השוואת פרוטוקולי אלחוט עבור אוטומציה תעשייתית

המהפכה התעשייתית הרביעית (Industry 4.0‏) הקנתה למכונות יותר מידע ומתקנים אוטומטיים עם יעילות וגמישות רבות יותר. מערכות יותר ויותר מורכבות אלו הניעו אימוץ של תקשורת אלחוטית במסגרות תעשייתיות. אחרי הכל, מכונות חכמות שך Industry 4.0‏ ואוטומציה מודולרית מוגדרים על ידי:

• חיבוריות בקרה מאובטחת ומסתגלת
• איסוף וכיוונון מתמיד של ערכי תהליך הייצור
• ניטור מצב המכונות עבור נוהלי תחזוקה פרדיקטיבית
• רשתות עבור יכולות ניתוח של מסות נתונים (ביג-דאטה)

טכנולוגיות אלחוט התומכות בפונקציות אלו מבוססות על תקני ופרוטוקולי סלולר, Wi-Fi‏, Bluetooth‏ ו- IEEE 802.15.4‏. זה בין היתר מכיוון שמהנדסי התכנון מצפים לתאימות של רכיבים מיצרנים שונים - אשר בהגדרה מחייבת חיבוריות דרך ממשקים סטנדרטיים בתעשייה ולא דרך ממשקים קנייניים. למעשה, תפעוליות-בינית (Interoperability) היא רק היבט אחד של Industry 4.0‏.

איור 1‏: חיבוריות אלחוטית היא המפתח לתיאום טיפול בחומרים ומשימות רובוטיקה שיתופית. (מקור התמונה: Getty Images‏)

התקנים אינדיבידואליים המשלבים תקשורת אלחוטית הם בדרך כלל יקרים יותר מאשר רשתות חוטיות. עם זאת, עלות מוקדמת גדולה יותר זו ניתנת לקיזוז בכמה דרכים ... והתקנים אלחוטיים מתגלים לעיתים קרובות כאופציה החסכונית ביותר לאורך הזמן. הסיבה לכך היא שעלות פרישת כבלים דרך אזור ייצור יכולה להיות משמעותית. נדרש מאמץ רב לתכנן את ניתוב הכבלים ומחבריהם. בנוסף, כבלים דורשים הגנה ותמיכה פיזית ממגשי או נשאי כבלים ... ואלו מחייבים תיבות צומת ואביזרים אחרים. תכנון, הזמנה והתקנה של כל חומרה זו הקשורה לכבלים מאריכה את הזמן שנדרש למימוש הרשת.

תקנים מבוססי Wi-Fi עבור אוטומציה

המכון למהנדסי חשמל ואלקטרוניקה (IEEE) השיק את תקן 802.11 בשנת 1997 והגדיר את המימוש האלחוטי הסטנדרטי של רשתות אזור מקומי (LAN‏). על מנת להבטיח שהשוק ממנף במלואו תקן זה, קונסורציום התעשייה Wi-Fi Alliance‏ המשיך מיד בעקבותיו - בהובלת חברות התקני אלחוט שהיו מעוניינות למסד תוכניות בדיקה והרשאה לשמירה על תפעוליות-בינית (Interoperability) של מוצרים בין יצרנים שונים. כיום תקן ה- Wi-Fi כהגדרתו על ידי IEEE 802.11 משלים תקן נוסף של Wi-Fi Alliance לטובת תאימות אמינה ביותר של התקנים התואמים לדרישות.

איור 2‏: Industry 4.0‏ (נקראת גם אינטרנט תעשייתי של דברים או IIoT) קשורה באופן בלתי ניתן להפרדה לאימוץ של טכנולוגיות אלחוט. הודות לשימוש בממשקים סטנדרטיים המאפשרים חיבוריות בין מגוון של התקנים ומערכות מיחשוב, טכנולוגיות אלחוט אלו כוללות התקנים ניידים המשמשים כ- HMI (כפי שמוצג כאן) וכן אינספור רכיבי שטח לאלחוט אחרים המתקשרים את מצב המכונה. (מקור התמונה: Getty Images‏)

בעוד ש- Wi-Fi הוא שימושי למדי לניטור יישומים וחיבור מכונות למערכות ברמת הארגון (Enterprise), המהירות, השיהוי (Latency) והיציבות החיבורים של Wi-Fi הגבילו את השימוש בו ליישומי אוטומציה תעשייתיים תובעניים הקשורים לבקרת מכונות. המשמעות היא ש- Wi-Fi ביישומים תעשייתיים מוגבל כיום בעיקר לשימושים שיש להם דרישות סלחניות למדי. אלו כוללים:

• סורקי ברקוד המעבירים נתונים למערכות ביצוע ייצור (MES) שהן סלחניות על עיכוב של שנייה או שתיים
• חיישני תנועה שאינם מעורבים בפונקציות בקרה בזמן-אמת
• ניטור מצב מכונה לטווח ארוך עם חיישנים כגון מדי תאוצה (כדי לעקוב אחר יצירת הרעידות לאורך זמן) וכן חיישני טמפרטורה, לחץ, לחות וריכוז גזים עבור ניטור יעילות ובריאות הציוד

איור 3: למרות שאינו מתאים לבקרות מכונות, Wi-Fi הוא שימושי עבור יישומי ניטור מכונות וחיבור רצפות מפעל למערכות ברמת הארגון (Enterprise‏). (מקור התמונה: Wi-Fi Alliance‏)

היו מספר ניסיונות להתאים Wi-Fi ליישומי בקרה תעשייתית, אך אלה זכו להצלחה מוגבלת. פרוטוקול חריג אחד שזכה להצלחה באימוץ IIoT הוא הרשת האלחוטית לאוטומציה תעשייתית ואוטומציית תהליכים (WIA-PA‏) - תקן תקשורת אלחוטית תעשייתית של סין.

ה- Wi-Fi פועל כמובן ב- GHz‏ 2.4‏ או GHz‏ 5‏, עם תדרים גבוהים יותר המאפשרים העברת נתונים מהירה יותר אך טווח קצר יותר עקב האופן שבו תדרים גבוהים יותר מתפזרים יותר בקלות כאשר הם עוברים דרך קירות ואובייקטים מוצקים אחרים. תקנים מיוחדים משתמשים בפסי-תדרים אחרים. לדוגמה, ה- Wi-Fi‏ IEEE 802.11ah‏ עם קצב נתונים נמוך (Wi-Fi‏ HaLow‏) פועל סביב MHz‏ 900 - והוא משמש בדרך כלל בחיישנים הזקוקים לטווחים ארוכים יותר עם צריכת הספק נמוכה ביותר. בקצה השני, ה- Wi-Fi‏ IEEE 802.11ad‏ (WiGig‏) פועל סביב GHz‏ 60‏ כדי לספק העברת נתונים מהירה ביותר.

תקני אלחוט מבוססי IEEE 802.15.4‏

אפשרויות אלחוט אחרות הן רשתות אזור אישי אלחוטיות בקצב נמוך או LR-WPAN‏ כפי שהן מוגדרות בתקן IEEE 802.15.4. טכנולוגיות LR-WPAN נותנות עדיפות לעלות נמוכה ולהספק נמוך על פני מהירות וטווח. עם המפרט הבסיסי המאפשר קצב העברת נתונים של kbit/sec‏ 250 וטווחים של עד 10 מטר, טכנולוגיות המשתמשות בתקשורת LR-WPAN מיועדות לאפשר תקשורת בין התקנים בעלות-נמוכה ללא כל תשתית תקשורת נוספת. פרוטוקולים המבוססים על תקן IEEE 802.15.4 כגון 6LoWPAN, WirelessHART ו- ZigBee הופכים במהירות לפרוטוקולי IIoT מועדפים.

1. WirelessHART‏: פרוטוקול אחד מבוסס 802.15.4 הנתמך על ידי HART Communications Foundation‏, ABB‏, Siemens‏ ואחרים נקרא WirelessHART‏. זהו תקן נתמך וחסון עבור יישומי אוטומציה תעשייתית. אמינות הרשת נשמרת באמצעות רשת Mesh עם דילוג-תדרים וסינכרון זמנים. לעומת זאת, מרבית פרוטוקולי התקשורת האלחוטית המבוססים על Wi-Fi וטכנולוגיות סלולריות משתמשים בטופולוגיית רשת כוכב חסונה פחות המחייבת את כל ההתקנים להתחבר להתקן מרכזי. כל התקשורות מוצפנות באמצעות AES‏ 128‎-bit, וניתן לבקר בצורה הדוקה את גישת המשתמשים.

איור 4: מנהל הרשת LTP5903-WHR SmartMesh תומך בשערי WirelessHART מוזני-קו כדי לאפשר למהנדסים לשלב רשת חיישנים אלחוטית מבוססת-תקנים עבור תקשורת דו-כיוונית מידרגית. (מקור התמונה: Analog Devices)

מכיוון ש- WirelessHART משתמש בטופולוגיית Mesh, ניתן לנתב נתונים ישירות בין ההתקנים. זה יכול להגדיל את טווח הרשת וליצור נתיבי תקשורת יתירים. בדרך זו אם נתיב אחד בתקלה, השולח עובר אוטומטית לנתיב יתיר. דילוג התדרים מאפשר גם ל- WirelessHART‏ למנוע בעיות הפרעות.

2. 6LowPAN‏: IPv6‏ מעל רשתות אזור אישי אלחוטיות בהספק נמוך (הנקרא בדרך כלל 6LoWPAN) הוא פרוטוקול המאפשר העברת מנות (Packets‏) IPv6‏ על רשת מבוססת IEEE 802.15.4‏. המשמעות היא שהתקני הספק נמוך ביותר יכולים להתחבר לאינטרנט ולהפוך למתאימים עבור חיישני IoT והתקני הספק נמוך אחרים.

3. Zigbee: מתוחזק על ידי Zigbee Alliance‏ והנפוץ ביותר בשימוש ביישומי בית חכם ואוטומציה בבניינים, ZigBee הוא אולי פרוטוקול IEEE 802.15.4 המבוסס ביותר. הוא מאפשר לצמתים להישאר באופן שינה רוב הזמן כדי להאריך בהרבה את חיי הסוללה. ZigBee פועל בדרך כלל בפס התדרים GHz‏ 2.4‏ ויש לו קצב העברת נתונים קבוע של kbit/sec‏ 250‏. הוא יכול לתמוך בטופולוגיות רשת שונות כולל כוכב, עץ ו- Mesh‏. טופולוגיות עץ ו- Mesh‏ מגדילות את טווח הרשת.

איור 5‏: Zigbee‏ הוא שימושי עבור (בין היתר) יישומי חיישני תנועה, רעידות, לחות, טמפרטורה ונוכחות בסביבות תעשייתיות. (מקור התמונה: Zigbee Alliance‏)

Bluetooth LE‏ ו- IoT סלולרי באוטומציה תעשייתית

ה- (Bluetooth Low Energy (BLE‏ היא חלופה ל- IEEE 802.15.4‏ כאשר עלות נמוכה והספק נמוך הם עדיפות עליונה, ואת המהירות, כמו גם את הטווח, ניתן להקריב. הוא פועל באותו תדר של GHz‏ 2.4‏ כמו Bluetooth‏ תקני. היתרון העיקרי של Bluetooth LE הוא האופן שבו הוא נתמך ישירות בתוך מערכות הפעלה ניידות כמו Android של Open Handset Alliance‏, iOS מבית Apple‏ ופרמוטציות שונות של Windows מבית Microsoft‏. ובנוסף, לאור העובדה שספקיות אלקטרוניקה גדולות כמו .Logitech Corp השקיעו בו הכי הרבה מחקר ופיתוח, אין פלא ש- Bluetooth LE עדיין מהווה בעיקר אפשרות לחיבור אלחוטי עבור התקנים לצרכנים. זאת בניגוד ל- WirelessHART, שהתמקדה ונותרה בעיקר ביישומי IIoT.

איור 6: תקן Bluetooth Low Energy‏ (BLE‏) כולל פרופיל יציאה טורית שמערכות מזהות כממשק טורי מלא - שימושי עבור החלפת התקנים חוטיים בשדרוגים המחוברים באמצעות BLE. (מקור התמונה: Bluetooth Special Interest Group‏)

למרות כל הנאמר, בשנים האחרונות רק במספר קטן של חיישנים, פקדים מרוחקים והתקנים נישאים-ביד נעשה שימוש ב- Bluetooth LE‏ עבור משימות אוטומציה תעשייתית. אך מגמה זו צפויה להתרחב בשנים הבאות.

בניגוד לפרוטוקולים מבוססי BLE ו- IEEE 802.15.4 עבור תקשורת לטווח קצר בהספק נמוך, טכנולוגיות סלולריות הן של תקשורת אלחוטית לטווחים ארוכים. פרוטוקול הסלולר 2G GSM הוחלף ברובו בפרוטוקולים סלולריים במהירות גבוהה 3G ו- 4G שהם כה נפוצים בטלפונים סלולריים ובהתקני IoT. המילכוד הוא שתקשורת סלולרית צורכת הספק משמעותי, ולכן ביישומים תעשייתיים (במיוחד עבור חיבוריות כזו במכונות) המערכת מחוברת לספק-כוח באופן קבוע. קטגוריות LTE סלולריות משתמשות בקצב העברת נתונים מקסימלי - אם כי במחיר של צריכת הספק גבוהה יותר. חיבוריות LTE‏ Cat-0‏ ו- Cat-1‏ מתאימה עבור התקני IoT‏. לעומת זאת, LTE-M הוא פרוטוקול סלולרי עם צריכת הספק נמוכה שתוכנן במיוחד עבור יישומי מכונה-למכונה ו- IoT.

בניגוד לשימוש הנרחב יחסית בטלפונים סלולריים, יישומי 5G תעשייתיים הם פחות בשלים. הסיבה לכך היא שצרכנים מעדיפים מהירויות הורדה (ולכן מיהרו לאמץ התקני 5G ראשוניים) בעוד שמהנדסי מערכות IIoT נותנים עדיפות לשיהוי (Latency) קצר ולכיסוי בכל מקום. למעשה, שיהוי קצר הוא בעל חשיבות עליונה באוטומציה תעשייתית. נכון הוא שרשתות 5G הראשונות שומרות על זמן שיהוי של מתחת ל- msec‏ 30, אך יש מאמצים לקצר עוד יותר את השיהוי ל- msec‏ 1 בלבד. זה קצר מספיק עבור יישומי בקרה תעשייתית בזמן-אמת (ולא רק ניטור) תובעניים - כגון העברת אותות משוב במכונות עיבוד, למשל.

דרך אחת שבה 5G מקצר את השיהוי היא בעזרת פילוח רשת. טכניקת רשת זו מחלקת את רוחב-הפס של הרשת לנתיבים וירטואליים שונים המנוהלים באופן אינדיבידואלי. חלק מהנתיבים שמורים להעברות עם שיהוי קצר - כאשר למרבית התעבורה אסור להשתמש בנתיבים אלה. ואז רק יישומי בקרה תעשייתית הזקוקים להעברה המהירה ביותר רשאים להשתמש בנתיבים המהירים השמורים הללו.

עליית פרוטוקול האלחוט LoRA

מודולציית רשת אזור-רחב לטווחים-ארוכים (LoRa‏) הוא פרוטוקול אלחוט בעלות נמוכה שהוא הבחירה המועדפת עבור יישומים מרוחקים ובים הפתוח בתעשיות האנרגיה המתחדשת, כרייה ולוגיסטיקה. זוהי טכנולוגיית אלחוט עם צריכת הספק נמוכה שיכולה לתקשר לטווחים ארוכים ביותר - אפילו מעבר ל- 10 ק"מ - עם סוללה אחת למשך של עד 10 שנים. בקיצור, LoRA היא טכנולוגיה לא-סלולרית הפועלת בפסי תדרים ללא-רישיון. היא משתמשת בפסי תדרים של תת-גיגה-הרץ כגון MHz‏ 433 ו- MHz‏ 915‏ ובמודולציית Spread Spectrum‏ המבוססת על מודולציית Chirp Spread Spectrum‏ (CSS‏), ההופכים אותה למתאימה ביותר עבור התקני IoT‏ הנמצאים במקומות מרוחקים והזקוקים לקצבי העברת נתונים צנועים. LoRA כוללת גם בקרות הצפנה ואימות של 128‎-bit‏. מאפיין שימושי נוסף (במיוחד עבור חיישנים ביישומי IIoT) היא מיקום גיאוגרפי תוך שימוש בטרי-אלטראציה בין התקנים.

LoRA משתמשת בטכנולוגיות קנייניות שפותחו על ידי חברת .Semtech Corp‏ אך יש לה מערך עצום של אלמנטים בקוד-פתוח. היא נתמכת (עם תפעוליות-בינית (Interoperability) בין התקנים מובטחת) על ידי LoRa Alliance‏ - איגוד גדול הכולל את IBM, Cisco, TATA, Bosch, Swisscom ו- Semtech.

סיכום

קיים שפע של פרוטוקולי אלחוט עבור אוטומציה תעשייתית. כל אחד מהם מתאים עבור יישומים מסוימים. שימושים הדורשים צריכת הספק נמוכה ופועלים עם שידורים לטווחים קצרים נהנים לרוב משילוב של חיבוריות ZigBee ו- Bluetooth LE. יישומים תעשייתיים תובעניים יותר הזקוקים לתקשורת חסונה עשויים לחייב התקנים עם חיבורים אלחוטיים WirelessHART. שימושים הדורשים שידורים לטווחים ארוכים עם קצבי העברת נתונים גבוהים מחייבים סלולר. כאן, 5G עומד להפוך על פיה את התקשורת האלחוטית. תקשורת נתונים לטווחים ארוכים ביותר (ועם צריכת הספק מינימלית) היא לרוב הטובה ביותר באמצעות LoRa.