Vergelijking van draadloze protocollen voor industriële automatisering

De vierde industriële revolutie (Industrie 4.0) heeft machines met meer intelligentie en geautomatiseerde voorzieningen met meer efficiëntie en flexibiliteit gebracht. Deze steeds complexere systemen hebben de toepassing van draadloze communicatie in industriële omgevingen gestimuleerd. Industrie 4.0 slimme machines en modulaire automatisering worden immers gedefinieerd door:

• Veilige en aanpasbare besturingsconnectiviteit
• Verzameling en voortdurende aanpassing van de waarden van het productieproces
• Bewaking van de machineconditie voor voorspellende onderhoudsroutines
• Netwerken voor analysemogelijkheden voor big data

Draadloze technologieën die deze functies ondersteunen, zijn gebaseerd op cellulaire, Wi-Fi-, Bluetooth-, en IEEE 802.15.4-normen en -protocollen. Dat komt deels omdat ontwerpers verwachten dat componenten van verschillende leveranciers compatibel zijn. Wat per definitie inhoudt dat connectiviteit moet worden gerealiseerd via interfaces die aan de industrienormen voldoen en niet via propriëtaire interfaces. Interoperabiliteit is in feite slechts één aspect van Industrie 4.0.

Afbeelding 1: Draadloze connectiviteit is essentieel voor de coördinatie van materiaalbehandeling en robotachtige samenwerking. (Bron afbeelding: Getty Images)

Afzonderlijke toestellen met draadloze communicatie zijn doorgaans duurder dan bekabelde netwerken. Deze hogere aanloopkosten worden echter op verschillende manieren gecompenseerd, en draadloze toestellen blijken op lange termijn vaak de meest kosteneffectieve optie te zijn. De kosten voor het trekken van bekabeling door een productieruimte kunnen namelijk aanzienlijk zijn. Het kost moeite om de routing van kabels en hun connectoren te plannen. Bovendien hebben kabels bescherming en fysieke ondersteuning nodig van kabelgoten of dragers, en hebben ze aansluitdozen en andere accessoires nodig. Het plannen, bestellen en installeren van al deze kabelgebonden hardware verlengt de tijd die nodig is om een netwerk te implementeren.

Op Wi-Fi-gebaseerde normen voor automatisering

Het Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) heeft in 1997 802.11 uitgebracht, een definitie van de standaard draadloze implementatie van lokale netwerken (LAN's). Om ervoor te zorgen dat de markt deze standaard ten volle zou benutten, volgde al snel het industrieconsortium Wi-Fi Alliance - geleid door bedrijven in de sector van draadloze apparatuur die geïnteresseerd waren in het opzetten van test- en certificatieprogramma's om de interoperabiliteit van producten tussen leveranciers te handhaven. Tegenwoordig wordt de Wi-Fi-norm, zoals gedefinieerd door IEEE 802.11, aangevuld door aanvullende standaardisatie van de Wi-Fi Alliance voor een buitengewoon betrouwbare compatibiliteit van apparaten die aan de eisen voldoen.

Afbeelding 2: Industrie 4.0 (ook wel het industriële internet der dingen of IIoT genoemd) is onlosmakelijk verbonden met de invoering van draadloze technologieën. Deze draadloze technologieën, die gebruik maken van gestandaardiseerde interfaces om connectiviteit tussen verschillende apparaten en computersystemen mogelijk te maken, omvatten mobiele apparaten die als HMI's worden gebruikt (zoals hier afgebeeld), alsmede talloze andere draadloze veldcomponenten die de machinestatus doorgeven. (Bron afbeelding: Getty Images)

Hoewel Wi-Fi heel nuttig is voor het bewaken van toepassingen en het verbinden van machines met systemen op ondernemingsniveau, hebben de snelheid, latentie en verbindingsstabiliteitsproblemen van Wi-Fi de toepassing ervan beperkt in veeleisende industriële automatiseringstoepassingen met betrekking tot machinebesturing. Dat heeft ertoe geleid dat Wi-Fi in industriële toepassingen vandaag meestal beperkt is tot toepassingen met vrij soepele eisen. Dit zijn:

• Barcodescanners die gegevens doorgeven aan systemen voor de uitvoering van productieprocessen (MES's) en daarbij een seconde of twee vertraging vergeven
• Bewegingssensors niet betrokken bij real-time besturingsfuncties
• Bewaking op lange termijn van de machineconditie met sensoren zoals versnellingsmeters (om de trillingsontwikkeling in de tijd te volgen), alsook temperatuur-, druk-, vochtigheids- en gasconcentratiesensors om de efficiëntie en de gezondheid van de apparatuur te bewaken

Afbeelding 3: Hoewel ongeschikt voor machinebesturing, is Wi-Fi nuttig voor toepassingen voor machinebewaking en voor het verbinden van fabrieksvloeren met systemen op ondernemingsniveau. (Bron afbeelding: The Wi-Fi Alliance)

Er zijn verschillende pogingen geweest om Wi-Fi aan te passen voor industriële besturingstoepassingen, maar deze hadden slechts beperkt succes. Een uitzondering hierop is het Wireless Network for Industrial Automation and Process Automation (WIA-PA), een Chinese standaard voor draadloze industriële communicatie.

Wi-Fi werkt natuurlijk op 2,4 of 5 GHz, waarbij hogere frequenties snellere gegevensoverdracht mogelijk maken, maar het bereik kleiner is omdat hogere frequenties gemakkelijker worden verspreid wanneer ze door muren en andere vaste voorwerpen gaan. Gespecialiseerde normen gebruiken andere frequentiebanden. IEEE 802.11ah Wi-Fi met lage datasnelheid(HaLow Wi-Fi) werkt bijvoorbeeld rond 900 MHz - en wordt gewoonlijk gebruikt in sensoren die een groter bereik en een zeer laag stroomverbruik nodig hebben. Aan het andere uiterste werkt IEEE 802.11ad Wi-Fi(WiGig) op ongeveer 60 GHz om zeer snelle gegevensoverdracht mogelijk te maken.

Op IEEE 802.15.4 gebaseerde draadloze normen

Andere draadloze opties zijn draadloze Low-Rate Personal Area Networks of LR-WPAN's, zoals gedefinieerd door de IEEE 802.15.4 norm. LR-WPAN-technologieën geven voorrang aan lage kosten en laag stroomverbruik boven snelheid en bereik. Met de basisspecificatie die gegevensoverdrachtsnelheden tot 250 kbit/sec en een bereik tot 10 m toestaat, zijn technologieën die gebruik maken van LR-WPAN-communicatie bedoeld om communicatie tussen goedkope apparaten mogelijk te maken zonder extra communicatie-infrastructuur. Protocollen op basis van de IEEE 802.15.4-norm, zoals 6LoWPAN, WirelessHART en ZigBee, zijn hard op weg om de voorkeur te krijgen voor IIoT-protocollen.

1. WirelessHART: Een op 802.15.4 gebaseerd protocol dat door de HART Communications Foundation, ABB, Siemens, en anderen wordt ondersteund, heet WirelessHART. Dit is een goed ondersteunde en robuuste norm voor industriële automatiseringstoepassingen. De betrouwbaarheid van het netwerk wordt gehandhaafd door gebruik te maken van een frequentie-hoppende vermaasd netwerk met tijdsynchronisatie. De meeste draadloze communicatieprotocollen op basis van Wi-Fi- en cellulaire technologieën maken daarentegen gebruik van een minder robuuste sternetwerktopologie waarbij alle apparaten verbinding moeten maken met een centraal apparaat. Alle communicatie wordt versleuteld met 128-bit AES, en de gebruikerstoegang kan streng worden gecontroleerd.

Afbeelding 4: De LTP5903-WHR SmartMesh-netwerkmanager ondersteunt lijngevoede WirelessHART-gateways, zodat technici een op standaarden gebaseerd draadloos sensornetwerk kunnen integreren voor schaalbare bidirectionele communicatie. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Omdat WirelessHART een meshed topologie gebruikt, kunnen gegevens rechtstreeks tussen apparaten worden gerouteerd. Dit kan het netwerkbereik vergroten en redundante communicatiepaden vormen. Op die manier schakelt de verzender automatisch over op een redundant pad als één pad faalt. Met frequentiehopping kan WirelessHART ook interferentieproblemen vermijden.

2. 6LoWPAN: IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks (gewoonlijk 6LoWPAN genoemd) is een protocol dat het mogelijk maakt IPv6-pakketten over een op IEEE 802.15.4 gebaseerd netwerk te verzenden. Dit betekent dat apparaten met een zeer laag stroomverbruik verbinding kunnen maken met het internet, waardoor het zeer geschikt is voor IoT-sensoren en andere apparaten met een laag stroomverbruik.

3. ZigBee: Onderhouden door de Zigbee Alliance en het meest gebruikt in smart-home en gebouwautomatiseringstoepassingen, is ZigBee wellicht het meest gevestigde IEEE 802.15.4-gebaseerde protocol. Hiermee kunnen de nodes het grootste deel van de tijd in de slaapstand blijven staan om de levensduur van de batterij aanzienlijk te verlengen. ZigBee werkt doorgaans in de 2,4 GHz-band en heeft een vaste gegevensoverdrachtsnelheid van 250 kbit/sec. Het kan verschillende netwerktopologieën ondersteunen, waaronder ster, boom en mesh. Boom- en mesh-topologieën vergroten het bereik van het netwerk.

Figuur 5: Zigbee is nuttig voor (onder andere) bewegings-, vibratie-, vochtigheids-, temperatuur- en aanwezigheidssensors in industriële omgevingen. (Bron afbeelding: Zigbee Alliance)

Bluetooth LE en cellulair IoT in industriële automatisering

Bluetooth Low Energy (BLE) is een alternatief voor IEEE 802.15.4 waarbij lage kosten en laag stroomverbruik topprioriteiten zijn, en snelheid, evenals bereik, kan worden opgeofferd. Het werkt op dezelfde 2,4-GHz frequentie als standaard Bluetooth. Het grootste voordeel van Bluetooth LE is dat het van nature wordt ondersteund door mobiele besturingssystemen zoals Android van de Open Handset Alliance, iOS van Apple, en diverse varianten van Microsoft's Windows. Dit plus het feit dat grote elektronicaleveranciers zoals Logitech Corp. het meest in O&O hebben geïnvesteerd, maakt het geen wonder dat Bluetooth LE nog steeds in de eerste plaats een draadloze verbindingsoptie is voor consumentenapparaten. Dit in tegenstelling tot WirelessHART, dat vooral gericht was en is op IIoT-toepassingen.

Afbeelding 6: De Bluetooth Low Energy (BLE) standaard heeft een seriële poort profiel dat systemen herkennen als een volledige seriële interface, handig voor het vervangen van bedrade apparaten door upgrades die via BLE zijn verbonden. (Bron afbeelding: Bluetooth Special Interest Group)

Dit gezegd zijnde, zijn er de laatste jaren een heleboel sensoren, afstandsbedieningen, sloten en draagbare toestellen verschenen die Bluetooth LE gebruiken voor industriële automatiseringstaken. Die tendens zal de komende jaren waarschijnlijk nog toenemen.

In tegenstelling tot BLE en op IEEE 802.15.4 gebaseerde protocollen voor communicatie met laag vermogen over korte afstand, zijn cellulaire technologieën draadloze communicatie over lange afstand. Het 2G GSM cellulaire protocol is grotendeels achterhaald door 3G en 4G snelle cellulaire protocollen die zo gangbaar zijn in mobiele telefoons en IoT-apparaten. Het addertje onder het gras is dat cellulaire communicatie een aanzienlijke hoeveelheid stroom verbruikt, zodat het systeem in industriële toepassingen (vooral voor dergelijke connectiviteit op machines) is aangesloten op een permanent bekabelde stroomvoorziening. Cellulaire LTE-categorieën geven maximale datatransmissiesnelheden aan, maar ten koste van een hoger stroomverbruik. LTE Cat-0- en Cat-1-connectiviteit zijn geschikt voor IoT-apparaten. LTE-M daarentegen is een cellulair protocol met laag stroomverbruik dat specifiek is ontworpen voor machine-to-machine- en IoT-toepassingen.

In tegenstelling tot het relatief wijdverbreide gebruik ervan in mobiele telefoons, zijn industriële 5G-toepassingen minder rijp. Dat komt omdat consumenten prioriteit geven aan downloadsnelheden (en dus snel overgestapt zijn op inleidende 5G-apparaten) en ingenieurs van IIoT-systemen prioriteit geven aan lage latency en alomtegenwoordige dekking. In feite is een lage latency van het grootste belang in de industriële automatisering. Het is waar dat de eerste 5G-netwerken de latentie onder de 30 msec houden, maar er zijn inspanningen om de latentie verder terug te brengen tot slechts 1 msec. Dat is snel genoeg voor veeleisende real-time industriële besturingstoepassingen (niet alleen monitoring), zoals bijvoorbeeld het overbrengen van feedbacksignalen in werktuigmachines.

Eén manier waarop 5G de latentie vermindert is door het netwerk te slicen. Deze netwerktechniek verdeelt de bandbreedte van een netwerk in verschillende virtuele lanes die dan afzonderlijk worden beheerd. Sommige lanes zijn gereserveerd voor transmissies met een lage latentie - en het meeste verkeer mag die lanen niet gebruiken. Vervolgens mogen alleen industriële controletoepassingen die de snelste transmissie nodig hebben, gebruik maken van deze gereserveerde snelle lanes.

De opkomst van het LoRA draadloos protocol

Long-range wide-area network modulation (LoRA) is het goedkope draadloze protocol bij uitstek voor afgelegen en offshore-toepassingen in hernieuwbare energie, mijnbouw en logistieke industrieën. Het is een draadloze technologie met een laag stroomverbruik die over zeer grote afstanden kan communiceren - zelfs tot meer dan 10 km - met één batterij gedurende maximaal 10 jaar. Kortom, LoRA is een niet-cellulaire technologie die werkt in frequentiebanden zonder vergunning. Het maakt gebruik van sub-gigahertz frequentiebanden zoals 433 en 915 MHz en spread-spectrum modulatie op basis van chirp spread spectrum (CSS) modulatie. Dit maakt het zeer geschikt voor IoT-apparaten op afgelegen locaties die slechts behoefte hebben aan bescheiden gegevensoverdrachtssnelheden. LoRA beschikt ook over 128-bit encryptie en controle op authenticatie. Een andere nuttige functie (vooral voor sensoren in IIoT-toepassingen) is geolokalisatie met behulp van trilateratie tussen apparaten.

LoRA maakt gebruik van propriëtaire technologieën die zijn ontwikkeld door Semtech Corp. maar heeft een groot aantal open-source elementen. Het wordt ondersteund (en de interoperabiliteit van apparaten wordt gewaarborgd) door de LoRa Alliance - een grote associatie waartoe IBM, Cisco, TATA, Bosch, Swisscom en Semtech behoren.

Conclusie

Draadloze protocollen voor industriële automatisering zijn er in overvloed. Elk is geschikt voor bepaalde toepassingen. Toepassingen die een laag stroomverbruik vereisen en transmissies op korte afstand aanvaarden, hebben vaak baat bij de integratie van ZigBee en Bluetooth LE connectiviteit. Voor meer veeleisende industriële toepassingen die een robuuste communicatie vereisen, kunnen apparaten met draadloze WirelessHART-verbindingen nodig zijn. Voor toepassingen die transmissie over grote afstanden en met hoge datatransmissiesnelheden vereisen, zijn cellulaire systemen nodig. Hier is 5G klaar om draadloze communicatie te transformeren. Het communiceren van gegevens over zeer grote afstanden (en met minimaal stroomverbruik) gaat vaak het best via LoRa.