Ohjaustekniikan tietoliikennevaatimukset

Tietoturvallisen ja luotettavan tiedonsiirron toteutuminen ovat keskeisiä vaatimuksia säätösalaojituksen ohjauksessa. Muiden automaatiovaatimusten, kuten reaaliaikaisuus ja kapasiteetti, merkitys on vähäinen

Muutosnopeudet säätösalaojituksessa mitataan minuuteissa tai tunneissa eikä sekunnin osina, kuten teollisuusautomaatiossa. Muutosnopeuden lisäksi merkittäviä ero teollisuusautomaatioon ovat mm. etäisyydet ja tietoliikenne. Tietoliikenteen ja virransaannin haasteet rajaa pois useita yleisesti käytettyjä automaatiototeutuksia, kustannusten ja ylläpidon takia.

Vastaavaan toimintaympäristöön on saatavilla yksi hyvin soveltuva protokolla, joka alun perin kehitettiin 90-luvun lopulla haastavien tietoliikenneyhteyksien ja pitkien etäisyyksien valvonta- ja ohjaustehtäviin – öljyputkien hallintaan. Kyse on MQTT protokollasta, jonka avulla säätökaivojen ohjauksen voi tehdä verkosta päin, ilman ko. kaivon julkista IP osoitetta. Miten se on käytännössä mahdollista? Asiasta tarkemmin MQTT-Sparkplug -sivulla.

Tietoturvavaatimusten (saatavuus, eheys ja luottamuksellisuus) lisäksi tärkein käytännönläheinen vaatimus säätösalaojituksen tietoliikenneyhteyksille on langattomuus. Ainoataan poikkeustapauksissa on mahdollista toteuttaa automaation tietoliikenneyhteyksiä esimerkiksi teollisuusautomaation yleisesti käyttämillä ratkaisuilla.

Tietoliikenteen langattomia vaihtoehtoja

Tiedonsiirto pellolla

Lyhyellä yhteydellä on useita vaihtoehtoja: WLAN, Bluetooth, Zigbee jne. Pidemmillä etäisyydellä Lora (LongRange) on paras vaihtoehto, jonka esimerkiksi 433 MHz taajuudelle mahdollistaa yli 1000 metrin yhteydet.

LoRa:n 433 MHz yhteyden käyttö on tarkasti säädelty ja Traficomin määräyksessä sivulla 13 rajoitetaan efektiivinen säteilyteho 25 mW ERP ja
toimintasuhde 10 prosenttiin. Tehorajoitus 25 mW (n. 14 dBm) pienentää LoRa-laitteiden esitteissä luvattuja etäisyyksiä huomattavasti. Hyvillä antenneilla saadaan kuitenkin toteutettu uskomattoman pitkiä yhteyksiä.

Toimintasuhteen rajaaminen, joka tuli ko. taajuuskaistalle voimaan 1.4.2003 alkaen, ei ole säätösalaojituksen ohjauksen kannalta merkittävä, koska tiedonsiirtotarve ei ole jatkuvaa. Akkukäyttöisillä lähettimillä alle 10 prosentin toimintasuhde on hyvin käyttökelpoinen.

Tiedonsiirto pellolla nettiin ja netistä pellolle

Tiedonsiirron kapasiteettivaatimusten osalta lähes kaikilla saatavilla olevilla LPWAN yhteyksillä on mahdollista toteuttaa tiedonsiirto pellolta nettiin: LoRaWAN, Sigfox, NB-IoT, LTE-M, LTE Cat 1bis, eRedCap jne..

LPWAN yhteydet soveltuvat parhaiten anturiverkon yksisuuntaiseen tiedonsiirtoon. Säätösalaojituksen ohjaukseen ne ovat hyviä ratkaisuja vain poikkeustapauksissa. Tästä ehkä tarkemmin myöhemmin…

Tarjolla on myös 4G, joka tarjoaa riittävän hyvin toimivan peiton peltoalueille ja pienen kapasiteetin 4G-liittymiä on saatavilla edullisesti. 4G mahdollistaa luotettavan TCP-yhteyden ja MQTT -protokollan päälle rakennetun tiedonsiirron pellolta verkkoon.

Tiedonsiirron toteutus käytännössä

Tiedonsiirto pellolle:

Tiedonsiirron vaatimukset luvussa todettiin MQTT-protokollan mahdollistavan säätösalaojan ohjauksen ilman julkista IP-osoitetta kyseiseen järjestelmään. Käytännössä kukaan ulkopuolinen ei voi ottaa suoraan yhteyttä järjestelmään.

MQTT-protokollan avulla ohjauskäskyt välitetään MQTT-välittäjän (broker) kautta automaatiojärjestelmälle. MQTT -reunasolmu (edge node) tilaa välittäjältä itselleen kuuluvat viestit ja julkaisee ko. välittäjälle omat automaatiojärjestelmän tiedot, kuten esimerkiksi pellon pohjaveden korkeudet ja muut automaation ohjauksessa tarvittavat anturitiedot. Säätösalaojituksen automaatio on ns. asiakas järjestelmässä, samoin kuin selain käytettäessä verkon palveluja. Asiasta tarkemmin MQTT-Starkplug -sivulla.

Tiedonsiirto pellolla:

Pellolla tiedonsiirto tehdään sarjaliikenteenä. Pitkät yhteydet pellolla eivät mahdollista toteuttaa toimivaa TCP/IP-verkkoyhteyttä, jonka MQTT vaatii.

Säätösalaojan ohjaustiedot muutetaan MQTT:n reunasolmussa (Edge Node) sarjaliikenteeksi. Sarjaliikenteessä tieto siirretään Postcard Wire -muodossa, josta tarkemmin Postcard -sivulla ja Rust dokumentaatiossa