Pri rozhodovaní vám pomôže aj rozhodovací strom (obr. 1), ktorý môže zjednodušiť proces výberu a zaistiť, že neprehliadnete kľúčové faktory. Pozrime sa na tento rozhodovací strom podrobnejšie a zamyslime sa nad jeho jednotlivými časťami.

Bezpečnosť

Na začiatku rozhodovacieho stromu je prvým faktorom, ktorému sa treba venovať, bezpečnosť zariadenia. Aby sa skutočne zabránilo prienikom bez ohľadu na to, či je prístroj káblový alebo bezdrôtový, musia sa vývojári pozrieť na systém ako taký, nie na jeho jednotlivé komponenty. V mnohých prípadoch systém obsahuje káblové aj bezdrôtové prístroje, z ktorých každý obsahuje zraniteľné miesta vyžadujúce ochranu. Väčšina bezdrôtových zariadení má už bezpečnostné funkcie zabudované; v prípade bezdrôtového systému by však niekto mohol preniknúť do signálov a zachytiť údaje alebo narušiť sieť tým, že ju preťaží veľkým počtom pochybných správ, ktoré majú spôsobiť, že niektoré komunikačné zariadenia budú súťažiť o šírku pásma. Na druhej strane pripojenie káblového systému k vonkajšiemu svetu, ako je to dnes bežné, otvára sieť pre celý rad potenciálnych vstupných bodov. Prienik do podnikových sietí prostredníctvom útoku, či už na káblový, alebo bezdrôtový systém, môže byť nákladný z hľadiska následných výdavkov, blokovania pracovných síl a prerušenia prevádzky.

Účel

Po otázkach zabezpečenia musíte premýšľať o zámeroch vášho systému – konkrétne či ide o riadenie alebo monitorovanie. Účel systému je často hlavným faktorom pri určovaní, či sa má použiť drôtový alebo bezdrôtový prístroj. Najprv sa pozrime na prípad systému používaného na riadenie procesov. Pri výbere prístroja pre prevádzkový riadiaci systém musíte zohľadniť tri dôležité faktory: spoľahlivosť, oneskorenie (latencia) a šírku pásma.

  • Spoľahlivosť. Toto je najvýznamnejšia charakteristika pre aplikáciu riadenia. Ak signál smerujúci zo zariadenia do riadiaceho systému nie je spoľahlivý, proces nemusí fungovať správne; v najhorších prípadoch by to mohlo mať za následok straty na životoch alebo majetku. Spoľahlivosť sa týka káblových aj bezdrôtových zariadení. V prípade káblového prístroja by mohlo dôjsť k nesprávnemu alebo nulovému odpočtu, ak nie sú vodiče správne ukončené. V prípade bezdrôtového prístroja môže riadiaci systém získať nesprávne informácie, ak komunikačný protokol a prenosový kanál neposkytujú spôsoby na opravu chýb v komunikácii. Káblový prístroj je z tohto hľadiska spoľahlivejší ako bezdrôtový, a to pre jeho vyhotovenie a spôsob komunikácie so systémom.
  • Oneskorenie. Bezdrôtový prístroj bude mať spravidla väčšie oneskorenie ako drôtové zariadenie. Oneskorenie dátovej komunikácie však môže závisieť od mnohých faktorov, napríklad od rýchlosti procesora výpočtového prostredia, dostupnej pamäte, komunikačnej rýchlosti, vzdialenosti, ktorú komunikácia prekonáva, veľkosti dátového paketu a použitého protokolu. To znamená, že v niektorých prípadoch tieto faktory nemusia žiadnym spôsobom ovplyvniť oneskorenie. Príkladom je test protokolu Modbus TCP verzus Secure Modbus, ktorý sa uskutočnil v experimentálnej elektrárni. Secure Modbus vyžaduje ďalšie požiadavky na potvrdenie prístupu a zdá sa teda, že by mal mať väčšie oneskorenie ako Modbus TCP. Avšak ani pri väčšej veľkosti paketov pre Secure Modbus tento test nepreukázal žiadny zreteľný rozdiel v oneskorení. Miera oneskorenia do značnej miery nakoniec závisí od aplikácie. Pre monitorovacie systémy môže byť prijateľné oneskorenie bezdrôtového pripojenia 50 ms. Na druhej strane riadiace systémy musia vždy reagovať rýchlo, keď dôjde k udalosti, preto je aj v tomto prípade káblový prístroj lepšou voľbou.
  • Šírka pásma. V tomto prípade máme na mysli šírku pásma systému na rozdiel od šírky pásma signálu, aj keď obe sú dôležité. Šírka pásma systému je funkciou kanála, cez ktorý údaje prechádzajú. V káblovom systéme sú kanálom samotné vodiče – či už je to medený, alebo optický kábel; pre bezdrôtový systém je kanálom celý priestor. Väčšina podmienok, ktoré majú vplyv na voľný priestor, má zvyčajne zanedbateľný vplyv na káblový kanál. Niektoré faktory môžu ovplyvniť šírku pásma na káblovom kanáli, pričom optické vlákna sú menej citlivé ako meď. Medené vedenie má problémy s teplotou, so spôsobom šírenia prúdu vnútri vodiča a s veľkou vzdialenosťou. To všetko zvyšuje impedanciu pre signál a znižuje celkový pomer signálu a šumu.
    Teplota, vlhkosť, atmosférický tlak a ďalšie prirodzene sa vyskytujúce fyzikálne vlastnosti ovplyvňujú šírku pásma kanála voľného priestoru. Šum z týchto zdrojov vnášaný do kanála úplne ruší, prípadne zoslabuje silu signálu – ovplyvňuje frekvenciu, rýchlosť prenosu údajov a veľkosť signálu. Na potlačenie týchto problémov bezdrôtový systém zvyčajne používa metódy, ako je rozširovanie spektra a chybové kódovanie v komunikačnom protokole.

Naproti tomu tieto fyzikálne vlastnosti nemajú žiadny vplyv na káble z optických vlákien. Ich šírka pásma je teda výrazne vyššia a spoľahlivejšia. Pre riadenie procesu je teda drôtový prístroj (najlepšie s komunikáciou cez optické vlákno) obvykle lepšou voľbou, pretože minimalizuje potenciálne riziko zlyhania procesu.

Ekonomika

Finančné faktory spadajú do dvoch všeobecných kategórií: náklady na zariadenie a náklady na inštaláciu. Pri rozhodovaní medzi káblovým alebo bezdrôtovým pripojením budú mať väčšiu váhu náklady na inštaláciu. Mali by ste však tiež vyhodnotiť náklady na zariadenie vrátane nákladov na napájanie.

  • Náklady na zariadenie. Mnoho ľudí robí chybu, keď zohľadňuje iba náklady na samotný prístroj. Bezdrôtový prístroj je vzhľadom na ďalšie obvody spojené s bezdrôtovým rozhraním všeobecne nákladnejší ako drôtový prístroj. Aj keď náklady na samotný prístroj zohrávajú svoju úlohu, nesmiete prehliadnuť náklady na napájanie.
  • Náklady na napájanie. Najprv by ste mali skontrolovať, či je k dispozícii napájanie na mieste inštalácie prístroja. Ak nie je k dispozícii napájanie, bezdrôtový prístroj má výhodu, pretože zvyčajne pracuje skutočným bezdrôtovým spôsobom, pričom na napájanie používa batériu, čo eliminuje potrebu vedenia káblov k zariadeniu. Ak sa však napájacie vodiče už na danom mieste nachádzajú, môžete si zvoliť drôtový alebo bezdrôtový prístroj. Ďalej by ste mali zvážiť, ako často treba údaje aktualizovať. V prípade bezdrôtového systému je rozpočet na napájanie veľmi dôležitý, pretože životnosť batérie závisí od rýchlosti aktualizácie, kapacity batérie a požiadaviek na úroveň napájania systému. Aby ste predĺžili životnosť batérie, môžete veľa bezdrôtových nástrojov vybaviť nabíjateľnou batériou a pripojeným nabíjacím systémom so solárnymi panelmi. Takáto kombinácia môže v optimálnych podmienkach fungovať skvele, ale nemusí vyhovovať všetkým miestam. Aj pri solárnom paneli a nabíjačke musíte stále dbať na rýchlosť aktualizácie, pretože vysoká rýchlosť môže drasticky znížiť životnosť batérie. Ak nemôžete použiť nabíjateľnú batériu, musíte ju po vybití vymeniť. Ak má váš systém vysokú rýchlosť aktualizácie, náklady na náhradné batérie môžu byť značné – ešte vyššie, než keď má systém veľa batériových zariadení. Za týchto podmienok má drôtový prístroj výhodu.
  • Inštalačné náklady. Spravidla ide o najdôležitejšie ekonomické faktory. Veľa závisí od toho, či vymieňate existujúci káblový systém alebo pracujete s novou inštaláciou. Drôtový prístroj môže byť veľmi drahý, pretože náklady na inštaláciu a potrebný čas sa rýchlo zvyšujú s potrebnou dĺžkou podzemných potrubí na ukladanie káblov aj samotných káblov. Pozrime sa najskôr na existujúcu inštaláciu. Najprv musíte zistiť, či môžete vymeniť systém. Káblový systém na miesto s nebezpečným okolitým prostredím, kde sú už nainštalované potrubné kanály, predstavuje významné problémy pri výmene. Tesnenia potrubia použité na nebezpečných miestach je prakticky nemožné odstrániť, takže výmena existujúceho vedenia je nepraktická. Namiesto toho by ste potrebovali urobiť výkop na nové vodiace potrubie a spojiť ho s väčším potrubím mimo oblasti s potenciálnym nebezpečenstvom. Rovnako výmena káblového systému pre kriticky dôležité aplikácie alebo spojitý proces môže spôsobiť veľké ťažkosti. Náklady spojené napr. s prerušením výroby môžu vyžadovať udržanie prevádzkyschopnosti procesu a systému. Aj keď by bolo možné pridať nové vodiče do existujúcich vodiacich potrubí, ťahanie nových káblov môže spôsobiť potenciálne poruchy existujúceho systému. Tieto poruchy sa môžu vyskytnúť okamžite alebo náhodne po dlhší čas, čo môže sťažiť diagnostiku a riešenie problémov. Ak váš existujúci systém nemožno vymeniť, musíte venovať najväčšiu pozornosť zníženiu rizika pre fungujúce procesy.

Za týchto okolností je lepšou voľbou bezdrôtový prístroj, pretože jeho inštalácia bude mať malý alebo žiadny vplyv na systém, ktorý je v súčasnosti v prevádzke. V ďalšej časti teda porovnáme skutočné náklady na inštaláciu, ktoré v prvom rade závisia od umiestnenia a vzdialenosti.

Umiestnenie

Pôjde o inštaláciu vo vzduchu alebo na zemi? Odpoveď na túto otázku nám dá odpoveď aj na to, či bude potrebné prenajať aj nejaké ďalšie zariadenia či mechanizmy. Ak musí vodiace potrubie na uloženie káblov stúpať do veľkej výšky (napr. na vrch skladovacej nádrže), môže inštalácia vyžadovať použitie žeriavu alebo vysokozdvižnej plošiny. Podobne aj pri pozemnej inštalácii sa často vyžaduje odstránenie materiálu zo zeme, aby bolo možné potrubie uložiť. Kopanie nového potrubia môže byť zdĺhavé, časovo náročné a nákladné, takže niektoré spoločnosti by mohli siahnuť po technológiách výkopu s využitím vysokotlakovej vody. Ak si teda musíte prenajať zariadenie na inštaláciu rozvodu, bezdrôtový prístroj má svoje ekonomické výhody. Ďalej musíte zvážiť, či bude inštalácia potrubia zložitá alebo bude vyžadovať dlhšie obdobie. Napríklad nasadenie potrubia v obmedzenom priestore môže byť zdĺhavé a jedinému technikovi môže trvať dlho. V takejto situácii môže byť inštalácia bezdrôtového prístroja tou správnou voľbou kvôli ľahkej inštalácii.

Vzdialenosť

Posledným faktorom, ktorý musíte brať do úvahy, je vzdialenosť prístroja od riadiaceho systému. Aby sme objasnili ekonomický vplyv vzdialenosti, pozrime sa na niektoré príklady z reálnej praxe. Samostatné štúdie káblového vs bezdrôtového systému sa uskutočnili na potravinárskom mlyne a pri výrobe etanolu (A. Dittbenner: Porovnanie káblového a bezdrôtového systému, https://bit.ly/2Z4IErA). V oboch štúdiách boli vzdialenosti pomerne dlhé, čo nielen zvyšuje náklady na káble a kanály, ale aj výrazne zvyšuje inštalačné práce. Ak je vzdialenosť menšia ako 8 m, bezdrôtový prístroj pravdepodobne nebude mať z ekonomického hľadiska zmysel. Na druhej strane pre vzdialenosť presahujúcu 8 m bude asi vhodnejšie bezdrôtové zariadenie, pretože bude pravdepodobne stáť podstatne menej ako drôtové zariadenie.

Ďalšie náklady spojené s bezdrôtovým systémom

Aj keď to nie je na obr. 1 exaktne uvedené, mali by ste v prípade voľby bezdrôtového systému pamätať na niektoré ďalšie náklady. Teoreticky by zložitosť inštalácie bezdrôtového systému bolo možné zúžiť „len“ na nasmerovanie antény meracieho prístroja na anténu riadiaceho systému, avšak nie všetky bezdrôtové inštalácie sú takéto bezproblémové a nie všetky sa zaobídu bez ďalších úvah o nákladoch. Situácia s komunikáciou na veľmi dlhé vzdialenosti (viac ako 800 m) môže vyžadovať posúdenie trasy, aby sa zabezpečilo, že antény a signál z nich nebudú rušené okolím. Posúdenie trasy sa zameriava na veľa faktorov, ktoré overia, či má komunikačný kanál dostatočnú silu signálu na spoľahlivú komunikáciu. Tieto štúdie skúmajú lístie, rádiovú topológiu, terén, frekvenciu a zosilnenie antény, aby pomohli určiť správne umiestnenie a výšku antény. Dodatočné náklady na bezdrôtový systém môžu zahŕňať ochranné zariadenia, ako sú napríklad špecifické systémy na ochranu pred prepätím pre rádiofrekvenčné systémy, ktorých navrhovanie a budovanie môže byť finančne veľmi náročné.

Vyberte si správne

V závislosti od vašej aplikácie nemusí rozhodovací strom na obr. 1 poskytnúť definitívnu odpoveď na to, ktorú technológiu by ste mali použiť. No aspoň ste si už vedomí mnohých a niekedy prehliadaných faktorov, ktoré vstupujú do hry, a toho, či má v danej situácii výhodu drôtový alebo bezdrôtový prístroj. Každá situácia je v konečnom dôsledku jedinečná a optimálna možnosť bude vždy závisieť od toho, ktoré faktory sú pre vás najvyššou prioritou.

Michael J. Bequette, P.E.
viceprezident pre inžiniering, SOR Inc.
mbequette@sorinc.com

Matthew K. Giunta
produktový manažér, SOR Inc.
mgiunta@sorinc.com
www.sorinc.com

Zastúpenie firmy SOR Inc. pre Českú a Slovenskú republiku:
ART-Ex s.r.o.
www.art-ex.sk