jsou vhodné různé metody, třeba síť Inmarsat, což je náš přímý konkurent. Je sice globální, ale pro rybáře je cenově nedostupná.

Chod:
Je pomalá a drahá.

Oujezdský:
V okrajovém, pobřežním pásmu je možné řešit přenos dat sítí GSM nebo GPRS.

Chod:
U nich ale nemůže být buňka větší než 30 km, takže se daleko nedostanete.

Oujezdský:
Přesně. Ale jsou typy lodí, které se pohybují jen v přístavech. Pro toto použití vzniká soutěž mezi volným pásmem 870 MHz a GPRS s obdobným pásmem.

Kučera:
Naše zkušenosti s použitím bezdrátového systému, zatím spíše v zahraničí, jsou velmi dobré. Současný systém firmy Phoenix Contact je určen pro přenos analogových a digitálních signálů v halách na vzdálenost do 100 metrů a ve volném prostoru na vzdálenost do 3 000 metrů. K dispozici jsou převáděče, které prodlouží maximální vzdálenost vždy o dalších 3 000 metrů, přičemž jejich počet není omezen. Systém pracuje v pásmu 2,4 GHz a zabezpečení přenosu dat se opírá o výsledky vojenského vývoje. Díky tomu je velmi spolehlivý. Po přivedení přenášeného signálu do vysílače není potřeba žádné další nastavování. Vlastní přenos dat může být jedno i obousměrný a probíhá pouze mezi moduly vysílače a přijímače, které jsou připojeny ke sledovanému zařízení na straně jedné a k PLC na straně druhé. Propojení k jiným sítím uvedeným zde mými kolegy je možné, ale to už je záležitost připojení a komunikace jednotky PLC v rámci nadřazené sítě, což je dnes již obvyklá záležitost.

Zleva: Karel Kabeš, moderátor diskuse, a Jiří Chod

Jak se díváte na použití kombinace kabelových a bezdrátových sítí?

Kučera:
Technicky tomu nic nebrání a v určitých aplikacích tak může jeden způsob přenosu zálohovat ten druhý.
Oujezdský:
Při používání bezdrátového přenosu dat u nás i ve světě je zajímavá kombinace kabelových sítí IP a bezdrátových sítí, a to jak na krátké, ale především na dlouhé vzdálenosti. Pro nás jako výrobce a dodavatele technologie je významné, že můžeme provádět dálkový dohled nad instalovanými sítěmi. Takže i když řešíme aplikace po celém světě, není pro nás problém dostat se do sítě v Řecku, Ghaně v Norsku nebo v Kanadě a řešit přes Internet problémy v místních rádiových sítích, přestože jejich dosah není tak velký.
Jeden operátor v Rakousku, který se zabývá dálkovou přepravou plynu a jeho distribucí velkým centrům, má vybudovanou síť IP s optickým vedením. Je pro něj ale obtížné zajistit dostatečnou bezpečnost technologie při zabezpečení drátovými spoji, zvláště v horských oblastech, kde firma především působí. Budovali jsme pro ně první rádiovou síť, kde již základní síť byla bezdrátová. Naše radiomodemy mají ethernetový vstup a další vstupy pro RS-232/485 s protokoly, které jsou potřeba. V případě, že dojde u drátové sítě k výpadku, přejde se na rádiový kanál.

Chod:
Takže vy jste pracovali v oblasti, která má rádiové spojení s klasickou sítí Internet?

Oujezdský:
Přesně. A na to navazuje vlastní rádiová síť, která neprovádí jen sběr dat, ale i řízení s připojenými regulačními stanicemi a dalšími technologickými zařízeními. A to celé je rozprostřeno přes dvě spolkové země Rakouska. Takové sítě se teď budují stále častěji.

Jak hodnotíte bezpečnost a spolehlivost bezdrátového přenosu a prostředky pro ochranu přenášených dat?

Kučera:
Domnívám se, že bezpečnost závisí na zvoleném systému. Neumím posoudit zabezpečení jiných výrobků, ale my mu věnujeme velkou pozornost a naše řešení je skutečně spolehlivé.

Chod:
Bezdrátové sítě lze nasadit do průmyslu jen tehdy, jsou-li absolutně bezpečné. Sítě, které používají bezlicenční pásmo budou fungovat jen v uzavřených prostorách třeba v hale z plechu, kde ostatní sítě nevadí. Ale na otevřeném prostranství, kde mohou být tři, čtyři sítě, vzniknou značné problémy – síť se hodně zpomalí nebo může být vystavena napadení. Zabezpečení sice pokročilo, ale ještě není dokonalé. Proto je stále ještě vhodnější místo komplexní bedrátové sítě vybudovat nejprve klasickou síť LAN třeba s optickým vedením, aby nevznikly potíže s rušením a na ni připojit větve  s přepínači a firewally, které síť odstíní, pokud možno také s redundantním vedením.

Fiedler:
Většina tradičních průmyslových sítí nepodporuje žádné šifrování a k napadení sítě stačí mít možnost se k síti fyzicky připojit. Šifry podporované bezdrátovými standardy si většinou kladou za cíl zamezit primitivnímu odposlechu tak, aby jejich bezpečnost byla minimálně srovnatelná s bezpečností tradičních sítí. V případě potřeby opravdu kvalitního zabezpečení je nutné šifrovat na vyšších komunikačních vrstvách. Spolehlivost souvisí zejména s problematikou šíření signálu v prostředí, bezkonfliktním sdílením nelicencovaného frekvenčního pásma a rušením. Pokud nelze garantovat tyto tři věci, nelze garantovat ani spolehlivost. Nikdo také nezaručí, že v sousední výrobní hale někdo nenamontuje frekvenční měnič, který je špatně odrušený nebo na něm selže kondenzátor ve filtru nebo nějaká část filtru Uživatel měniče nic nepozná, ale bezdrátová síť přestane fungovat. Tyto závady se těžko hledají.
Oujezdský:
Nám se stalo, že si někdo dal padesát metrů od antény velký osvětlený billboard a to naši síť vyřadilo z provozu. Vždy v osm hodin večer přestala fungovat a od osmi ráno byla zase funkční. A to bylo každou noc. Na osvětlení byla špatná součástka a vznikalo tak velké rušení

Fiedler:
Stačí jeden špatný kontakt, na němž to jiskří.

Oujezdský:
V některých sítích, např. v našich sítích Morse, jsou prostředky, pomocí nichž lze tyto problémy hledat. Některé své sítě opatřujeme dálkovým dohledem, a jsme pak schopni dálkově monitorovat a případně i ovlivňovat, co se v nich děje. U našich typů aplikací je nutné mít zabezpečený přenos, proto nemůžeme používat volná pásma. Na nich může vysílat v podstatě, kdo chce a zákonem není zcela přesně dáno, jak řešit situace, když na nich někdo začne „rušit“ vysílání. Protože používáme licencovaná pásma, můžeme se v případě potíží obrátit na správce spektra – u nás je to Český telekomunikační úřad a ten je schopen zjednat nápravu. Každý rádiový přenos zabezpečujeme tak, že se vyhodnocuje, zda data, která prošla, jsou v pořádku. Zaručujeme zákazníkovi, že buď doručíme data v pořádku, nebo jen nedoručíme vůbec.

Chod:
Šifrujete data?

Oujezdský:
Nejčastěji je pouze komprimujeme a přenášíme. Převezmeme je od zákazníka již šifrovaná a zase mu je zašifrovaná předáme.

Chod:
Myslím, že velké problémy s bezpečností bezdrátových sítí teprve nastanou. V počátcích se ještě nic velkého neděje, stejně jako se nic nedělo v počátcích sítě Internet, ale nyní jsme svědky stále častějších k útoků. Myslím si, že i situace v bezdrátových sítích se bude také s určitým odstupem zhoršovat.

Oujezdský:
Ale to je otázka pouze volných pásem.

Jak nákladné jsou licence na vlastní frekvenci?

Oujezdský:
Ve srovnání s vysíláním na GPRS vyjde vysílání na přidělené frekvenci mnohem levněji. Náklady závisejí na tom, jak síť vypadá. Nejdražší je dispečerský bod, tzv. multibod – bod, který vysílá na více jiných bodů, ten stojí kolem 7 500 Kč za rok. Někteří zákazníci se obávají velkých starostí s licencemi. Je třeba žádat Český telekomunikační úřad, který vydá povolení, ale jen na určitou dobu, a poté se musí hlásit změny, obnovit povolení. To lze ošetřit také tak, že se zájemce o vlastní frekvenční pásmo obrátí na společnosti, které nabízejí vyřizování licencí a zajišťují vlastně odfiltrování zákazníka od Českého telekomunikačního úřadu. My jsme jedna z nich, ale nejsme sami. Do naší sítě Modanet je možné připojovat zákazníky tak, že s námi podepíší smlouvu o poskytování služby a o další formální náležitosti provozování sítě se postaráme my. Platí se pak pevná částka za přípojný bod, ne za přenos dat.

Jak se lze bránit tomu, aby nebylo vysílání v bezdrátové síti rušeno rádiovou rušičkou, která může být i nástrojem úmyslné sabotáže? Je možné se tomu bránit metodou přepínání frekvencí?

Fiedler:
Konstrukce rušiček je velmi jednoduchá a bránit se tomuto rušení v podstatě nelze.

Oujezdský:
Do jisté míry se tomu lze bránit přepínáním frekvencí, ale pokud se použije rušička v dostatečném frekvenčním rozsahu, tak ne.

Chod:
Řešením je záložní spojení, na které lze v případě nouze přejít.

Oujezdský:
V zabezpečených systémech se to řeší tím, že kromě bezdrátového spojení je k dispozici ještě jiné vedení, optimální je vedení optické, které nastoupí v případě rušení.

Kučera:
Náš systém pracuje právě na bázi přepínání frekvencí (metoda FHSS – Frequency Hoping Spread Spectrum) v šíři pásma 80 MHz. Každá sada vysílač-přijímač používá k přenosu dat 63 kanálů, přičemž jejich střídání je zakódováno v procesoru každé jednotky. Úmyslné rušení je teoreticky možné, ale pouze s využitím nějaké velmi důmyslné rušičky.

Fiedler:
Při vyhodnocování spolehlivosti  se počítá s tím, že systém selže, když selžou jeho jednotlivé komponenty. A u rádiového přenosu nemůže nikdo zaručit, jaká je pravděpodobnost, že přenos nebude rušen. Najednou tu je koeficient, který nikdo není schopen vyčíslit. V tom okamžiku se o spolehlivosti nedá mluvit.

Oujezdský:
Přesto jsme schopni zaručit střední dobu mezi poruchami zařízení 65 000 hodin i více. Spolehlivost dále zvyšujeme instalováním dvou stejných zařízení vedle sebe.

To znamená, že bezdrátové sítě je vhodné používat jen tehdy, když krátkodobý výpadek nemůže systém životně ohrozit.

Kučera:
Zcela určitě. Je však také potřeba určit dobu výpadku s přihlédnutím k druhu zařízení, jehož výstup je bezdrátově přenášen.

Oujezdský:
Bezdrátové systémy jsou homologovány tak, že se nepoužívají v systémech, kde může být ohrožen život. Existuje však speciální kategorie bezdrátových vysílačů a přijímačů, které jsou homologovány pro aplikace, kde je ohrožen život, ale drtivá většina zařízení na trhu tyto kategorie nesplňují. Požadavky jsou příliš velké a radiomodem, který by je měl splnit, bude možná až stokrát dražší než běžný typ. Jsou aplikace, kdy však není jiná možnost, než použít bezdrátový přenos. Třeba v leteckém provozu, ale to je  jiná kategorie a řídí se tam trochu jiné „automaty“.

Jaké typy sítí a prostředků bezdrátového přenosu se prosadí v automatizovaných provozech, pro přenos na kratší vzdálenosti, do 300 metrů, například pro spojení se senzory, k nimž je obtížné natáhnout kabel.

Kučera:
To je přesně zadání pro systém, který vyrábí naše firma. Jedná se o uzavřenou síť tvořenou sadou vysílač–přijímač a moduly analogových a digitálních vstupů a výstupů podle potřeb dané aplikace.

Chod:
Na krátké vzdálenosti budou stačit i sítě, které byly původně určeny pro jiné účely, například standard Bluetooth. To platí pro jednotky metrů a pomalejší přenos. Podle mého názoru pro přenos dat z čidel ještě dnes nejsou vhodné sítě podle standardu IEEE 802.11, protože jejich zabezpečení a propracovanost ještě  nevyhovují požadavkům průmyslu.

Oujezdský:
V této oblasti je velmi těžký konkurenční boj s asijskými řešeními. Pokud není firma schopná vyrábět zařízení v tisících za směnu, tak není konkurenceschopná.

Chod:
Myslím, že na krátké vzdálenosti existuje dostatek průmyslových standardů, jako byl ten již zmíněný Bluetooth.

Fiedler:
Já si nemyslím, že je pro krátké vzdálenosti dostatek uznávaných standardů. Standard Bluetooth lze použít na vzdálenosti jednotek až desítek metrů, ale protože je původně určený na úplně jiné použití, je řešení pomocí něj sice realizovatelné, ale ne příliš elegantní. Je možné si udělat svoje vlastní řešení, které však není standardní vzhledem k dalším bezdrátovým přenosům. Ale rýsuje se tu technologie Zigbee podle standardu IEEE 80215.3, která je už vyvíjena za podpory automatizačních firem. Ve sdružení Zigbee jsou firmy, jako Omron, Honeywell, Motorola, které vyvíjejí zřejmý tlak na použití v automatizaci. S použitím této technologie se počítá v malých lokálních sítích, počínaje automatizací domácností, hračkami, počítačovými periferiemi, zabezpečovacími systémy přes automatizaci celých budov, automobilů, po řešení dopravních systémů apod.

Pro jaké vzdálenosti je vhodná technologie Zigbee?

Fiedler:
To záleží na výkonu vysílače, anténách a na prostředí, přibližně od jednoho do sta metrů. Standard Zigbee je sice výrazně pomalejší než Bluetooth, ale má zase tu výhodu, že na jeho bázi lze postavit síť s více účastníky, což je u standardu Bluetooth problém. Na základě standardu Zigbee by mělo být možné sestavit složitější strukturu s několika stovkami účastníků v jediné síti. Technologie Zigbee je více orientována na reálný čas, a hlavně má menší spotřebu.

Chod:
Je standard Zigbee bezpečnější než Bluetooth?

Fiedler:
To nemohu v této chvíli říci, protože s ním nemám praktické zkušenosti, a zřejmě s ním zatím nemá u nás zkušenost nikdo.