مقدمة في تكنولوجيا الاتصالات الصناعية اللاسلكية
الاتصالات اللاسلكية الصناعيةتتمتع بإمكانيات تنموية هائلة
تُشير أحدث الأبحاث الصادرة عن شركة HSM الشبكات إلى استمرار نمو سوق الشبكات الصناعية، حيث يُتوقع أن يصل معدل النمو إلى 7% بحلول عام 2024. وتجدر الإشارة إلى أن تقنية الاتصالات اللاسلكية شهدت نموًا مطردًا في السنوات الأخيرة، على الرغم من تباطؤ طفيف في معدل النمو وفقًا للتقارير. ولا تزال حلول الاتصالات اللاسلكية تُشكّل 7% من إجمالي حصة السوق، وذلك حسب نوع الشبكة. ويستمر السوق في طرح المزيد من المنتجات الصناعية التي تدعم تقنية الاتصالات اللاسلكية، كما يتزايد الإقبال على هذه الحلول في بيئات المصانع. وتشمل حالات الاستخدام الشائعة استبدال الكابلات، والوصول اللاسلكي إلى الآلات، والاتصال بالمعدات الصناعية المتنقلة.
تعتبر كل من الورقة البيضاء الألمانية "Industry 4.0 R&D " واستراتيجية التنفيذ والهندسة المرجعية "Industry 4.0 بمثابة عنصر مهم في البحث والابتكار في تكنولوجيا اتصالات الشبكة في الصناعة 4.0.
يولي اتحاد الإنترنت الصناعي الأمريكي (IIC) أهمية بالغة لتطبيقات التكنولوجيا اللاسلكية في الصناعة. وقد أنشأ هذا التحالف فريقًا متخصصًا في ربط الشبكات لإجراء البحوث المتعلقة بتكنولوجيا الشبكات.
إن السبب وراء إيلاء الصناعة الألمانية 4.0 والإنترنت الصناعي الأمريكي أهمية كبيرة لتطبيق التكنولوجيا اللاسلكية في الصناعة هو أن الشبكات اللاسلكية تتمتع بمزايا واضحة مقارنة بالشبكات السلكية الصناعية الحالية.
● خفض تكاليف إنشاء وصيانة الشبكة بشكل كبير. يمكن نشر الشبكات اللاسلكية بسرعة، كما يمكن مدّ الكابلات وأجهزة الحماية ذات الصلة لاسلكيًا في المواقع وورش العمل والمصانع وغيرها من البيئات. ويتم تقليل تكاليف التركيب والصيانة.
● تحسين مرونة خط الإنتاج. تتيح التقنية اللاسلكية إمكانية نقل المعدات الميدانية وتتيح إعادة بناء خطوط الإنتاج بشكل مرن وسريع بناءً على احتياجات الإنتاج الصناعي والتطبيق.
● تحقيق نطاق واسع من بيئات النشر. نظراً لأن التكنولوجيا اللاسلكية تتجاوز قيود نشر الكابلات ولديها بنى شبكية متنوعة مثل الشبكة المتداخلة والشبكة النجمية، فإنها تستطيع تحقيق نشر سريع في مجموعة متنوعة من السيناريوهات الصناعية.
التقنيات اللاسلكية المستخدمة في الشبكات الصناعية
بحسب مسافة الاتصال اللاسلكي، يمكن تقسيم تقنية الاتصال اللاسلكي إلى تقنية اتصال لاسلكي قصيرة المدى وتقنية اتصال شبكة واسعة النطاق:
● تكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية قصيرة المدى: بما في ذلك تقنيات الاتصال التقليدية قصيرة المدى مثل شبكة لاسلكية محلية (WLAN) و بلوتوث و زيجبي و تحديد الهوية بموجات الراديو (RFID)، وتقنيات الاتصال قصيرة المدى المخصصة للتطبيقات الصناعية التي تمثلها WirelessHART و ISA100.11a و قانون استغلال العمالة النسائية-بنسلفانيا وما إلى ذلك.
● تقنية الاتصالات عبر الشبكات واسعة النطاق:بما في ذلك تقنية الاتصالات الخلوية 2G/3G/4G/5G وتقنية LPWA، فإن ملاحظة-إنترنت الأشياء وeMTC هي تقنيات طيف مرخصة، بينما لورا وSigFox هي تقنيات طيف غير مرخصة.
يتطلب تطبيق الشبكات اللاسلكية في الصناعة مستويات مختلفة من التصميم الأمثل بناءً على روابط التطبيق والخدمات التي توفرها. وبحسب سرعة الاتصال اللاسلكي، يمكن تقسيمه إلى اتصال عالي السرعة واتصال منخفض السرعة. يوضح الجدول سيناريوهات تطبيق نموذجية لتقنية الاتصالات اللاسلكية.
فئة | مسافة الاتصال | معدل التواصل | التطبيق النموذجي |
بلوتوث | 10 أمتار | 20 مليون | الاتصال لمسافات قصيرة، بث الصوت، مزامنة الملفات |
شبكة واي فاي | 50 متراً | 200 متر | شبكة المنزل أو المكتب، مقاطع الفيديو عبر الإنترنت، الألعاب الكبيرة وتنزيلات الملفات، إلخ. |
زيجبي
| 200 متر | 250 كيلوبت في الثانية | نطاق تردد 2.4 جيجاهرتز، سرعة منخفضة واستهلاك منخفض للطاقة. يُستخدم لأجهزة إنترنت الأشياء، مثل نقل بيانات المستشعرات والتحكم عن بُعد بالأجهزة المنزلية. |
WirelessHART | 200 متر | 250 كيلوبت في الثانية
| نطاق تردد 2.4 جيجا هرتز، سرعة منخفضة، استهلاك منخفض للطاقة وموثوقية عالية.تم إجراء الكثير من التحسينات التقنية للمواقع الصناعية من حيث الموثوقية ومقاومة التداخل وضمان التأخير. |
لورا
| 1-20 كم
| 0.3-5 كيلوبت في الثانية
| Sنطاق تردد مرخص مجاني من ubG، الزراعة الذكية، المباني الذكية،تتبع الخدمات اللوجستية، يتطلب الأمر بناء شبكتك الخاصة. |
إنترنت الأشياء ذو النطاق الضيق
| 1-20 كم
| أقل من 250 كيلوبت في الثانية
| نطاق التردد المعتمد لـ SubG، عداد المياه، موقف السيارات، تتبع الحيوانات الأليفة،جهاز إنذار الدخان، باستخدام شبكة المشغل. |
الجيل الخامس
| 500 متر
| 1 جيجابت في الثانية
| سرعة عالية، زمن استجابة منخفض، عدد كبير من الاتصالات، موثوقية عالية،القيادة الذاتية، والطائرات بدون طيار، والواقع الافتراضي/المعزز، والمصانع الذكية، والرعاية الطبية الذكية. |
سيكون اتجاه تطوير الشبكات اللاسلكية في الأساس هو التراكب، وسيتم استكماله بالتكامل.
تتميز أنظمة التحكم الصناعية بالاكتفاء الذاتي، وتعتمد على الاستقرار والموثوقية كمعيار أساسي، لذا تتوخى الشركات الصناعية الحذر الشديد عند إجراء أي تعديلات عليها. وتحتاج مؤسسات مثل شركات التصنيع والخدمات الصناعية بشكل عاجل إلى بيانات حول معدات الإنتاج والبيئة وأدوات الإنتاج، وغيرها. إضافةً إلى ذلك، يُعدّ نشر الشبكات السلكية مكلفًا ومعقدًا للغاية، لذا اعتمدت هذه المؤسسات أسلوب التراكب لنشر الشبكات اللاسلكية.
تشير طريقة التراكب إلى إنشاء شبكة لاسلكية خارج شبكة المصنع الحالية لجمع معلومات المعدات والمنتجات، وإجراء عمليات تحكم في المعدات في الوقت الفعلي أو غير الفعلي في بعض الحالات. كما تسعى بعض الشركات إلى تبني نهج متقارب لنشر الشبكات اللاسلكية، أي استخدام الشبكات اللاسلكية لاستبدال بعض محطات شبكة التحكم الصناعية الحالية تدريجيًا (مثل ناقلات البيانات الميدانية والشبكات الكبيرة) لتحقيق جمع المعلومات والتحكم لاسلكيًا.
