Teollisuus 4.0:n toteutuessa gigabitin kiinteiden yhteyksien lisäksi teollisuudessa käytetään yhä enemmän langatonta tekniikkaa. Kysymys ei ole enää siitä, käykö näin, vaan siitä, miten ja milloin langaton tekniikka tulee käyttöön.

Mittaus- ja ohjausdatan langatonta siirtämistä koskevat standardit ovat kehittyneet paljon, mikä on saanut viimeisimmätkin kriitikot ajattelemaan uudelleen kantaansa, jonka mukaan langaton tekniikka ei ole tarpeeksi turvallinen. Sopivimman standardin valitseminen riippuu kuitenkin sovelluksesta.

Kenttätaso I: Lähellä tuotantolinjaa on oltava joustava, omavarainen ja huoltovapaa

Uudemmilla tuotantolinjoilla huomio kiinnittyy ensiksi antureihin ja toimilaitteisiin, joita hallitaan ilman kaapeleita ja liukukoskettimia. Ne ovat joustavia asentaa ja ne mahdollistavat täysin uudet liikesarjat tuotantoprosesseissa. Aikaisemmin useimmin mainittu syy tällaisten ratkaisujen asentamatta jättämiseen on ollut paristo, jonka vaihtaminen aiheuttaa tuotannon keskeytymisen. Nyt omavirtaiset anturit ja toimilaitteet kestävät vaatimukset. Energiankeruumoduulien avulla ne pystyvät muuntamaan ympäristön valoenergian tai lämpöerot riittäväksi sähkötehoksi voidakseen lähettää datapaketteja luotettavasti lyhyen kantaman langattomilla yhteyksillä, jopa muutamaan sataan metriin.

Paikallinen energian varastointilaite varmistaa häiriöttömän toiminnan viikkojen ajan, jos ympäristöstä ei ole mahdollisuutta kerätä energiaa jatkuvasti. Alle gigahertsin alueen EnOcean-protokollan lisäksi 2,4 gigahertsin kaistalla toimivat Bluetooth 5 ja ZigBee 3.0 ovat käytettävissä myös antureiden ja toimilaitteiden verkottamiseen.

ZigBee-allianssi näyttää oppineen menneisyyden virheistä. Versio 3.0 on osoittautunut suosituksi paitsi Amazon Echossa, Philips Hue -lampuissa, Ikea Trådfri-tuotteissa ja Osram Lightfyssä, ja teknisten ominaisuuksiensa vuoksi myös teollisuudessa. Yhteensopiva EnOcean-moduuliyhdistelmä huolehtii energian keräämisestä ZigBeellä. Langaton yksikkö protokollineen perustuu Nordic Semiconductorin toimittamaan piiriin.

Suoraviivaisiin P2P-yhteyksiin tai vuorovaikutukseen älypuhelimen, tabletin tai kannettavan kanssa voidaan käyttää myös Bluetoothia ja se on täysin omavirtainen.

Jos tarvitaan laajempaa kantamaa tai jos ei ole mahdollista käyttää 2,4 gigahertsin kaistaa alueella, EnOcean Alliancen EnOcean-protokolla tarjoaa toimivan vaihtoehdon. Myös tämä käyttää EnOcean-moduuleja energian muuntamiseen ja langattomaan viestintään. Jakelijana Rutronik työskentelee yhdessä EnOcean GmbH:n ja EnOcean Alliancen sekä Nordic Semiconductorin kanssa. Se tarkoittaa, että koko alan kehittäjät voivat löytää ratkaisun jopa ohjelmistokohtaisiin sovituksiin ja monimutkaisempiin ongelmiin.

Kenttätaso II: Aina vastaanotossa – hubi tehtaan sisällä

Suuremmissa ja monimutkaisemmissa verkoissa, joissa yhteydet liittävät antureita tai toimilaitteita yhdyskäytävään, keskittimeen tai Edge-tietokoneeseen – mikä huoltovapaana ja omavaraisena näyttää täydelliseltä ratkaisulta – rajat tulevat pian vastaan. Erityisesti ei-synkronoitujen verkkotopologioiden kohdalla jokaisen langattoman solmun on oltava pysyvästi vastaanottavassa tilassa, jotta voidaan vastaanottaa saapuvat datapaketit ja varmistaa, että ne käsitellään välittömästi. Tämä edellyttää jatkuvaa virransyöttöä. Kiinteiden langattomien solmujen tapauksessa langallisia tehon lähteitä on saatavilla, kun taas "kelluville" langattomille solmuille Airfuel-lataustekniikka on mobiili vaihtoehto, joka sallii paljon enemmän siirtelyä kuin Qi-lataustekniikka. Paras kompromissi erilaisten vaatimusten täyttämiseksi on yleensä perinteinen akku.

Monien langattomien standardien, kuten Bluetooth Mesh, WiFi Mesh ja ANT Blaze, historia on tähtitopologiassa, mutta ne ovat muutaman vuoden ajan toimittaneet myös verkkotopologioita. ZigBee, Threah ja jotkut muut suunniteltiin alusta alkaen mesh-verkkoja varten. Vaikka WiFi-verkko toimii käytännössä ilman virtalähdettä, kaikki muut mainitut mesh-verkkojärjestelmät voivat toimia kuukausia yhdellä akun latauksella.

Toisin kuin kotona, jossa ZigBeellä voidaan ohjata LED-valonlähteitä, on ilmeistä, että reitittämätön Bluetooth mesh -verkko on mittatikku kaikille teollisuuden valaistusjärjestelmille varastoissa ja tuotantohalleissa, avotoimistoissa ja käytävissä. Toisin kuin tavanomainen menetelmä, jossa datapaketit reititetään, tässä datavirta takaa erityisen nopeat reaktio- ja läpimenoajat. Tästä huolimatta älypuhelimet ja vastaavat voidaan integroida verkkoon. Tämä tarjoaa toisen valtavan edun muihin langattomiin standardeihin verrattuna, joiden on löydettävä tie tietotekniikkalaitteisiin reitittimen kautta.

Bluetooth Mesh on välikerros, joka teoriassa voidaan sijoittaa mihin tahansa Bluetooth 4.0 -laitteistoon. Bluetooth Special Interest Groupin viimeisimmän hinnoittelujärjestelmän vuoksi uuden järjestelmän suunnittelussa on kuitenkin hyvä käyttää ajan tasalla olevaa Bluetooth 5- tai 5.1-laitteistoa. Rutronik toimittaa puolijohteet asiaankuuluvilla pinoilla STMicroelectronicsilta, Nordic Semiconductorilta ja Toshibalta. Jos halutaan ratkaisu, jossa on kiinteä korkeataajuuspiiri ja sertifiointi, voi valita Bluetooth Mesh -moduulit Insight SiPiltä, Garminilta, Panasonicilta, Muratalta, Telitiltä, Fujitsulta ja Minewiltä.

Kenttätaso III: näköalueen ulkopuolella, mutta läheisesti yhteydessä

Logistiikkakeskuksissa, rautatieasemilla ja satamissa pitkän kantaman langaton verkko on ilmeinen valinta. Julkisia ja lisenssivapaita ISM-taajuuksia käyttävistä tekniikoista LoRa on vakiintunut useimpiin Keski-Euroopan maihin. Ranska ja Alankomaat ovat pääosin Sigfoxin aluetta hyvien verkkolaajennusten vuoksi.

Vuonna 2019 trendi muuttui kuitenkin: Cat M1- ja Cat NB1 4G -standardit kapeakaistaiselle IoT:lle ovat yleistyneet nopeasti alueesta ja sovelluksesta riippuen. Testivaiheesta siirryttiin nopeasti sarjatuotantoon. Vaikka LTE-M oli saatavana solujen välillä liikkuvien sovellusten seurantaan, LTE-verkon NB1 käyttää vielä vähemmän energiaa.

Monissa maissa mobiiliverkko kuitenkin laajenee ja matalan tehon langatonta tekniikkaa otetaan käyttöön. Saksalaiset mobiilioperaattorit keskittyvät selvästi ensisijaisesti mittausmarkkinoihin. Koska asennettu sähkö-, kaasu- tai vesimittari ei liiku, solua ei tarvitse vaihtaa yhteyden aikana. Muissa maissa operaattorit valitsevat mieluummin liikkuvien kohteiden seurantasovellukset ja ovat keskittyneet M1-luokan laajentamiseen. Useimmat langattomien moduulien valmistajat tukevat molempia verkkoja. Rutronikilla on ratkaisuja Telitiltä, Nordic Semiconductorilta, Muratalta, Teliciltä, Advantechilta ja myös muilta franchising-kumppaneilta.

Kuten 2G-, 3G- ja tavalliset 4G-moduulit, myös LTE M1 -lähetinvastaanottimet yhdistetään usein GNSS-moduuli kanssa yhdeksi koteloksi, koska niiden on tarkoitus seurata ja valvoa konttien, ajoneuvojen, tavarakuljetustan sijaintia ja liikettä, ihmisiä ja eläimiä. Sijainti on määriteltävä ja lähetettävä langattoman matkaviestinverkon kautta. Muutama vuosi sitten GPS:lle ei oikein ollut edes kilpailua, mutta sitten GNSS-vaihtoehdot tulivat verkkoon venäläisen Glonass- ja kiinalaisen Beidou-järjestelmien muodossa, vaikka ne eivät ylläkään aivan amerikkalaisen järjestelmän tasolle. Vuonna 2019 eurooppalainen Galileo teki läpimurron ja se on toiminut menestyksekkäästi miljoonissa älypuhelimissa jo jonkin aikaa. Vuoden 2019 puolivälissä tehtiin päätös lisätä seurantatarkkuutta ilmaiseksi, jotta Galileo on nyt edellä GPS-järjestelmää 1-tason sijaintitiedon vapaan käytön suhteen.

Lisäksi Galileo on ainoa järjestelmä, joka tarjoaa todennustoiminnon. Tämä varmistaa, että vastaanotetut signaalit tulevat tosiasiallisesti Galileosta eikä väärennetystä lähetysasemasta. Ja Galileo on ainoa siviilijärjestelmä, joka toimii demokraattisessa maassa. Melkein kaikkia käyttäjiä suositellaan silti asentamaan mahdollisimman monta järjestelmää samanaikaisesti, koska mitä enemmän satelliitteja käytetään, sitä nopeammin, energiatehokkaammin ja tarkemmin useimmat modernit usean GNNS-järjestelmän vastaanottimet voivat toimia. Meidän on kuitenkin oltava valmiita tuleviin muutoksiin ja pystyttävä reagoimaan, jos jokin järjestelmistä epäonnistuu. Moduulissa olevaa NB1- tai M1-modeemia voidaan käyttää laiteohjelmiston asetusten muuttamiseen.

Sovelluksissa, jotka käyttävät satelliittipaikannusta LoRan, Sigfoxin, WiFin tai Bluetoothin kanssa, on varmistettava vastaava vaihtoehto, jolla päästään GNSS-yksikön toimintatilaan isäntäohjaimessa. Yleensä riittää, että luodaan NMEA-ohjauskomento, ja kerrotaan vastaanottimelle, mitä järjestelmiä sen tulisi käyttää ja mitä sen tulisi jättää huomioimatta. Tämä etätoiminto on aina toteutettava manuaalisesti, ja pahimmassa tapauksessa se voi osoittautua tuhoisaksi sovellukselle, mutta se voi myös olla liiketoiminnan pelastaja.

Prosessitaso: Tervetuloa 6. sukupolven WiFiin

Prosessointitasolla kaikki yksittäisten työasemien tiedot kerätään yhteen. Usein kenttätason tunnistimella kerättyä tietoa ei ole valmistettu lainkaan. Jotta datasta saataisiin informaatiota, se täytyy vähintään alustavasti käsitellä. Monissa sovelluksissa on edullista pystyä käyttämään tätä vertailussa rinnan kerättyyn kenttädataan. On mahdollista määrittää laadukkaat kuvioiden sovitusalgoritmit, jotka paitsi vertailevat molempia staattisia malleja myös jatkuvasti mukauttavat referenssinsä. Tämän ja vastaavien intensiivisten tietojenkäsittelytehtävien hoitamiseksi käytetään yleensä raskaampia x86-pohjaisia järjestelmiä.

Tässä ollaan siirtymässä verkottamiseen ja siirtymään järjestelmätasolta langattomiin tekniikoihin. Kuudes WiFi-sukupolvi ei ole vain aiempia nopeampi, vaan se suoriutuu paremmin myös tilaajien hallinnasta, mikä sopii erinoamisesti ammattimaisiin asennustapauksiin. Toinen hyöty tulee parannetusta taajuuksien sovituksesta 5G-verkon kanssa. Intelin kanssa Rutronik on pystynyt tarjoamaan asiakkailleen alusta alkaen markkinavalmiita WiFi 6 -ratkaisuja. Erityisesti m.2-liitäntäiset PC-kortit olivat erittäin kysyttyjä teollisuuden tietokoneille, paneelikoneille ja NUC-laitteille.

Järjestelmätaso: kyse on sijainnista

Teknologian valinta järjestelmätasolla riippuu suuresti monimutkaisuudesta ja paikallisista olosuhteista, kuten tehdasalueen laajuudesta tai toimintataajuussuunnitelmasta. Pienempiin dynaamisiin toimintoihin WiFi 6 voi olla sopiva ratkaisu, kun taas suuremmille yrityksille, joilla on erittäin staattinen verkko, kaapelointi olisi edelleen paras valinta. Heti kun 5G on käytettävissä ja edullinen, on myös nämä asennukset mietittävä uudelleen.

Operatiivinen taso: Vanhempi sukupolvi on edelleen vaihtoehto

Tehtaiden välisessä tiedonsiirrossa informaatiota pakataan niin voimakkaasti etukäteen, että tavanomainen LTE on täysin riittävä selviytymään tiedonsiirtoon kuluvasta ajasta viiveineen. Tämä pätee jopa suurissa kansainvälisissä yrityksissä. Ne, jotka haluavat varmistaa kaapeloidut tehtaan sisäiset Internet-yhteytensä, voivat jo lähettää tärkeitä keskeisiä toimintatietoja langattomasti LTE-reitittimen kautta.

Kun käyttäjät valitsevat kenttätason, jossa on kyse yksittäisistä anturitiedoista, yleensä lähinnä alemmille LTE-luokille, operatiivisella tasolla on mahdollista valita LTE-luokka 6 tai korkeampi. Virrankulutus ja modeemin hinta ovat merkityksettömiä, koska tietokoneet toimivat aina verkkovirrasta, ja käytössä on vain harvoja LTE-modeemeja tai -reitittimiä. Telit, Telic ja Advantech toimittavat ratkaisuja, kuten PC-kortteja, ulkoisia modeemeja ja reitittimiä. Esimerkiksi yksittäinen kokonaisratkaisu saattaa yhdistää nämä kortit Intel- tai Asus-palvelimeen, joka on määritetty Telitin LTE-modeemilla ja Intelin WiFi 6 -kortilla.

Muista langattoman automaation trendejä

Yksi älypuhelimissa menestynyt tekniikka on tekemässä tuloaan myös teollisuusympäristöihin. 13,56 megahertsin tekniikka mahdollistaa turvallisen datanvaihdon aktiivisen lukimen ja passiivisen lähettimen välillä sekä kahden aktiivisen lukulaitteen välillä. Koska tekniikka on yhteensopiva melkein kaikkien nykyisten tablettien ja älypuhelinten kanssa, on saatavilla edullisia vakiolaitteita, eikä kalliimpia erikoislaitteita, kuten RFID-lukijaa useinkaan tarvitse asentaa. Laitteiston kustannusten lisäksi tämä tarjoaa etuja myös ohjelmisto-ohjelmoinnin kannalta.

Niiden, jotka haluavat käyttää RFID:tä pidemmillä etäisyyksillä tai skannata useita lähettimiä kerralla, on joko käytettävä toista taajuutta tai pohdittava aktiivisten järjestelmien valintaa. Tässä tapauksessa lähettimiin ei syötetä virtaa lukimen sähkömagneettisesta kentästä, vaan niillä on oma virtalähde (yleensä paristo tai aurinkokenno) ja tiedonsiirto 2,4 gigahertsin kaistalla, joka perustuu Bluetoothiin tai vastaavaan asiakaskohtaiseen langattomaan protokollaan.

Jos kiinteä kaapelointi tai energiankeruu eivät ole vaihtoehtoja, ja jopa taloudelliset langattomat yhteydet, kuten Bluetooth Low Energy, kuluttavat paristot liian nopeasti, yhä useammat teolliset sovellukset valitsevat ANT-protokollan. Esimerkiksi ensimmäiset lentoaikaa mittaavat ToF-anturit (Time-of-Flight) tuleva pian tarjolle hyvin vähän virtaa tarvitsevina erittäin tarkkana etäisyyden mittareina.

Lisäksi ANT on saatavana valmiina useimpiin Android-älypuhelimiin, ja moniprotokollisten SoC-ratkaisujen avulla voidaan välittää dataliikennettä Bluetooth-verkoissa ilman lisälaitekustannuksia.

Lisätietoa webinaareista

Rutronikilla on verkkoseminaarien "Innovation in Automation" -sarja, joka tarjoaa informatiivisia videoita Teollisuuden 4.0:sta. Johtavat komponenttivalmistajat esittävät ratkaisuja tulevaisuuden teollisuuslaitoksiin. Käsittelyyn pääsevät myös tekoäly, robotiikka ja verkot. Seminaareihin sisältyy myös Telitin esitys langattomista M2M sim -ratkaisuista, IoT-laitteiden hallinnasta ja lyhyen kantaman langattomista tuotteista, sekä Intelin WiFi 6 -ratkaisuista. Videot löytyvät osoitteesta www.rutronik.com/iia.