Rozwiązanie APA
Wychodząć naprzeciw oczekiwaniom inwestora zaproponowaliśmy implementację bezprzewodowej sieci przemysłowej IWLAN firmy Siemens. Wdrożona przez nas instalacja składa się z konstrukcji jezdnej znajdującej się na wysokości 4m i długości toru ok. 115m oraz dziewięciu zawieszek z zasilaczami do akumulatorów i opuszczaną półką. Każda zawieszka wyposażona jest w moduł wejść/wyjść ET200S z kartami Safety, falownik SEW Movifit z modułem bezpieczeństwa S12B oraz czytnik kodów kreskowych. Bezpieczeństwo operatora jest zapewnione przez przycisk zatrzymania awaryjnego i krańcówki bezpieczeństwa. Sterowanie układem odbywa się za pomocą sterownika Siemens serii S7-1500 będącego jednostką centralną, sterującą zawieszkami.
Projektowany przez nas system sterowania musiał spełniać następujące wymagania:
• niezawodność i stabilność rozwiązania;
• determinizm czasowy odpowiedzi wszystkich urządzeń;
• szybki czas reakcji na sygnały bezpieczne.
Opis główny
Zrealizowaliśmy transport komputerów do flashowania oprogramowania samochodu i ładowania akumulatorów, za pomocą podwieszanych wózków jezdnych.
Z punktu widzenia układu sterowania, rozwiązaniem, od którego w największym stopniu zależało powodzenie naszego projektu, była komunikacja sterownika PLC ze znajdującymi się na zawieszkach uczestnikami sieci ProfiNet. Technologią, która umożliwiła nam realizacje projektu była sieć IWLAN tworzona przez urządzenia Scalance W788-2 i W722-1 marki Siemens.
Uruchomienie bezprzewodowej sieci przemysłowej nie jest procesem trywialnym. W przemyśle chwilowa nieosiągalność urządzenia może wiązać się z zakłóceniami procesu produkcji, czy niezadziałaniem rozwiązania bezpiecznego, powodując niebezpieczeństwo dla przebywających na zakładzie osób. Dlatego wdrożenie przemysłowej sieci bezprzewodowej to podstawa tego projektu.
Wdrożenie sieci IWLAN
- Przed przystąpieniem do realizacji projektu precyzyjnie zarysowano założenia, które musiała taka sieć spełniać. Dopiero znając wymagania stawiane systemowi rozpoczęliśmy analizę istniejących na rynku rozwiązań. Poniżej przedstawiono założenia przyjęte przy realizacji projektu i to w jaki sposób wybrane przez nas rozwiązanie je spełnia.
Zgodność z normami prawnymi
Zastosowana sieć przemysłowa musiała być dopuszczona do użytku zarówno przez obowiązujące w danym kraju prawo, jak i przez samego klienta. Sieć firmy Siemens jest zgodna z międzynarodową normą IEEE 802.11. Sieć IWLAN może operować w ramach standardów 802.11a/h, 802.11b, 802.11g, 802.11n, 80.11 ac, 802.11 ad, co pozwala na sporą dowolność w dostosowywaniu parametrów sieci do zastosowania. Dodatkowo, każde urządzenie Scalance IWLAN posiada wgrane informacje o dopuszczonych parametrach sieci i dozwolonych kanałach transmisji, które są obsługiwane w danym kraju, co pozwala na podwójną weryfikację konfiguracji sieci pod kątem prawnym.
Zgodność ze sterownikami S7-1500 i standardem ProfiNet
Kompatybilność ze sterownikiem firmy Siemens determinuje inne jej produkty użyte w realizacji. Urządzenia Scalance są w pełni kompatybilne ze wszystkimi sterownikami marki Siemens, oraz posiadają pewne udogodnienia, tj. parametryzacja urządzenia oraz przechowywanie zestawu parametrów urządzenia w projekcie programu PLC w środowisku TIA Portal. Ponadto urządzenia Scalance są uczestnikami sieci Profinet. Jest to ważny aspekt urządzenia, gdyż pozwala on na diagnostykę urządzenia z poziomu sterownika PLC i wykorzystanie jej w programie PLC, oraz zwizualizowanie statusu urządzenia na panelu operatorskim.
Determinizm czasowy i zgodność ze standardem ProfiSafe
W przemyśle liczy się każda sekunda. Rozwiązania sieciowe muszą zapewniać jak najszybszy czas odpowiedzi oraz gwarantować deterministyczny charakter każdego sygnału, co oznacza gwarancję wymiany sygnałów poniżej pewnego określonego i zależnego od charakteru instalacji czasu. Dodatkowo, z racji zastosowania wcześniej wymienionych rozwiązań bezpiecznych i modułów zgodnych z protokołem ProfiSafe, zastosowana przez nas sieć bezprzewodowa powinna wspierać wspomniane rozwiązania i zapewnić ich niezakłócone działanie. Access Pointy i Clienci sieci IWLAN mogą operować w ramach specjalnego protokołu iPCF (industrial Point Coordination Function), stworzonego przez sieć Siemens. W ramach protokołu iPCF, Access Point tworzy listę zalogowanych klientów, a następnie wykonuje wymianę sygnałów zgodnie z przyjętą sekwencją odpytań. Komunikacja odbywa się w sposób cykliczny. Dodatkowo, dzięki protokołowi iPCF, AP jest w stanie kontrolować i zapewniać czas odpowiedzi każdego modułu klienckiego, przy jednoczesnej kontroli sumarycznego czasu cyklu wszystkich odpytań i dzięki temu jest zgodny ze standardem ProfiSafe.
źródło: Basic information on configuring an Industrial Wireless LAN (dostęp 29.03.2021)
Warto wspomnieć, że mimo iż iPCF jest rozwiązaniem stworzonym przez firmę Siemens to jest to tryb pracy Access Pointa w ramach protokołów zgodnych z normą IEEE802.11. Kolejnym atutem stosowania tej technologii, jest możliwość zastosowania kilku AP i obsługa roamingu stacji klienckich między nimi. Protokół iPCF zapewnia podstawową funkcję roamingu, przy zapewnieniu minimalnych czasów przełączeń między kilkoma AP. W razie potrzeby istnieje możliwość zastosowania rozszerzonego trybu iPCF-MC (management channel), w którym, przy zastosowaniu dodatkowego kanału komunikacyjnego do zarządzania siecią, klienci wykonują roaming między AP na podstawie zaawansowanych odczytów jakości transmisji.
źródło: SIEMENS, Quick Roaming with IPCF-MC z 11.02.2015 (dostęp 29.03.2021)
Możliwości konfiguracji parametrów sieci
Sieć IWLAN, dzięki zastosowanym standardom komunikacji i rozszerzeniu iPCF, pozwala na dużą dowolność przy dobieraniu parametrów sieci i komunikacji. Dostosowywanie czasu odpowiedzi urządzeń, czasu cyklu komunikacji, mocy sygnałów oraz duży przekrój urządzeń i akcesoriów dostępnych na rynku, pozwalają na dostosowanie sieci do postawionych założeń. Warto również zauważyć, że istniejące rozwiązania roamingu, przy jednoczesnym zachowaniu determinizmu, pozwolą w przyszłości na ewentualną rozbudowę instalacji o kolejne urządzenia dostępowe AP lub nowe stacje klienckie. Przy parametryzacji urządzeń Scalance należy zachować pewien balans, między jakością i stabilnością połączenia a odpowiednim czasem reakcji. Urządzenie, które jest nieresponsywne, z racji dużych opóźnień transmisyjnych, ale zawsze dostępne w sieci, jest bardziej niebezpieczne niż urządzenie, które z powodu zbyt dużej zwłoki zgłosi błąd i zatrzyma instalacje, ale zagwarantuje nam błyskawiczną reakcję na zdarzenie. Stosowanie rozwiązań automatycznych ma swoje konsekwencje, dlatego najważniejszą kwestią zawsze powinna być kwestia bezpieczeństwa.
Analiza warunków pracy sieci na instalacji
Przy projektowaniu instalacji automatyki, nie należy zapominać o warunkach w jakich ta instalacja będzie pracować. Warunki środowiskowe determinują użyty asortyment modułów IWLAN. Bardzo ważne było, aby dokładnie przeanalizować zajętość pasma bezprzewodowego w obszarze instalacji. Z racji tego, że coraz więcej urządzeń korzysta z komunikacji bezprzewodowej, pasmo sieci bezprzewodowej staje coraz częściej wykorzystywanym medium. Dokładna analiza i dobór częstotliwości pasma (2.4GHz lub 5GHz) oraz kanału, w ramach którego ruch na sieci i poziom szumu jest niski, pozwoliło na zapewnienie stabilności pracy sieci bezprzewodowej, co musiało być brane pod uwagę zarówno przez integratora jak i klienta końcowego. Z racji natury fal elektromagnetycznych, ich propagacji i uleganiu zakłóceniom ze strony obiektów znajdujących się na torze między antenami, należało zapewnić jak najlepsze warunki do niezakłóconej pracy sieci. W przypadku zastosowanych przez nas anten dookólnych, instalacja została zaprojektowana w taki sposób, by zarówno anteny AP jak i klienckie znajdowały się na tej samej wysokości i były ustawione równolegle względem siebie. W celu zapewnienia takich samych warunków komunikacji, bez względu na położenie wózka na torze, zastosowano dwa Access Pointy, każdy z nich z 3 antenami. Anteny ustawiono w równych odstępach od siebie zapewniając minimalny dystans między anteną AP a modułem Client. Równie ważne jest zadbanie o usunięcie wszelkich przeszkód, które podczas pracy instalacji mogą zakłócić pole między dwoma antenami, w szczególności elementów metalowych i/lub elektronicznych.
Benefity
Zachowując szczególną dbałość o warunki w jakich pracuje instalacja oraz o dobór podzespołów i parametrów bezprzewodowej sieci przemysłowej, jesteśmy w stanie zaoferować naszym klientom sprawdzone i bezpieczne rozwiązanie. Rezultatem naszej pracy jest instalacja, która może być dalej rozwijana, spełniająca normy bezpieczeństwa maszynowego i normy prawne dotyczące sieci bezprzewodowych. Mamy nadzieję korzystać z uzyskanego doświadczenia przy kolejnych projektach.