Требования к передаче данных в промышленности являются ключевыми параметрами: надежность, низкое энергопотребление процесса передачи, безопасность данных и возможности отслеживания в режиме реального времени для функций, связанных с безопасностью. В то же время промышленные предприятия становятся все более сложными, поскольку все больше датчиков, блоков управления и машин общаются друг с другом.
Поскольку проводные системы, такие как EtherCAT или Profibus, не могут использоваться повсеместно, беспроводные системы часто более подходят, особенно для перемещаемого или мобильного оборудования. Однако многие беспроводные технологии, такие как Bluetooth или WLAN, быстро достигают своих пределов в средах с несколькими сетевыми партнерами.
Беспроводная промышленная передача данных
Сегодня беспроводная передача промышленных данных осуществляется с использованием радиотехнических технологий. К ним относятся, в частности, стандарт WLAN IEEE 802.11n с возможной скоростью передачи данных до 600 Мбит / с или стандарт 802.11ac для скорости передачи данных до 1300 Мбит / с.
Фактические реальные скорости передачи данных часто значительно ниже в промышленных средах с несколькими сетевыми устройствами и электромагнитной совместимостью (ЭMC). Кроме того, WLAN рассматривается как ненадлежащий канал связи для приложений реального времени с требованиями безопасности. Системная восприимчивость часто приводит к потере пакетов и увеличению времени ожидания, поскольку данные должны быть повторно переданы. Поэтому безопасные приложения с быстрым временем цикла не могут надежно работать через WLAN-соединения.
Дальнейшие трудности возникают в отношении защиты от «подслушивания». В радиосети помещения может находиться довольно большое количество устройств, а диапазон передачи данных ограничен только силой сигнала. Хотя сигналы могут быть ослаблены, они могут все еще проникать в корпуса машин и сквозь стены, чем представлять проблемы с точки зрения конфиденциальности, а также безопасности. Без шифрования для доступа к данным должно находиться только одно единственное устройство.
Хотя существуют различные методы шифрования, большинство из них требуют, чтобы все оборудование соответствовало современным стандартам. Старые устройства в системе могут представлять угрозу безопасности. Li-Fi (световая точность (light fidelity)) — передача данных через видимый свет — устраняет многие из этих проблем и, по-видимому, является жизнеспособной альтернативой для беспроводной передачи промышленных данных.
Что такое Li-Fi?
Li-Fi использует видимый свет (VLC) и инфракрасную связь (IRC) для передачи данных. Поскольку он одновременно используется как для связи, так и для освещения, VLC обычно использует светодиоды (LED) комфортного белого света. IRC, напротив, обычно реализован светодиодами с дополнительными лазерными диодами (рисунок ниже):
Оптическая передача происходит, по меньшей мере, между двумя передающими / приемными устройствами, известными как трансиверы. Трансиверы состоят как из приемника, так и из передатчика, способного модулировать или демодулировать данные с использованием модуля сигналов процесса. Для передачи данных они должны быть преобразованы из электрических в оптические. С этой целью интенсивность излучения варьируется с помощью подходящего драйвера.
В дополнение к модулю обработки приемник состоит из усилителя и фотоприемника. Оптический луч приемника фокусирует переданное оптическое излучение, чтобы максимизировать уровень сигнала. Детектор преобразует принятый сигнал в электрический, который затем преобразуется в напряжение и усиливается. Модуль обработки сигналов демодулирует принятые оптические сигналы.
Расстояние между модулями и полученным размером «пятна», также называемое полем обзора, имеет особое значение. Узкое поле зрения обычно позволяет развивать более высокую скорость передачи данных на большие расстояния при более низкой частоте ошибок в битах. Однако для достижения этого узкого поля зрения трансиверы должны быть точно выровнены друг напротив друга. Хотя более широкое поле зрения предлагается как альтернатива, но в таком случае меньшая часть излучаемой мощности попадает на приемник. Этот сигнал нижнего уровня приводит к снижению диапазона передачи данных.
Сравнение WLAN и Li-Fi
При более высокой скорости передачи данных до 1 Гбит / с Li-Fi HotSpot имеет большое преимущество перед стандартами, такими как WLAN. Использование Li-Fi глобального нерегулируемого спектра света дает ему огромное количество доступной полосы пропускания. Практическая скорость передачи данных ограничена только оптоэлектронными компонентами, выбранными для модуляции и демодуляции.
Использование нерегулируемого спектра приносит дополнительные преимущества. Различные правила радиочастотного спектра в разных странах часто предусматривают дорогостоящее внедрение машин и систем со встроенными компонентами беспроводной передачи данных. Технология Li-Fi устраняет эти расходы.
Система также имеет возможности реального времени. Первоначально разработанный для компьютерной коммуникации, WLAN предлагает пакетную асинхронную передачу данных. Напротив, Li-Fi непрерывно отправляет данные, что делает их сопоставимыми с потоковой передачей. Таким образом, Li-Fi может обеспечить надежную работу приложений, в которых вычисление и передача данных не могут превышать заданный временной интервал.
Li-Fi также выгоден тем, что несколько каналов передачи данных могут быть построены параллельно в пространственном мультиплексировании, чтобы между отдельными каналами передачи данных не возникало никаких помех. Это обеспечивает безопасную, беспорядочную промышленную среду, устраняющую трудоемкую идентификацию и устранение сбоев в системе. Кроме того, Li-Fi обеспечивает высокую плотность ячеек передачи данных, при этом каждый из них может соответственно получить доступ к 100% доступной полосы пропускания. Таким образом, пропускная способность для больших помещений может быть значительно увеличена.
Хотя Li-Fi может представлять некоторые проблемы, но это чрезвычайно выгодно с точки зрения безопасности данных. Поскольку они поглощаются черными телами и отражаются яркими телами, как и видимый свет, так инфракрасное излучение не могут проникать в окружающие объекты. Внешние приемники за стенами больше не могут получать доступ к передаваемым данным, что делает Li-Fi привлекательной альтернативой WLAN.
Li-Fi HotSpot
Li-Fi HotSpot из комплекта для оценки IPMS Fraunhofer способен установить оптическую линию передачи данных со скоростью передачи 1 Гбит / с на расстоянии до пяти метров. Модуль можно просто интегрировать в существующие системы через кабель CAT5. Соединения точка-точка могут быть построены в полудуплексном или полнодуплексном режиме. HotSpot получает энергию от источника питания 5 В. Модуль доступен для тестирования и демонстрации, а также работает в ближней инфракрасной области. Излучатели работают в соответствии с аспектами лазерного класса 1 для безопасности глаз.
В зависимости от приложения размер, скорость передачи данных, расстояние передачи и интерфейсы HotSpot могут быть оптимизированы и развиты в соответствии с конкретными требованиями заказчика. В зависимости от условий окружающей среды, возможно использование расстояний до 30 метров и скорости передачи данных до 1 Гбит / с. Интерфейсы USB 3.0, Ethernet и Gigabit Ethernet уже реализованы в промышленных приложениях.
В промышленности Li-Fi HotSpot обычно может применяться к соединениям точка-точка, точка-многоточка или многоточечные соединения (рисунок ниже). Сегодня модули Li-Fi помогают обеспечить безопасную беспроводную линию передачи данных везде, где невозможно использовать кабели, токосъемные кольца и соединительные разъемы, на которые влияют ограничения или они выходят за их пределы. Благодаря технологии Li-Fi, обеспечивающей надежную и долговечную связь, на мобильных камерах, передающих большие объемы данных, таких как видео для управления технологическими процессами, мобильных транспортных систем, передающих информацию между центром управления и мобильными устройствами, или во вращающихся системах.
