Wtorek, 14 stycznia 2020

KOMPONENTY AUTOMATYKI PRZEMYSŁOWEJ – zapewniają jakość i funkcjonalność w każdych warunkach

Komunikacja bezprzewodowa w ostatnich latach bardzo szybko zyskuje popularność, a odpowiadający jej fragment rynku elektroniki zachowuje się niczym tocząca się z góry kula śnieżna. Obroty rosną, pojawia się wiele nowości i technologii, które otwierają rynek na nowe obszary zastosowań.

KOMPONENTY AUTOMATYKI PRZEMYSŁOWEJ – zapewniają jakość i funkcjonalność w każdych warunkach

Komunikacja bezprzewodowa

Poziom penetracji rynku przez urządzenia wykorzystujące łączność bez kabli jest jeszcze niski, co też dobrze rokuje na przyszłość. Pomijając wyjątek, jakim jest elektronika konsumencka w wydaniu mobilnym, dla całej reszty, zwłaszcza elektroniki profesjonalnej, jest to cały czas nowość. Szybki rozwój automatyki w zakresie produkcji, nierzadko wymuszany przez konieczność optymalizacji procesów, minimalizacji zużycia mediów i energii elektrycznej oraz rozwój branż pokrewnych, takich jak utrzymanie ruchu, ochrona i kontrola dostępu, nakręca zainteresowanie łącznością. Rosnącą potrzebę monitoringu systemów i wizualizacji działania urządzeń widać dzisiaj coraz częściej. Tablety, laptopy, smartfony pojawiają się w halach fabrycznych, są częścią coraz popularniejszych systemów AMR, a wiele produktów infrastruktury komunikacyjnej i maszyn ma wbudowany webserwer, do oprogramowania SCADA i ERP dodawane są aplikacje mobilne, co z pewnością przyczynia się do popularności komunikacji bez kabli. A dodatkowo na rynek wchodzą aplikacje z obszaru IoT.

Coraz częściej transmisja bezprzewodowa wybierana jest również jako połączenie pomocnicze, które zastępuje podstawowe połączenie kablowe w momencie awarii. Taka budowa sieci związana jest z trendem podnoszenia dostępności łączy dla infrastruktury krytycznej, np. w branży wodno-kanalizacyjnej, energetyce czy transporcie. Innymi słowy, jest to element zapewnienia jakości usług, a na to się dzisiaj stawia w biznesie.

Po stronie czynników negatywnych należy zapisać trend do upraszczania chipsetów rozwiązań modułowych w kierunku „all in one” oraz dominację na rynku technologii wspieranych przez producentów telefonów komórkowych. To uboczne efekty znaczenia ceny w omawianym sektorze oraz znaczenia komunikacji przez sieć komórkową.

Warto odnotować, że w projektach, które wymagają niezawodności, klienci skłaniają się do renomowanych rozwiązań. Cena w tym przypadku, nie jest kwestią decydującą, ważna jest dla nich sprawna pomoc techniczna oraz to, że dany moduł nie zniknie z rynku w krótkim czasie. Jest to niewątpliwie oznaka, że rynek szybko ewoluuje w kierunku takim, jak do niedawna obserwowaliśmy w krajach Europy Zachodniej.

Istotne cechy oferty handlowej dla modułów komunikacyjnych
 
Na pierwszym miejscu jest niska cena, co jest pochodną silnej konkurencji na rynku, ale opinia, że najważniejsza jest jakość i niezawodność rozwiązań, też jest notowana wysoko. Zapewne jest to element postępującej dojrzałości rynku, rosnącego znaczenia specjalizacji, walki o wysoką jakość itp. W porównaniu do innych komponentów elektronicznych dość wysoko uplasowało się znaczenie kompetencji technicznych sprzedawców i dostępność nowych technologii w ofercie. To jest konsekwencja dużej złożoności technicznej tych zagadnień, szybkiej ewolucji rozwiązań, licznych protokołów, standardów pasm i obszarów aplikacyjnych. Niełatwo w tej tematyce być na bieżąco i wielu konstruktorów przytomnie wspomaga się wiedzą dostawców.

MODUŁY DO SIECI KOMÓRKOWYCH

Moduły przeznaczone do pracy w sieciach komórkowych to główny nurt sprzedaży w zakresie komunikacji. Ich ceny maleją, a funkcjonalność stale się zwiększa, dzięki czemu klient dostaje coraz bardziej zaawansowany moduł w cenie często niższej niż model poprzedni. Często sam moduł wystarcza do realizacji aplikacji, bo ma dostępne nie tylko zasoby obliczeniowe i pamięć, ale też układy peryferyjne, jak przetwornik ADC, porty I/O.

Jeszcze do niedawna zdecydowana większość sprzedawanych modułów to były głównie jednostki GSM/ GPRS, przeznaczone do aplikacji niewymagających przesyłania dużej ilości danych. Obecnie widać wyraźny wzrost sprzedaży modułów o większej szybkości zdolnych do pracy w sieciach 3G-4G. Moduły do sieci komórkowych zwykle pozwalają na migrację od rozwiązań najprostszych do najbardziej wydajnych bez konieczności przeprojektowania płytki. Dostępne są też wielosystemowe "kombajny" oraz wersje z wbudowanym odbiornikiem lokalizacyjnym GPS+Glonass+Beidou lub Bluetooth lub Wi-Fi.

Zainteresowanie modułami 3G i 4G wymuszają zmiany infrastrukturalne sieci komórkowych realizowane i zapowiadane przez operatorów (wyłączanie nadajników 2G).

BLUETOOTH LE

Bluetooth Low Energy (BLE) ma już aktualnie piątą wersję, która jeszcze bardziej wpasowuje się w potrzeby aplikacji IoT, elektroniki noszonej i innych urządzeń zasilanych z baterii. BLE jest efektywny energetycznie (stąd nazwa) i zapewnia większą efektywność komunikacji, lepszą elastyczność pracy i konfiguracji dołączonych urządzeń, w tym możliwość jednoczesnej pracy w trybie nadawania i odbioru danych. Niższe są też koszty implementacji. Komunikacja jest zestawiana bardzo szybko, co jeszcze bardziej ogranicza czas, kiedy nadajnik jest włączony.

Zaproponowane zmiany i rosnąca popularność BLE w urządzeniach mobilnych powodują, że Bluetooth Low Energy stanie się prawdopodobnie najpopularniejszą metodą komunikacji urządzeń typu wearable. Na korzyść tego standardu działa też dostępność (poza modułami) układów SoC zawierających układy analogowe (AFE – Analog Front End), mikrokontroler także zawiera wbudowany kontroler BLE.

WI-FI

W dziedzinie komunikacji bezprzewodowej Wi-Fi jest jednym z najbardziej powszechnych sposobów łączności zapewniającej bezpieczne, niezawodne i szybkie połączenia bezprzewodowe IP. Takie moduły wybierane są zwykle, gdy pobór energii jest drugoplanowy, a liczy się łatwość rozszerzenia urządzenia o komunikację opartą na protokole IP bez wprowadzania większych modyfikacji w działających urządzeniach lub rozszerzenie dowolnych urządzeń wyposażonych w interfejsy UART, SPI, RMII, USB lub LAN o bezprzewodowość. Moduły Wi-Fi to rozwiązania niedrogie, często wykorzystywane jako mosty zapewniające "przezroczystą" transmisję sygnałów. Są one podstawą aplikacji przemysłowych, medycznych, a koncepcyjnie moduły te są zbliżone do całej reszty już omówionych rozwiązań. W planach są przygotowywane energooszczędne rozwiązania Wi-Fi, ale zanim się upowszechnią (o ile w ogóle), to upłynie sporo czasu.

SIECI LPWAN

LoRa, Sigfox to nazwy technologii, które pojawiają się coraz częściej w obszarze nowości produktowych

Zaliczane są do rodziny sieci LPWAN (Low Power Wide Area Networks), a więc takich rozwiązań komunikacji, gdzie kosztem maksymalnej szybkości transmisji danych powiększono zasięg i sprawność energetyczną łącza. Domyślnym obszarem aplikacyjnym jest tutaj oczywiście IoT.

Koncepcyjnie obie sieci są podobne do telefonii komórkowej: mają topologię gwiazdy, w której terminale łączą się z siecią i między sobą za pomocą stacji bazowych BTS (Base Transceiver Station). Innymi słowy, do ich działania konieczna jest infrastruktura techniczna. Niemniej BTS-y pracują w pasmach ISM, co nie wymaga płacenia za częstotliwości.

LoRa bazuje na technice rozpraszania widma i zapewnia prędkość transmisji do ok. 50 kbit/s i zasięg w środowisku miejskim od 2 do 5 kilometrów, natomiast w terenie otwartym nawet 15 km. Czyli komórki sieci są relatywnie duże, a koszty budowy umiarkowanie niskie. Żywotność baterii węzłów w sieciach tego typu może wynieść nawet 10 lat. Komunikacja jest tutaj relatywnie wolna po to, aby ograniczyć podatność na zakłócenia i wykorzystuje wąskie pasmo po to, aby poprawić warunki odbioru sygnału (lepszy stosunek sygnału do szumu). W Polsce Sigfox nie działa, bo nie ma operatora zajmującego się budową i eksploatacją sieci.

NB-IOT

Moduły komunikacyjne pracujące w technologiach 3G i 4G dla aplikacji transmitujących niewiele danych, np. IoT, jest zbyt skomplikowane. Umieszczenie w sprzęcie bateryjnym IoT modemu komórkowego 3G lub 4G nie ma sensu od strony technicznej i ekonomicznej i tę lukę wypełnia nowy standard NB-IoT (Narrow Band IoT), który wykorzystuje sieć komórkową 4G. Maksymalna szybkość komunikacji możliwa do uzyskania w tym rozwiązaniu to 200 kbps DL. Uzyskuje się ją przy zajęciu pasma o szerokości jedynie 200 kHz (przy LTE kat. 4 jest to aż 20 MHz). Wąskopasmowa praca pozwala na zdecydowanie większe skupienie urządzeń na małym obszarze, co w przypadku IoT jest kluczowym czynnikiem.

Moduły NBIoT mają nie konkurować z rozwiązaniami 2G/3G/4G, ponieważ nie nadają się do aplikacji z regularnym, dużym/średnim transferem danych albo wymagających połączeń głosowych czy innych rodzajów funkcjonalności. Otwierają jednak nowe możliwości wykorzystania infrastruktury sieci 4G w aplikacjach zasilanych z baterii przy niskiej cenie i dobrym zasięgu wewnątrz budynków. Uwalniają też od ryzyka związanego z wyłączaniem sieci 2G.

Ocena potencjału rynkowego nowości w obszarze modułów do komunikacji bezprzewodowej
 
Najlepsze perspektywy rysują się przed modułami przeznaczonymi do komunikacji z wykorzystaniem sieci komórkowych, ale w standardzie LTE oraz nowych wersjach Wi-Fi. Za perspektywiczne oceniono także technologie wąskopasmowe o dużym zasięgu LPWAN, które pojawiają się w ofertach i przeznaczone są do aplikacji IoT (LoRa, NB-IoT). Dużo głosów dostał też Bluetooth LE. Wyraźne wybicie się na pierwszej pozycji modułów LTE to zapewne efekt tego, że sieci LPWAN nie mają jeszcze infrastruktury zapewniającej pokrycie kraju oraz tego, że jest to rozwinięcie znanych konstruktorom technologii, nierzadko oferowane na tzw. ścieżce migracji.

MODUŁY RF (W.CZ.)

Komunikacja bezprzewodowa nie zawsze bazuje na standardach. Ich działanie ogranicza się do warstwy fizycznej komunikacji bez obsługi znanego protokołu. Są one kierowane do prostych aplikacji włącz/wyłącz lub rozwiązań własnościowych, które nie muszą mieć zdolności do komunikacji z innym sprzętem. Czasem też aplikacje są zbyt proste, aby aplikować do nich złożoną i wydajną komunikację.

Wiele z nich bazuje na chipach TI i SoC-ach działających na zasadzie radia programowalnego, pozwalając na programowanie parametrów za pomocą interfejsu cyfrowego lub też załadowanie do pamięci mniej typowych rozwiązań jak np. Wireless M-Bus, budowę sieci typu mesh lub wykorzystanie zamiast pojedynczego kanału pasma ISM (433/868/2,4 GHz) transmisji z rozpraszaniem widma lub skakaniem po kanałach. Innymi słowy, prostota funkcjonalna tych modułów nie oznacza ubogiej funkcjonalności. Występują one w bardzo wielu odmianach: od najprostszych par nadajnik-odbiornik do otwierania bramy, po rozwiązania z procesorem aplikacyjnym, wejściami analogowymi i cyfrowymi, obsługą sieci o różnej topologii, szyfrowaniem transmisji i innymi.

KRAJOWI DOSTAWCY MODUŁÓW KOMUNIKACYJNYCH

Wśród firm zajmujących się sprzedażą sporą grupę tworzą dostawcy komponentów elektronicznych o szerokiej ofercie, jak firmy katalogowe: Farnell, Mouser, Elfa Distrelec, RS Components, Conrad Electronic, TME oraz firmy hurtowe (Micros i Maritex oraz Arrow Electronics, EBV). Drugą grupę stanowią firmy dystrybucyjne o wyspecjalizowanej ofercie, dla których komunikacja bezprzewodowa jest jednym z ważniejszych obszarów aktywności, np. Elproma Elektronika, Acte, Eltronika, Microdis Electronics, Elhurt, Masters, Gamma, JM elektronik, Soyter Components, Computer Controls oraz Glyn. Trzecia grupa dostawców to firmy z obszaru automatyki przemysłowej sprzedające modułowe urządzenia komunikacyjne dla potrzeb sieci przemysłowych, do łączenia rozproszonych instalacji, obiektów i zakładów – to np. Elmark Automatyka, Eltron, Inventia, Murrelektronik, CSI i Advantech.