RF-modemek az automatizálásban

03SB ControlsAz automatikai rendszereknél elvárás a hatékony telepítés és üzemeltetés, azonban kihívást jelenthet az elszórt mérési-, szabályozási pontok rendszerbe integrálása. Az évek során a kábeles kommunikáció kiváltására számos megoldás született, például a mikrohullámú, illetve a rádiófrekvenciás rendszerek. A RF-modemek új távlatokat nyitnak az automatizálás és a vezetékmentes mérő-adatgyűjtő rendszerek számos területén.

Vezetékmentes kommunikációs hálózatok az automatizálásban

 Hiába ígérkezett vonzó megoldásnak a „vezetéknélküliség” az automatizálási rendszerekben, feltételezett bizonytalansága miatt sokáig mellőzték még akkor is, ha a jelentősen kevesebb kábeligény és a nehezen megközelíthető helyek költséges hozzáférhetősége miatt egyértelműen előnyös lett volna. Sok esetben viszont – műszaki és/vagy gazdaságossági okokból – egyenesen kivitelezhetetlen a kábeles megoldás. Gondoljunk csak például egy távfűtési rendszer hőközpontjaira, ahol a távolságok teszik lehetetlenné a kábelezést, vagy éppen a műemléki épületekre, ahol a telepítéshez szükséges rongálások (vésés, falátfúrás) megengedhetetlenek. Mindkét esetben létfontosságú egy megbízható, vezetékmentes kommunikáció kiépítése. 

Az évek során több irányba indultak el a hálózatfejlesztések az automatizálási, távfelügyeleti rendszereknél. Elsőként a GSM szolgáltatók által nyújtott hálózati megoldásokat vegyük sorba, amelyek közül legismertebbek a GPRS (General Packet Radio Service), az EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution) és napjaink kedvencei a 3G, és a 4G. Új fejlesztéseknél az előbbiek már túlhaladottnak tekinthetők, ezért csak az utóbbival kapcsolatban jegyezzük meg: a 4G egyik átviteli szabványa az LTE (Long Term Evolution), amely a 3G, és ezáltal a HSDPA (High Speed Download/Upload Packet Access) hálózatok cseréjére született meg. Az LTE egy olyan új, IP-alapú rádiós technológia, amely kis késleltetésű, nagyon gyors adatátvitelt biztosít a nagy felbontású videotartalmak és egyéb, nagy sávszélességet igénylő szolgáltatások számára. Ez a technológiai fejlesztés jelentősen befolyásolta az automatikai rendszerek kommunikációs lehetősé-
geit is – gondoljunk csak a felhő alapú SCADA rendszerekre. 
A valaha 2G szolgáltatásra alapozott adatközlések eltolódnak az LTE irányába, hiszen jelentősen nagyobb – akár 326 Mbit/s sebességű adatátvitelre is lehetőséget kínál. A kommunikációs hálózat „gyenge pontjának” a lefedettség és a térerő tekinthető, gazdaságossági szempontok miatt pedig az adatforgalom nagyságától függő költségek.
Másodikként vegyük sorra a vezetékmentes megoldások közül a jelentős katonai múlttal rendelkező mikrohullámú kommunikációt. A ’60-as évekre hazánkban is számos berendezés működött 2, 4, 6 GHz-es frekvencián, ahol a rádiócsatorna sávszélessége 10…30 MHz volt. Napjainkra az 1…300 GHz-ig terjedő frekvenciatartományban kommunikáló mikrohullámú hálózatok kiépítése modern, nagy sebességű digitális jelek (rádiócsatornánként 155 Mbip/s) átvitelére alkalmas berendezések telepítésével történik. Nagy előnye, hogy a szélessávú internetre alapozva gyorsan és egyszerűen lehetséges IP-alapú hálózatot kiépíteni akár több telephely integrálásával. A zavartalan működéshez a kommunikációs végpontok között akadálymentes rálátást kell biztosítani.
Mind az LTE-t, mind a mikrohullámú megoldást csak nagy mennyiségű adatforgalom lebonyolítására ésszerű használni, különben „ágyúval vadászunk verébre”. Jó példa erre egy iskola épületfelügyeleti rendszere, amelybe a tornaterem villamos fogyasztását és a belső hőmérsékletét is be kívánta vonni a végfelhasználó. A nehézséget a két épület közötti salakpálya és a betonos kézilabda pálya jelentette. Sem a földfelszín alatti, sem a felszín feletti vezetékes kapcsolat nem volt megoldható, egy újabb PLC telepítése pedig aránytalanul megdrágította volna az adatgyűjtést. Ilyen, és ehhez hasonló kisebb adatforgalom esetén érdemes megfontolni a transzparens, soros vonali rádiófrekvenciás-modemek alkalmazását.

Rádiófrekvenciás modemek

Maga a modem szó a modulátor és a demodulátor szavak összevonásából ered, és olyan berendezést jelöl, amelynek feladata a digitális jel analóg módon történő átvitele. Ez általában pont–pont vagy pont–multipont kapcsolattal valósul meg. 
A modemeket az átviteli közegük alapján is csoportosíthatjuk: így ismerünk telefonos, rádiós, mikrohullámú modemeket.
A rádiós modemek (1. ábra) az adatokat a mikrohullámú modemekhez hasonlóan mikrohullámú rádiós vonalakon továbbítják, csak lényegesen kisebb sebességgel. Míg egy mikrohullámú modem átviteli sebessége elérheti a másodpercenkénti egy megabit sebességet (976 kbit/s), addig a rádiósok jellemző sebessége megközelíti a 0,5 Mbit/s (512 kbit/s) értéket.

 

01SB Controls

1. ábra ATIM modemek


A felügyeleti rendszerek általában az ultra magas frekvenciatartomány (300…3000 MHz) alsó harmadát használják rádiófrekvenciás kommunikációra. Ezek közül a legismertebb a 433 és a 868 MHz-es vivőfrekvencia.

Az ATIM cég RF modemcsaládja

A francia ATIM Radiocommunications 1992 óta foglalkozik rádiófrekvencia kutatással és rádiós adatátvitellel, így úttörő szerepet tölt be az összefüggő hálózatok fejlesztésében is, mint például a Sigfox vagy a LoRa®.
Az ACW® (ATIM Cloud Wireless®) termékcsalád rádiómodemjei (2. ábra) utat nyitnak a különféle IoT (Internet of Things, „dolgok internete”) hálózatokba (Sigfox, LoRa®), valamint a helyi M2M (Machine–Machine) rendszerekbe (Modbus, 868 MHz). A felhasználói igényekhez és főleg az alkalmazásokhoz igazodó kialakítás nagyon egyszerű üzembe helyezést eredményez.

 

02SB Controls

2. ábra ACW Pt 100 hőmérsékletérzékelővel (3 kommunikációs alverzióban kapható)


Alkalmazásuk ideális megoldás lehet elkészült elektromos szerelések kiegészítőjeként felújításkor vagy éppen bővítéskor, csakúgy, mint új telepítések esetén. A rádiókapcsolat működési távolsága függ a telepítés helyszínétől, az RF modem típusától és elhelyezésétől, de szabadtéren akár 10 km-es körzetben, épületen belül pedig 3…5 szint (3. ábra) között tudja biztosítani az információátvitelt.

 

03SB Controls

3. ábra Épületen belüli mérőpontok rádiós kapcsolata


A közel 20 modemtípusból néhányat „ízelítőként” említünk:

  • Beépített külső hőmérsékletmérővel és páratartalom érzékelővel (ACW-868-TH-O): IP66-os PVC burkolatában a szenzorok mellett 2 db AA elem található – még könnyebbé téve a telepítést. Az adatátviteltől függően az elemek várható élettartama 2…5 év. Az elemek óránként egyszeri adatlekérdezéssel közel két évig, az Eco-energy üzemmód felhasználásával pedig akár 5 évig is működhetnek elemcsere nélkül.

  • Beépített digitális/impulzus bemenettel (ACW-868-MR2; ACW-868-MR2-EX): 2 db digitális vagy impulzusbemenetének köszönhetően egyaránt alkalmas berendezések működésének (start–stop) vagy meghibásodásának jelzésére, csakúgy, mint impulzuskimenetű (víz-, gáz-, villamosenergia-fogyasztás) mérés továbbítására. Ahogy a 4. ábrán is látható, robbanásveszélyes környezetben (ATEX Zone 2) alkalmazható verziója is van.

  • A transzparens RS (232) 485/ RF átalakító (ACW-868-RS) (5. ábra): cikkünk szempontjából legfontosabb modem típus, amely beépített negyedhullámú antennával és IP65-ös tokozattal rendelkező soros vonali „vezetékhosszabbító”. Soros vonali portjának köszönhetően könnyedén hálózatba köthető vele bármilyen berendezés vagy mérőműszer. Az ACW-RS modemet gyakran használják adatgyűjtő rendszerekhez, ahol a PLC melletti kommunikációban az internet, a 3G (4G) vagy a mikrohullámú átvitel nem megvalósítható.

04SB Controls

4. ábra Robbanásbiztos kivitelű, beépített digitális bemenetekkel rendelkező RF modem

 

05SB Controls

5. ábra Az ATIM vezetékhosszabbító megoldása

ATIM „vezetékhosszabbító” alkalmazási példa

A 6. ábrán egy webes megjelenítésű világításvezérlési rendszer sémarajza látható. A konfiguráció alapját a Saia E-Line termékcsaládjának tagjai adják Modbus kommunikációs rádiómodemek segítségével. A PCD1.M2220-C15-ös vezérlőegység beépített ftp- és webszerverének köszönhetően képes a távfelügyeleti feladatot ellátni, valamint a webes megjelenítéshez szükséges webképeket publikálni.

 

06SB Controls

6. ábra Világításvezérlés rendszerrajza


A tornyokhoz telepített távoli be/kimenetek (E-Line RIO modul; PCD1.B5000-A20) RF modemeken keresztül tartják a kapcsolatot a központi PLC-vel, amelyhez egy kompakt meteorológiai állomás (WSC11) is csatlakozik. 
A kialakítás lényege, hogy a telephelyen elszórtan lévő tornyok világításvezérlése minél költséghatékonyabban valósuljon meg a megbízható működés garanciája mellett. 
A telepítési költségek vizsgálatához érdemes tudni, hogy egy PLC árán négy RIO modul szerezhető be. A kábeles adatátvitel esetén, a távolság és a kábelfektetés körülményei, jelentős költségnövekedést eredményezhetnek. Mielőtt a GSM szolgáltatások felé indulnánk, mint vezetékmentes megoldás, érdemes tudni, hogy a terület egy parkoló-e, amelyen üzemidőben több ezren fordulnak meg – személyenként legalább egy mobiltelefonnal –, amely gyakorlatilag lehetetlenné tenné a biztos működtetést.