Draadloze (embedded) netwerken in de industrie 1

Paul op den Brouw - 6-1-2005

Samenvatting

Oudere veldbussystemen voor industriële datanetwerken maken plaats voor Ethernet. Behalve Ethernet via kabelnetwerken komen nu ook de draadloze (wireless) netwerken op.

Details

Industriële datanetwerken

Overal in productiebedrijven, nutsbedrijven, chemische fabrieken, groothandel en in het beheer van gebouwen en ziekenhuizen worden industriële datanetwerken gebruikt. Hiermee kunnen productielijnen, processen en apparatuur worden aangestuurd, gecontroleerd en gevolgd zonder de directe aanwezigheid van personeel.

Veldbussen

Voor industriële datanetwerken zijn de afgelopen jaren meer dan een dozijn veldbustechnologieën ontwikkeld. Tot de bekende veldbussen in de VS behoort bijvoorbeeld DeviceNet (zie link in rechterkolom). Deze veldbus maakt een eenvoudig open netwerk mogelijk en voorziet nog steeds bij veel industriële bedrijven in de verbinding tussen eenvoudige devices, zoals sensoren en actuatoren, en devices van een hoger niveau, zoals programmable logic controllers (PLC) en computers. DeviceNet is genormaliseerd en maakt gebruik van Common Industrial Protocol (CIP) voor de aansturing, instelling en gegevensverzameling van devices, waardoor apparatuur van verschillende leveranciers kan worden gebruikt. De opvolger ControlNet betekende indertijd een belangrijke verbetering in vergelijking met DeviceNet: eveneens gebaseerd op CIP maakte het werken in real time en voor high-throughput mogelijk.

Ethernet

In de VS maken behalve DeviceNet en ControlNet ook andere bekende netwerken als Fieldbus en Profibus in rap tempo plaats voor Ethernet (zie voor overzicht veldbussen link in rechterkolom). Eind jaren negentig werd duidelijk dat Ethernet de de facto standaard/norm voor industriële datanetwerken zou worden, niet alleen voor de kantoortoepassingen binnen het bedrijf maar ook op de werkvloer. De wereldwijde acceptatie van ethernet heeft geleid tot sterke kostenverlaging van de afzonderlijke netwerkcomponenten. Er zijn tegenwoordig veel aanbieders met veel verschillende ethernetproducten. De kosten zijn niet de enige drijfveer achter deze vervanging. Bedrijven willen steeds vaker de productieplaats netwerken met de computer integrated manufacturing (CIM) systemen. Het gebruik van een local area network(LAN) in de real time omgeving van de productiefabriek is opgelost met de ontwikkeling van een speciale norm: Ethernet/Industrial Protocol. Standaard ethernetproducten worden voorzien van software met deterministic messaging. Hierdoor gaan tijdsgebonden gegevens niet verloren en arriveren stuursignalen niet te laat. Veel van de eerder genoemde protocollen worden nu omgezet naar TCP/IP en kunnen zo over ethernet worden gestuurd.
Tabel 1. Datanetwerken kunnen in vier verschillende topologieën worden gekarakteriseerd:

	point-to-point: wordt toegepast in relatief eenvoudige netwerken, waar het slechts gaat om een enkele controlefunctie of wanneer een enkele sensor moet worden afgelezen.
	multipoint-to-point (ster): wordt toegepast in systemen waarin de signalen afkomstig van vele sensoren worden gemultiplexed in een controlepunt.
	point-to-multipoint/broadcast (boom): vooral toegepast in gelijktijdige verwerking/sturing van signalen van/naar vele sensoren wordt deze topologie toegepast.
	mesh (maas): in een dergelijk multihop netwerk kunnen signalen via verschillende paden langs - dicht bij elkaar gelegen - knooppunten lopen. Daardoor behoeven de punten niet meer in een line of sight (LOS) te liggen voor een goede communicatie. Bovendien kunnen er bij het wegvallen van een deel van het netwerk toch signalen worden ontvangen of gestuurd van en naar een bepaald punt. De nodes kunnen informatie uitwisselen met andere nodes of informatie opslaan en door zenden naar verder afgelegen nodes die buiten direct bereik liggen of naar een node die verbonden is met een wired netwerk. Het voordeel van dicht bij elkaar gelegen nodes is bovendien het lagere energieverbruik.

Wireless Networks: WiFi

Veel van huidige industriële systemen zijn opgebouwd uit netwerken van twisted pair of coaxiale kabels. Aanleg en onderhoud van deze kabelnetwerken zijn vaak kostbaar vanwege de veiligheidseisen die gelden in de fabriek. Er zijn vaak speciale kabelgoten en andere voorzieningen nodig die de kosten opdrijven. Daarom zijn bedrijven niet alleen gericht op de introductie van ethernet maar ook op zoek naar wireless datanetwerken. De toegenomen beschikbaarheid van wireless ethernet (WiFi) en de grote verscheidenheid aan WiFi-producten maakt wireless ethernet nu ook een goedkope en interessante optie voor de industrie. De afgelopen jaren zijn dan ook her en der wireless local area networks (WLANs) in de Amerikaanse industrie geïntroduceerd. Deze hebben meestal een point-to-point of point-to-multipoint topologie (zie tabel 1).

Wireless mesh networks

Onderzoekers van MIT’s Media Lab hebben de afgelopen jaren een meer flexibele en betrouwbare topologie dan point-to-point en point-to-multipoint voor industriële toepassingen ontwikkeld, de mesh-topologie. Deze topologie vormt de basis voor een multihop systeem waarin de verschillende devices elkaar assisteren in het doorzenden van signalen. Besturing, sensorsignalering en monitoring vinden plaats via een point-to-point-to-point of een peer-to-peer netwerk. Elke node in het mesh-netwerk kan pakketjes gegevens ontvangen en uitzenden en bovendien functioneren als een router die pakketjes doorgeeft van naburige nodes. Door deze manier van gegevensoverdracht komen pakketjes altijd langs een of andere weg op hun bestemming aan ook als bepaalde nodes (tijdelijk) niet betrouwbaar kunnen communiceren. Een mesh-netwerk heeft dus net zoals internet en andere peer-to-peer router netwerken veel redundante communicatiepaden door het netwerk. In een mesh-netwerk wordt de betrouwbaarheid van de verbinding tussen twee nodes vier zo groot door het verkleinen van de afstand met een factor twee. Dus zonder het transmissievermogen op te voeren kan met de plaatsing van de nodes de betrouwbaarheid van het netwerk worden opgevoerd.
Een ander voordeel is dat een dergelijk netwerk niet een netwerkbeheerder nodig heeft, die de communicatie in het netwerk moet configureren. Een mesh-netwerk is zelf-organiserend en heeft dus geen handmatige configuratie nodig. Het netwerk ontdekt automatisch nieuwe nodes en neemt die op in het totale netwerk. Het netwerk kan dan ook gemakkelijk uitgebreid worden met repeater en nieuwe nodes tot duizenden nodes. Het wordt daarom belangrijk dat er snel een norm voor deze mesh topologie komt op basis waarvan bedrijven onderling compatible producten kunnen maken. Zigbee moet de nieuwe norm worden.
Robert Poor, oprichter van Ember Corp. te Boston, MA, heeft een belangrijke rol gespeeld bij de totstandkoming van de ZigBee-norm op basis van IEEE’s 802.15.4 wireless personal area network (WPAN) protocol. Zijn promotieonderzoek bij MIT’s Media Lab naar algoritmes, die beschrijven hoe een groot aantal onafhankelijke devices gegevens naar elkaar kunnen zenden, legde de basis voor de bovengenoemde mesh-netwerken en daarmee een alternatief voor Bluetooth. Bluetooth mag dan vier maal sneller zijn dan ZigBee, het kan slechts een zeer beperkt aantal (8) nodes tegelijkertijd aan. Bovendien kunnen ZigBee devices jaren mee op een simpele batterij: in een korte tijdspanne zenden zij hun gegevens uit en gaan dan weer in sleep mode. De onderliggende technologie zorgt er voor dat er automatisch verbinding met nabijgelegen nodes in het netwerk worden gezocht en gelegd. ZigBee-netwerken kunnen als ster-, boom- en mesh-topologie worden geconfigureerd.
ZigBee lijkt van groot belang te worden voor wireless industriële netwerken. Rond de ontwikkeling van deze norm en de bijbehorende devices hebben zich dan ook veel producenten verenigd. De ZigBee Alliance telt meer dan honderd bedrijven, waarvan Ember, Freescale Semiconductor, Honeywell, Invensys, Mitusbishi Electric, Motorola, Philips en Samsung de trekkers zijn. Voor het einde van dit jaar moet de ZigBee-norm gereed komen. Op basis van de IEEE 802.15.4 norm, die de PHY(sical)- en MAC-lagen van het OSI-model definieert, ontwikkelt de alliantie de normen voor networking, beveiliging en de toepassingslagen.
ZigBee kan grote sensornetwerken tot 65.000 nodes aansturen. In dit verband wordt dan ook regelmatig gesproken over smart dust networking. Sensoren of motes ter grootte van een kubieke millimeter kunnen - verspreid over het terrein van een bedrijf - een ad hoc wireless netwerk vormen, dat rapporteert over zaken als temperatuur en druk in werkruimten of over hartslag en bloeddruk van medewerkers. Een aardig voorbeeld is te vinden in de toepassing van een dergelijk netwerk in een waterzuiveringsinstallatiedoor Ember Corp.
In eerste instantie zullen deze mesh-netwerken gebruikt worden voor het zenden van geringe hoeveelheden informatie naar een centrale plaats. Omdat zo laag mogelijk energieverbruik zo’n belangrijke rol speelt in smart dust-achtige netwerken, is het goed denkbaar dat deze netwerken - op batterijen - naast WiFi-netwerken op stroom - functioneren. Door een bug naar een Wi-Fi network te maken, kunnen gegevens uit een mesh-netwerk gecombineerd worden met gegevens van andere punten in een WiFi-netwerk. Ieder netwerk heeft dan zijn eigen functie, aldus Sokwoo Ree, CTO van Millennial Net en Peter Stein, VP van Sensicast Systems. Nog kleinere sensoren met een horlogebatterij vormen misschien de oplossing. Of nog een stap verder: de small autonomous network devices (SANDs) van Philips, die energie uit de omgeving aftappen (licht of vibratie-energie).Hoe dan ook een handvol jonge start-ups heeft zich geworpen op de smart dust networking (zie tabel).

zie vervolg in deel 2 (link in rechterkolom)
Bron:
Electronic Design, vol 52, no. 21 (2004).
Zigbee Alliance.