Обзор беспроводных технологий, применяемых для автоматизации технологических процессов

Обзор беспроводных технологий, применяемых для автоматизации

технологических процессов

В.А. Носенко, А.А. Силаев, С.И. Ефремкин

Волжский политехнический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Волгоградский государственный технический университет»

Аннотация: Работа посвящена обзору применения беспроводных технологий для измерения параметров технологических процессов. Рассмотрены два вида архитектур беспроводных сетей: схема «звезда» и «сотовая схема». Предлагается за основу взять топологию «сотовая схема». Приведены три стандарта беспроводной связи: ZigBee, Wi-Fi и Bluetooth. Показано преимущество технологии ZigBee. В качестве основы беспроводного датчика рассмотрена RFID-технология. Приведены примеры подобных датчиков.

Ключевые слова: беспроводные промышленные сети, сотовая схема, стандарты локальной беспроводной связи, RFID-датчик, беспроводные технологии, автоматизация технологических процессов.

Введение

На каждом производстве постоянно происходит множество процессов, подлежащих контролю. Нужно строго следить за технологическими параметрами, отклонение которых влияет на качество продукции и приводит к браку. Проблема контроля параметров технологического процесса решается внедрением информационно-измерительных систем управления. В связи с тем, что количество контролируемых параметров постоянно растет, целесообразно применять беспроводные технологии. Поэтому систему управления нужно проектировать с учётом концепции промышленный интернет вещей.

Для реализации промышленного интернета вещей необходимо использовать беспроводные технологии для сбора данных о технологических параметрах. Это позволяет сократить расходы на монтаж, обеспечить масштабируемость и высокую надежность системы.

Виды архитектуры сетей датчиков

Для организации системы сбора данных беспроводные датчики необходимо объединять в промышленную сеть. Рассмотрим наиболее перспективные виды архитектур таких сетей. Первой рассматриваемой архитектурой является вид «Звезда» [1], смысл которой состоит в том, что все датчики передают сообщения в центральный приемник. Данный вид используется для реализации централизованной системы управления. Минусом подобных систем является то, что при сбое центрального устройства выходит из строя вся система.

На рис. 1 представлена сетевая архитектура «Сотовая схема». Согласно сценарию обмена данными в такой сети все датчики могут связываться со всеми другими и ретранслировать от них сообщения [2]. Плюсом данной системы служит независимость элементов друг от друга, следовательно, при выходе из строя одного из них, система остается в рабочем состоянии.

Рис.1 - Сетевая архитектура «Сотовая схема» (Д.1-Д.5 - датчики) Центральная точка приема является одним из узлов сети, задачей которого является сбор данных. Преимуществом такой архитектуры является то, что датчик в каком-либо узле может обходить центральную станцию и передавать данные только в те узлы, которым эти данные нужны.

Технологии беспроводной передачи данных

На сегодняшний день широкое распространение получили такие технологии беспроводной передачи данных, как Wi-Fi, Bluetooth и ZigBee.

ZigBee (IEEE, 802.15.4) - это стандарт для низкоскоростных персональных сетей беспроводной связи. Стандарт ZigBee определяет три типа устройств: координаторы, маршрутизаторы и оконечные устройства[3]. Стандарт ZigBee позволяет создавать «сотовые сети» для сопряжения датчиков, управляющих устройств и исполнительных механизмов.

Технология беспроводной передачи данных Wi-Fi, основана на стандарте IEEE 802.11. [4], который определяет протоколы, необходимые для организации локальных беспроводных сетей (WLAN).

Беспроводная технология Bluetooth, основана на стандарте IEEE 802.15.1. Bluetooth представляет собой недорогой радиоинтерфейс с низким энергопотреблением (мощность передатчика всего порядка 1 мВт) для организации персональных сетей, обеспечивающий передачу в режиме реального времени как цифровых данных, так и звуковых сигналов [5].

Применение стандартов Wi-Fi и Bluetooth для реализации промышленной сети вида «сотовая сеть» не оправдано т.к. первый имеет слишком высокое энергопотребление, а второй не позволяет создать сеть с нужной архитектурой и размером.

RFID-технология и ее применение

Одной из перспективных технологий реализации беспроводных датчиков является использование RFID-технологии.

RFID (Radio Frequency IDentification) - способ автоматической идентификации объектов, в котором посредством радиосигналов считываются или записываются данные, хранящиеся в так называемых транспондерах, или RFID-датчиках.

На рис. 2 показана структурная схема опроса RFID-датчика. Внешняя информационная система посылает запрос на считыватель с антенной, которая передает закодированный радиосигнал датчику. Данный сигнал «активирует» датчик, он «отвечает» на сообщение и передает информацию обратно на считыватель [6,7].

Наиболее важным элементом в технологии является RFID-метка, которая классифицируется по следующим факторам:

1) По частоте работы (высокочастотные (13,56МГц); ультравысокочастотные (860960МГц);

2) По исполнению (этикетки, корпусные, специальные);

3) По источнику питания (активные, пассивные, полуактивные)[8,9].

(1 - внешняя информационная система, 2 - запрос / данные метки, 3 - считыватель, 4 -

RFID-технология может применяться для создания датчиков измерения. Например, компания Tzone Digital Technology специализируется на разработках и производстве систем и устройств для измерения температуры [10]. Пример такого устройства. TZ-Tag06B - RFID-датчик измерения температуры и влажности воздуха. После получения сигнала с антенны датчик передаёт в сеть значение температуры и влажности. Датчик обладает диапазоном измерения температуры: от -400С до +1250С, влажности: от 0 до 100%. Точность измерения: ±0,30С для температуры и ±3% для влажности.

Другой пример применения RFID-технологии в промышленности демонстрирует компания IDS Microchip. В результате разработчиками была создана своеобразная «метка-термометр» IDS-SL13A [11], позволяющая посылать на считыватель номер метки и информацию о температуре объекта. IDS-SL13A работает в диапазоне 13.56 МГц и использует для питания компактную батарейку. Диапазон измерения температуры составляет: от -200С до +600С, точность измерения: ±0,50С.

Рис.2 - Структурная схема опроса RFID-датчика

антенна, 5 - запрос / ответ метки, 6 - RFID-датчик)

Заключение

Таким образом, следует подчеркнуть необходимость продолжения изучения беспроводных технологий, их специализацию в области измерения параметров технологических процессов. Это позволит развивать технологию интернета вещей и максимально автоматизировать производство.

Литература

1. Бачаров С. Выбор технологии беспроводного обмена данными для решения задач автоматизации систем жизнеобеспечения офисно-производственных помещений // Беспроводные технологии, 2007, №2. - URL: wireless-e.ru/articles/technologies/2007_2_58.php (дата обращения 04.03.2019).

2. Опыт построения сети беспроводных датчиков для мониторинга систем ОВК зданий // АВОК. 2006. № 1. - URL: abok.ru/for_spec/articles. php?nid=3142 (дата обращения 04.03.2019).

3. ZigBee v.3.0 // ZigBee Alliance. URL: zigbee.org/zigbee-for-developers/zigbee-3-0/ (date of access: 04.03.2019).

4. WI-FI в промышленных средах // ARMAN - системная интеграция для промышленности. URL: arman-engineering.ru/info_center/articles/1102 (дата обращения 04.03.2019).

5. Евлушина Д.А. Современные технологии беспроводной передачи данных // Научное сообщество студентов XXI столетия. Технические науки: сб. ст. по мат. XXXIX междунар. студ. науч.-практ. конф. № 2(39). URL: sibac.info/archive/technic/2(38).pdf (дата обращения: 04.03.2019).

6. Макаров А. В., Фирсов А. В. Использование технологий RFID и QRкодирования с целью защиты от контрафакта продукции текстильных предприятий // Инженерный вестник Дона, 2015, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3179 .

7. Веремеенко Е.Г. Применение системы радиочастотной идентификации (RFID) для автоматизации работы автомобильного транспорта в порту // Инженерный вестник Дона, 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/ n4y2013/2116 .

8. RFID-технология и ее применение // ООО «Технология Идентификации». URL: tech-id.ru/sites/default/files/obshchaya_prezentaciya.pdf (дата обращения: 04.03.2019).

9. RFID-метки. Классификация. Подбор // АПР-Технолоджи. URL: apr-technology.ru/page/rfld-metki/(дата обращения: 04.03.2019).

10. TZ-Tag06. User manual. URL: euromobile.ru/upload/iblock/ c21/c214f7 e3113b6979ae2de4943ae0e87b.pdf (date of access: 04.03.2019).

11. IDS-SL13A. Smart Label Chip with Senor. URL: yumpu.com/en/ document/read/549470/ids-sl13a (date of access: 04.03.2019).

References

1. Bacharov S. Besprovodnye tekhnologii, 2007, №2. URL: wireless-e.ru/articles/technologies/2007_2_58.php.

2. АВОК, 2006, №1. URL: abok.ru/for_spec/articles. php?nid=3142.

3. ZigBee v.3.0. ZigBee Alliance. URL: zigbee.org/zigbee-for-developers/ zigbee-3-0/.

4. ARMAN - sistemnaya integraciya dlya promyshlennosti. 2019. URL: arman-engineering.ru/info_center/articles/1102.

5. Evlushina D.A. Sovremennye tehnologij besprovodnoj peredachi dannyh [Modern technologies of wireless data transmission]. Nauchnoe soobshchestvo studentov XXI stoletiya. Tekhnicheskie nauki: sb. st. po mat. XXXIX mezhdunar. stud. nauch.-prakt. konf. № 2. URL: sibac.info/archive/technic/2 (38).pdf.

6. Makarov A. V., Firsov A. V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2015, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3179.

7. Veremeenko E.G. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/ n4y2013/2116.

8. OOO «Tekhnologiya Identifikacii». URL: tech-id.ru/sites/default/files/obshchaya_prezentaciya.pdf.

9. RFID metki. Klassifikaciya. Podbor [Tag. Classification. Selection]: APR-Technology, 2018. URL: apr-technology.ru/page/rfid-metki/

10. TZ-Tag06. User manual. URL: euromobile.ru/upload/iblock/ c21/c214f7 e3113b6979ae2de4943ae0e87b.pdf .

11. IDS-SL13A. Smart Label Chip with Senor. URL: yumpu.com/en/ document/read/549470/ids-sl13a.