8 tyypillistä teollisen WLAN:in ongelmaa

8 teollisen WLAN:in ongelmaa

Langattomat yhteydet ovat käteviä monissa teollisuuden sovelluksissa, mutta myös niiden luotettavuus pitää olla aivan eri tasolla kuin mitä kotinetiltä odotetaan. Tyypillisesti kotona on yksi operaattorin tarjoama tukiasema siellä toimistohuoneessa. WLAN:in kantama ja sen tarjoama datanopeus riittää useimmissa tapauksissa kattamaan koko talon. Ja siellä liikkuva data ei ole kovin aikakriittistä. Ei ole niin väliä, jos video lähtee pyörimään puoli sekuntia myöhemmin tai se pysähtyy hetkeksi.

Työkäytössä ja koneiden ohjaamisessa tämä sama ajatus ei välttämättä toimi. Yksinkertaisimmillaan lyhyt yhteyskatko vaatii turvajärjestelmää pysäyttämään koko järjestelmän. Kaikki langattomat yhteydet ovat alttiita yhteysongelmille ja ulkoisille häiriöille. Jotta järjestelmä pystytään rakentamaan luotettavaksi, on hyvä ymmärtää minkälaiset asiat vaikuttavat siihen.

Monissa yhteyksissä ja varsinkin ulkomailla käytetään WLAN teknologiasta termiä WiFi™. Käytän läpi tämän kirjoituksen selvyyden vuoksi pelkästään WLAN -termiä WiFi:n sijaan.

1. Signaaliin vaikuttavat rakenteet

Radiosignaalin etenemiseen vaikuttavia rakenteita ja materiaaleja on kaksi päätyyppiä; vaimentavia ja heijastavia. Näistä tarkemmin alla.

Vaimentavat materiaalit

Nämä aineet ja rakenteet heikentävät radiosignaalia ja siten lyhentävät sen kantomatkaa. Tämä on tuttu tilanne kotinetin kanssa, huomaat että WLAN -yhteys ei toimi kunnolla talon kaukaisimmassa nurkassa. Toinen esimerkki on mikroaaltouuni, jossa oikean taajuista värähtelyä käytetään ruoan lämmittämiseen. Tässä tapauksessa radioaalto on viritetty sopivaksi vesimolekyyleille jotka alkavat värähdellä ja syntyy lämpöä. Tällöin signaalin energia sitoutuu ruokaan se heikkenee.

Radiosignaaleja heikentäviä aineita on valtavasti. Oikeastaan kaikki, joka ei heijasta signaaleja, vaimentaa niitä. Tässä joitain esimerkkejä: kumi, nesteet, puurakenteet, ruoka ja ilma. Kaikilla näillä on oma ominainen tapansa heikentää radiosignaalia. Esimerkiksi nesteet vaikuttavat kantamaan paljon enemmän kuin ilma.

Pakestekanakin vaikuttaa radiosignaaliin

Pakastekanakin vaikuttaa WLAN signaaliin!

Teollisessa ympäristössä tämä täytyy huomioida antennisuunnittelua tehdessä. Jos tila on esimerkiksi varasto, siellä olevilla elintarvikkeilla on selvä vaikutus radioverkon toimintaan. Eli varastossa oleva pakastekana voi pysäyttää robottisi!

Heijastavat materiaalit ja rakenteet

Jotkin materiaalit kuten metalli toimivat radioaalloille kuin peili. Ne kimmottavat ja suuntaavat radiosignaalia uudelleen. Tämä ei lyhennä signaalin kantamaa siinä määrin kuin edellä mainitut aineet mutta tekevät sen kulusta arvaamatonta.

Tyypillisiä heijastavia pintoja ovat kaikki metalliesineet ja rakenteet.

  • Metallipalkit
  • Peltiseinät ja -katot
  • Pitkät käytävät
  • Hyllyrakenteet
  • Tilassa olevat koneet ja laitteet

Yksinkertaisimmillaan heijastavat rakenteet aiheuttavat katveen jossa vastaanottava laite ei saa yhteyttä tukiasemaan. Erityisen herkkiä tälle ovat 5 GHz taajuuden yhteydet, joilla signaali vaimenee selvästi lyhyemmällä matkalla kuin 2.4 GHz taajuudella.

WLAN-signaalin heijastuminen

WLAN-signaalin heijastumien aiheuttaa katveen

Heijastavat pinnat saavat radiosignaalin pongahtelemaan seinistä ja muista rakenteista ennalta-arvaamattomasti. Vähän kuin biljardipallot pelipöydällä, jos niille antaa kunnolla vauhtia. Signaalien sinkoilu saa järjestelmälle aikaan niin negatiivisia kuin myös positiivisia vaikutuksia:

  • Signaali voi päätyä vastaanottimelle heijastuksen kautta, vaikka suoraa näköyhteyttä ei olekaan
  • Sama tieto tulee tiettyyn pisteeseen eri aikaan jolloin vastaanottimen pitää osata tulkita mitä signaalia kuunnella. Tätä ongelmaa ratkotaan mm. usean antennin MIMO-tekniikalla jossa dataa kerätään eri signaaleista yhdeksi kokonaisuudeksi.
  • Samaan paikkaan osuvat vastakkaiset aallot saattavat kumota toisensa ja syntyy niin sanottu ”paikallinen nollakohta” jolloin vastaanotin ei kuule yhtään mitään.
  • Naapuritukiaseman signaalia voi päätyä alueelle

Radiosignaalin monitie-eteneminen auttaa yhteyden saamisessa

Signaalin monitie-eteneminen auttaa yhteyden saamisessa

2. Väärin valitut tai asennetut antennit

Antennien valinnalla vaikutetaan mihin suuntaan ja millä voimakkuudella radiosignaali lähtee ja miten hyvin vastaanotto onnistuu. Karkeasti luokiteltuna antenneja on ympärisäteileviä ja suunta-antenneja. Molemmilla näillä päätyypillä on omat hyvät ja huonot ominaisuutensa.

Ympärisäteilevillä antenneilla saa aikaan laajan peittoalueen. Suuntaavilla antenneilla lähetysteho kohdistuu yhteen pääsuuntaan, jolloin voidaan kattaa paremmin esimerkiksi kapeita käytäviä. Näiden antennityyppien sisällä on paljon ominaisuuksiltaan erilaisia toteutuksia. Yleisesti ottaen antennien säteily ei ole symmetristä kaikkiin suuntiin ja siten lähetysteho vaihtelee suunnan mukaan.

Kun antenneja valitaan, tulee ottaa huomioon suunniteltava tila ja sen rakenteet kokonaisuutena, jotta saadaan aikaan kattava radiokenttä. Tyypillisesti matalan vahvistuksen (gain) antennit ovat suositeltavia siksi että saatava tehokas toiminta-alue on helpompi ennustaa ja kontrolloida kuin laajemman kantaman antenneilla.

Radiokentän paikallinen nollakohta

Jossain tapauksessa radiokenttään syntyy ns. paikallinen nollakohta. Signaalien kimpoilu eri pinnoista on vaikeasti ennustettavaa ja tehdashallissa voi olla jossain kohta jossa eri signaalit kohtaavat ja kumoavat toisensa. Tällöin ohjattava kone ei enää saa yhteyttä tukiasemaansa.

Tämän ongelman välttämiseksi käytetään usein MIMO-tekniikkaa ja useampaa antennia. Myös tässä tapauksessa kannattaa kiinnittää huomiota antennien valintaan ja erityisesti niiden sijoitteluun. Jos kaikki antennit ovat lähekkäin ja samassa asennossa, saattaa liikkuva laite ja sen kaikki kolme antennia päätyä radiokentän paikalliseen nollakohtaan. Tähän kohtaan tulevat vastakkaissuuntaiset radiosignaalit kumoavat toisensa ja yhteys tukiasemaan katoaa.

WLAN-signaalin nollakohta

Monitie-eteneminen voi luoda paikallisen nollakohdan jonne radio ei kuulu

Tämän tapauksen välttämiseksi antennit tulisi asentaa etäälle toisistaan ja fyysisesti eri asentoihin kaikilla kolmella eri akselilla. Antennien välinen etäisyys toisistaan on tarkoitus olla suurempi kuin käytetyn taajuuden aallonpituus. Näin ainakin yksi antenneista on paikallisen nollakohdan ulkopuolella.

Tukiaseman suuntaaminen

Toinen helposti unohtuva seikka on radiokentän suuntaaminen korkeussuunnassa. Mikäli tukiasemat ovat 10 m korkealla hallin katossa ja antennit pystysuorassa, lattatasolla olevat laitteet eivät saa optimaalista radioyhteyttä koska antennin säteilydonitsin tehokkain alue menee koneiden yli katonrajassa. Tällöin kannattaa asentaa antennit tai koko tukiasema vinoon ja suunnata antennin optimaalinen säteilysuunta kohti yhteyttä tarvitsevia laitteita.

WLAN-tukiaseman suuntaaminen katonrajaan asennettaessa

Tukiaseman suuntaaminen korkeissa tiloissa

3. Tukiasemasuunnittelu pielessä

Tukiasemia on liian vähän

Tämä ongelma on tietysti itsestäänselvyys. Monesti ajatellaan, että yksi tukiasema hallin katossa tai yläparvella riittää kattamaan koko hallin koska niin se toimii kotonakin. Mutta edellä mainituista syistä tuotantolaitoksessa tai varastossa syntyy helposti kohtia joissa radiokenttä ei ole kummoinen ja liikkuvat laitteet ajautuvat näihin kohtiin jolloin yhteys heikkenee väliaikaisesti. Ongelmat eivät välttämättä toistu säännöllisesti vaan silloin-tällöin, jolloin niiden aiheuttajien paikallistaminen ja korjaaminen vaatii enemmän työtä.

Tukiasemia on liikaa

Toinen ajattelutapa on lisätä tilaan varmuuden vuoksi paljon tukiasemia ja siten varmistaa hyvä kuuluvuus. Tämä saattaa joissain tapauksessa kääntää tilanteen päälaelleen jolloin vierekkäiset tukiasemat häiritsevät toisiaan ja yhteyksiä käyttäviä laitteita. Kun laitteelle kuuluvia taajuuksia ja tukiasemia on paljon, ne tukkivat liikennettä ja aiheuttavat ongelmia. Laitteet joutuvat jatkuvasti vaihtamaan eri taajuusalueiden ja tukiasemien välillä ja tämä aiheuttaa väliaikaisia yhteyskatkoksia.

Tukiasemien lähetysteho on täysillä

Joissain tapauksissa tukiasemat on säädetään täydelle teholle mikä on helppo tapa tukkia liikennettä. Tämän ajatellaan olevan helppo keino parantaa kuuluvuutta, mutta liian korkealle asetettu lähetysteho saattaa itseasiassa pahentaa tilannetta. Samaan kategoriaan liittyy myös turhan ‘laadukkaat’ antennit joissa on korkea vahvistus. Nämä molemmat tekijät laajentavat kuuluvuusaluetta entisestään.

Mitä laajempi kuuluvuusalue on, sitä vaikeampi on ennustaa radiosignaalin käyttäytymistä: se heijastelee rakenteista ja pinnoista ja etenee entistä pidemmälle.

Tässä tapauksessa helppo parannuskeino on säätää tukiasemat optimaaliselle tehotasolle häiriöiden vähentämiseksi.

4. Puutteellinen kanavasuunnittelu

Tämä ongelma vetää yhteen edellä mainittuja ongelmakohtia. Tausta tässä on yksinkertaisesti se, että jos vierekkäisten tukiasemien taajuus on sama tai liian lähellä toisiaan, syntyy ongelmia. Laitteet eivät enää tiedä kumpaa tukiasemaa kuunnella. Viereisen tukiaseman liikenne häiritsee, vaikka oltaisiin eri taajuuksilla.

Pitkään käytetty 2.4 GHz taajuusalue on kantamaltaan suhteellisen hyvä, mutta käytettävissä olevia kanavia on vähän. 2.4 GHz alueella toisiaan häiritsemättömiä kanavia on ainoastaan kolme. Uudempi 5.0 GHz taajuusalue tuo tarjolle merkittävästi lisää kanavia ja tämä antaa lisää mahdollisuuksia rakentaa kattavampi verkko. Järjestelmää suunniteltaessa kannattaa tarkistaa onko 5 GHz tarjoamat mahdollisuudet otettu käyttöön.

Teollisuusympäristössä jokainen tila on oma yksilönsä jossa on paljon seiniä, pitkiä käytäviä, metalliputkia, liikkuvia koneita ja signaalia vaimentavia aineita. Hyvällä kanavasuunnittelulla ja tukiasemien ja antennien sijoittelulla voidaan rakentaa optimaalinen ratkaisu kuhunkin tilaan ja käyttötarkoitukseen.

Metalliset rakenteet

Metallirakenteet täytyy ottaa huomioon radiosuunnitelmaa tehtäessä

5. Kännykät ja muut laitteet

Nykypäivänä teollisuuslaitoksissa liikkuu valtava määrä muita laitteita kuten kännyköitä, joissa on mukana radiota. Käytännössä radioympäristö on aina ’saastunut’, häiriölähteitä on aina.

Vaikka älypuhelimia ei käytettäisi aktiivisesti teollisuustilassa, ne lisäävät radiotaajuuksien liikennettä ja siten kuormittavat verkkoa. Kännykät hakevat automaattisesti optimaalisinta WLAN yhteyttä ja sen myötä yhteyskyselyiden määrä kasvaa. Myös rakennuksen ulkopuoliset laitteet saavat tätä liikennettä aikaan. Käytäntö on osoittanut, että Aasiassa tehtaan vierestä saattaa kulkea vilkas tie ja siellä liikkuvat kännykät, tabletit ja muut laitteet saavat aikaan kymmeniä tuhansia yhteyspyyntöjä päivässä.

Myös muut laitteet saattavat aiheuttaa häiriöitä eri taajuusalueella. Mm. heikkolaatuiset lamput tai kopiokoneet saattavat säteillä juuri käytettävillä taajuuksilla ja siten häiritä tuotantolaitteiden toimintaa.

6. Tuotantolaitteet

Tehtaalla on usein monen eri kone- ja automaatiotoimittajan kalustoa. Jos eri konevalmistajat käyttävät langattomia ratkaisuja, on mahdollista, että niiden käyttämät taajuusalueet menevät päällekkäin. Näin sinällään huippulaatuiset laitteet ja työkoneet saattavat häiritä toisiaan. Tämä ongelma todennäköisesti lisääntyy tulevaisuudessa kun langattomia yhteyksiä käytetään yhä enemmän.

Ratkaisuna tähän suosittelemme järjestelmällistä taajuus- ja verkkosuunnittelua tuotantolaitosta rakennettaessa. Yhdessä eri osapuolten kanssa tulisi laatia ”radiobudjetti” jonka avulla voidaan allokoida taajuuksia ja koordinoida toimintamallit eri laitevalmistajien välillä.

Kannattaa ottaa selvää mitä radioita muiden valmistajien koneet tulevat käyttämään!

7. Liikkuvat koneet vaikuttavat radioympäristöön

Tuotantotilassa liikkuvat koneet, kuljetinvaunut jne. vaikuttavat osaltaan radioympäristöön joko signaaleja heijastavina pintoina tai sitten radiolähteinä ja -vastaanottimina. Näin ne osaltaan pitävät huolta, että kentän voimakkuus vaihtelee jatkuvasti. Tämä on hyvä ottaa huomioon kun mietitään tukiasemien ja antennien sijoittelua ja rakennetaan kanavasuunnitelmaa.

Oma erikoistapauksensa ovat verkonvaihdot (roaming tai handover) eri WLAN-tukiasemien välillä. Vastaava tilanne tulee päivittäin vastaan kun puhut puhelua autossa. Matkapuhelin siirtyy saumattomasti seuraavan tukiaseman alaisuuteen kun matka autolla etenee.

WLAN-yhteyksissä tämä ei aina toimi yhtä jouhevasti kuin matkapuhelimissa koska eri valmistajien laitteet toimivat jossain määrin eri lailla ja eivät välttämättä aina standardin mukaan. Laitteissa on myös tähän liittyviä asetuksia joita käyttämällä tilannetta voidaan optimoida. Laitteet voidaan esimerkiksi ohjata etsimään ensin tuttuja, viimeksi käytettyjä tukiasemia sen sijaan että skannataan kaikki tarjolla olevat mahdollisuudet. Tämä nopeuttaa yhteyden uudelleenmuodostusta ja varmistaa ohjausyhteyden säilymisen.

8. Laitteiden ohjelmistot laahaavat perässä

Viimeisin ja ehkä yksinkertaisin ongelma ovat ohjelmistot. Tyypillisesti WLAN-verkko rakennetaan, mutta sen ylläpidosta ei juurikaan huolehdita. Laitevalmistajat päivittävät ohjelmistojaan, mutta ne eivät päädy asiakkaan halliin saakka kuin vasta seuraavan isomman järjestelmäpäivityksen yhteydessä.

Laitteet yksinkertaisesti eivät aina ole bugittomia ja toimivat välillä eri tavalla kuin niiden oletetaan toimivan. Jotta näitä ongelmia pystytään osoittamaan, testijärjestely tulee olla hyvin vakioitu ja aikaisemmissa kohdissa läpikäydyt asiat tarkistettu.

Bonus: automaatiojärjestelmä reagoi väärin

Joissain tapauksessa ongelmaa ei löydetä langattomien yhteyksien puolelta. Jos WLAN-järjestelmä voidaan todeta toimivan kuten pitääkin, ongelmien todellinen lähtösyy saattaa majailla järjestelmän automaatiopuolella. Ohjausjärjestelmä ei osaa reagoida oikealla tavalla tai reagoi liian hitaasti signaaleihin ja tämä aiheuttaa tuotantopysäytyksiä.

Todellisen juurisyyn löytäminen on monesti mutkikasta

Langaton ohjausjärjestelmä on yleensä laaja kokonaisuus joka koostuu työkoneista, WLAN-radioista, tukiasemista, antenneista ja niiden asennustavoista, järjestelmän asetuksista, sekä tehtaan automaatio- ja toiminnanohjausjärjestelmistä. Tässä välissä on langaton radioympäristö, jonka tila muuttuu jatkuvasti sen mukaan minkälaisia laitteita ja koneita tilassa liikkuu. Langaton radioliikenne on monesti se vaikeimmin todennettava lenkki ohjausketjussa.

Todellinen häiriölähde voi olla missä tahansa ja sen paikantaminen voi olla monesti hankalaa. Selvittelytyön kanssa kannattaa edetä järjestelmällisesti ja sulkea edellä mainittuja ongelmalähteitä yksitellen pois.

CONTACT