Trådløse nettverk blir stadig vanligere i industrielle miljøer, der de tradisjonelle kablene erstattes av datakommunikasjon gjennom radiobølger. Her gir vi deg rådene du trenger for å etablere robuste industrielle trådløse nettverk i din fabrikk.

Trådløse industrielle nettverk er en økende trend

Feltbuss-protokoller var lenge det mest brukte i industrien. De seneste årene har imidlertid ethernet-baserte protokoller hatt en stor vekst, og ifølge en undersøkelse av HMS Industrial Networks gikk Ethernet forbi feltbussene i 2018 med en markedsandel på 52 prosent.

Men det er trådløs teknologi som øker mest innen industriell kommunikasjon. I 2018 økte trådløs teknologi med 32 prosent og stod for seks prosent av hele det industrielle nettverksmarkedet.

Trådløs kommunikasjon i krevende applikasjoner er ikke noe nytt. Trådløs teknologi har allerede blitt brukt i over 30 år gjennom bruken av proprietære radioer. Men med moderniseringen av industrielle nettverk med krav til nye løsninger for tilkobling og kontroll, inkludert tablets og smarttelefoner, fremveksten av ulike Ethernet-protokoller og IIoT, har behovet for standardiserte trådløse teknologier økt.

Les også: Industrielle trådløse nettverk: Hva er det og hvorfor er det viktig?

Viktigheten av robuste trådløse nettverk i industrien

Nettverket er selve nervesystemet i virksomheten, det skal sørge for at data bringes til og fra mellom mennesker og maskiner. Produksjonsnettverket (OT-nettverket) må designes ut fra beste praksis, med moderne og standard nettverksutstyr, segmentering og implementering av datasikkerhet.

Konsekvensen er begrenset om en IT-prosess stopper opp. Man trykker gjerne på «refresh» og så er man oppe og går igjen. Men for maskin-til-maskin kommunikasjon, kan selv et kort brudd i kommunikasjonen føre til at utstyret og prosessen slutter å fungere.

Førerløse kjøretøy (eller Automated Guided Vehicles, AGV) er et godt eksempel. Flere AGV-applikasjoner må overføre I/O-signaler fra hvert enkelt kjøretøy. I/O-trafikk krever ikke mye båndbredde, men er helt avhengig av uforstyrret kommunikasjon. Selv et kort avbrudd kan føre til feil i I/O-systemet og stoppe det førerløse kjøretøyet.

Dette utløser krav om at det alltid må være trådløs dekning der hvor AGV ferdes. For å oppnå trådløs dekning i alle områder hvor AGV ferdes må man ofte benytte flere aksesspunkt som overlapper hverandre til en viss grad. Ettersom AGV beveger seg rundt i f. eks et fabrikklokale vil den få et stadig svakere signal fra aksesspunktet den er tilkoblet og er på vei vekk fra, og et tilsvarende stadig sterkere signal fra nytt aksesspunktet som den er på vei mot.

Industrielle WiFi-radioer har en innebygget mekanisme som forteller WiFi-klienten på AGV når den skal koble seg ned fra aksesspunktet den allerede er tilkoblet (det svakere signalet) og koble opp mot nytt aksesspunkt (det sterkere signalet). Denne mekanismen kalles roaming.  Industrielle WiFi-radioer støtter ultrarask roaming på under 10 ms.

Mennesker, utstyr, maskiner, metallstrukturer, bygninger og andre trådløse radioer i samme frekvensbånd kan blokkere radioveier, reflektere, absorbere eller spre radiosignaler slik at radiosignalene tar ulike veier (Multipath) og dermed ikke ankommer radiomottageren samtidig. Dette kan føre til dårlig signalkvalitet og til og med brudd i kommunikasjonen.

Industrielle radioer er laget for krevende miljøer og har blant annet støtte for SIMO (Single Input/Multiple Output) og MIMO (Multiple Input/Multiple Output). SIMO/ MIMO kan vanligvis kompensere for spredning av radiosignaler.

Les også: Produksjonsnettverket: Nervesystemet i en moderne produksjon

Ulike typer trådløse teknologier

Stadig flere produksjonsbedrifter benytter trådløs teknologi slik som WiFi, Bluetooth, IEEE 802.15.4 (ZigBee, WirelesHART, ISA SP-100) og 4G. De ulike trådløse teknologiene har ulike egenskaper som må tas i betraktning ved valg av løsning.

• Frequency-hopping spread spectrum (FHSS):

En metode som overfører radiosignaler ved å skifte bærer blant flere ulike frekvenskanaler i et vilkårlig mønster. For eksempel sendes en datapakke på én frekvens, mens den neste datapakken sendes på en annen frekvens, og slik hopper det i et vilkårlig mønster mellom 32 ulike frekvenser. Denne teknologien er godt egnet i miljøer med krevende forhold, for eksempel med mye metallnetting, skilt, kraftige elektromagnetiske felt eller lignende. Teknologien har imidlertid redusert ytelse sammenlignet med rent WLAN.

• WPAN (Wireless Personal Area Network):

WPAN teknologi som Bluetooth, brukes ofte for maskin/menneske-grensesnitt (HMI), programstyring, vedlikehold og service og kontrolloppgaver i sanntid. Bluetooth-teknologi er passende for automasjonsutstyr i serielle, feltbuss- og Ethernet-nettverk, og spesielt anvendelig for utstyr og enheter med høye krav til redusert fotavtrykk, lavt energiforbruk og kostnadseffektivitet. Bluetooth har lav forsinkelse og gir robust kommunikasjon.

• WLAN (Wireless Local Area network):

Mest kjent som WiFi og den mest brukte trådløse standarden. Den brukes ofte for produksjonsplanlegging og datainnsamling samt applikasjoner der rask roaming kreves. WLAN tilbyr høy datagjennomstrømming, men er mer sårbart for interferens og forstyrrelser enn Bluetooth.

• WWAN (Wireless Wide Area Network):

4G og snart 5G egner seg godt for kommunikasjon over store avstander. Det er fullt mulig å få to-veis digital kommunikasjon mellom en laptop plassert i et land og en maskin plassert i et annet land eller til og med plassert i et annet kontinent. 4G og 5G egner seg også for mobile applikasjoner, slik som flåtestyring (lastebiler, varebiler) samt for andre applikasjoner hvor det er svært krevende å få til kommunikasjon via WLAN. Overvåking og styring av vannpumper og damluker er eksempel på applikasjon hvor 4G/5G kan være egnet. 4G og 5G benytter IP protokoll og støtter kryptert kommunikasjon via ulike VPN løsninger.

Hvilken teknologi som bør velges kan variere fra virksomhet til virksomhet, og dekningsanalyser og et godt design er avgjørende for at valget blir optimalt. En dyktig samarbeidspartner med kompetanse om industrielle nettverk, kan hjelpe deg med det.

Hva slags utstyr trenger jeg? 

Trådløse industrielle nettverk stiller helt andre krav til utstyr og infrastruktur enn nettverk på IT-siden av virksomheten gjør. Forholdene er langt mer ekstreme og utstyret må ha industrielle spesifikasjoner og ta hensyn til miljøet det plasseres i. Når det gjelder utstyr er det flere ting du bør tenke på, uavhengig av hvilken trådløs teknologi du velger. Blant annet:

• Antenne: Valg av antenneteknologi og plassering av antenner er vesentlig for å få til en god nettverksløsning. Ukritisk bruk av antenner kan føre til dårlig signalkvalitet og redusert rekkevidde.
• Redundans: Redundante trådløse nett, der dataene sendes parallelt over separate frekvenser, er viktige. Oppstår det en feil og du får brudd i den ene frekvensen, så går dataene på den andre. Sjansen er liten for at det oppstår feil og forstyrrelser i begge frekvensbåndene, noe som sikrer økt oppetid.
• Roaming: Trådløse nett, der radioklienter kan veksle mellom ulike trådløse aksesspunkt i løpet av under 10 ms. Dette er mulig siden radioklientene aktivt ser etter nye aksesspunkt og sammenlikner signalstyrke før klienten bytter over til aksesspunktet med det sterkeste signalet. Det er viktig at roaming finner sted før signalkvalitet faller under akseptable verdier. Dette er parametere man kan sette opp i radioklientene.
• Sikkerhet: Sikkerhet er et stadig tilbakevendende tema i etableringen av industrielle trådløse nettverk. Sørg for at du velger teknologi som støtter kryptering for sikker kommunikasjon og at de industrielle radioene du velger støtter WPA2 eller 802.11i AES kryptering.
  
  

Trådløst samspill

Ofte brukes flere trådløse teknologier i parallell, noe som potensielt kan skape forstyrrelser. Slike forstyrrelser kan resultere i forsinkelser i dataoverføring eller i noen tilfeller tap av data. I spesielt virksomhetskritiske industrielle applikasjoner er dette konsekvenser som ikke kan aksepteres, noe som gjør det viktig å optimalisere samspillet mellom de ulike trådløse teknologiene.

• WLAN: 11b/g benytter 2.4GHz frekvensbåndet med totalt 13 kanaler i Norge og EU. 802.11b/g har maksimalt tre kanaler som ikke overlapper hverandre. Disse kanalene er kanal 1, 6 og 11 eller 2, 7 og 12 eller 3, 8 og 13. Dette betyr at dersom du benytter 802.11b/g og du f. eks benytter kanal 3, så må nærliggende WiFi radioer benytte kanal 8 eller høyere for å unngå at dere overlapper og dermed forstyrrer hverandres kommunikasjon.

802.11n kan benytte både 2.4GHz og 5GHz frekvensbånd. Vær varsom dersom du benytter 802.11n i 2.4GHz båndet, særlig dersom 802.11n settes opp med 40MHz signal båndbredde for økt ytelse. Da er du bortimot garantert forstyrrelser fra nærliggende radionett som opererer i 2.4GHz båndet. Det kan av den grunn være bedre å benytte 5GHz båndet for 802.11n.

802.11a/h/n/ac benytter 5GHz frekvensbåndet med totalt 24 kanaler i Norge og EU.

5 av disse kanalene er begrenset til kommunikasjon over korte avstander (Short Range Devices, SRD) med sendestyrke begrenset til 25 mW. Samtlige kanaler i 5GHz båndet er ikke overlappende og gir større sannsynlighet for å unngå forstyrrelser fra nærliggende radionett i 5GHz båndet. Nedsiden ved å benytte 5GHz er at man får kortere rekkevidde enn med 2.4GHz.

• Klassisk Bluetooth-teknologi: Har 79 kanaler med en båndbredde på 1MHz og kombinerer dette med såkalt «Adaptive Frequency Hopping» (AFH) som kan detektere interferens fra f. eks nærliggende 802.11 b, g og n WLAN utstyr.

Dersom AHF oppdager interferens i en eller flere kanaler, blir berørte kanaler automatisk svartelistet. Med tanke på at forstyrrelsen kan være av midlertidig art vil AHF etter en gitt tid forsøke å benytte de svartelistede kanalene på nytt. Dersom det ikke lenger er forstyrrelser på kanalen så vil den bli tatt i bruk igjen.

Trådløs teknologi er ikke en billig erstatning til tradisjonell kabling. Det er heller et alternativ når det er uhensiktsmessig med kabling, for eksempel ved bruk av førerløse trucker (AGV), eller for å øke mobiliteten på fabrikkgulvet, for eksempel ved å gi produksjonsmedarbeidere tilgang til produksjonsdata på mobile enheter.

Og det hele begynner med en god nettverksstrategi. Det kan du lese mer om i e-boken «Minimer sårbarheten og maksimer produksjonen med en solid nettverksstrategi». Den forklarer hvorfor norske produksjonsbedrifter trenger en gjennomarbeidet nettverksstrategi, og hvordan du går frem for å utarbeide den. Last den ned gratis ved å klikke på linken nedenfor.