Radioverkon hyödyntäminen automaatiojärjestelmissä

Abstract

Tässä opinnäytetyössä tarkastellaan langattoman tiedonsiirron ja radioväyläteknologian kehitystä, soveltuvuutta ja käytännön toteutusta teollisuusautomaation kontekstissa. Työssä perehdyttiin sekä teoreettisen että käytännön ymmärryksen syventäminen radiopohjaisista tiedonsiirtoratkaisuista, erityisesti Modbus-protokollan ja radiomodeemien käytöstä logiikoiden välisessä kommunikaatiossa.

Työssä käsitellään automaation perusteita, tiedonsiirtoprotokollia (Modbus, Pro-fibus, Profinet ja OPC UA) sekä langattomia teknologioita (LoRaWAN, NB-IoT, 5G ja Wi-Fi 6/7). Näiden teknologioiden ominaisuuksia, käyttökohteita ja eroja on analysoitu erityisesti automaatiojärjestelmien näkökulmasta. Lisäksi työssä tarkastellaan radiotekniikan keskeisiä käsitteitä (FSPL, SINR, FEC), antennitekniikkaa ja topologioita (Point-to-Point, Mesh, Cellular), sekä tietoturvaan liittyviä salausmenetelmiä (AES, RSA, ECC).

Käytännön osuudessa toteutettiin oppimisympäristö Tampereen ammattikorkeakoulun automaatiolaboratorioon. Oppimisympäristössä kaksi Siemens SIMATIC S7-1200 -logiikkaa kommunikoivat keskenään radiomodeemien (SATELLINE-EASy UHF) avulla Modbus RTU -protokollaa käyttäen.

Oppimisympäristön avulla testattiin radioväylän toimintaa häiriöolosuhteissa EMC-suojatussa tilassa. Häiriötestauksessa analysoitiin viiveitä, yhteyden kat-keamista ja FEC:n vaikutusta yhteyden luotettavuuteen. Tulokset osoittivat, että yhteys säilyi toimintakykyisenä, kunnes häiriölähteen teho ylitti merkittävästi modeemien lähetystehon. Lisäksi havaittiin, että antennien suuntaus ja heijas-tukset vaikuttavat merkittävästi signaalin laatuun.

Lisäksi työssä pohditaan langattoman tiedonsiirron mahdollisuuksia ja haasteita automaatiojärjestelmissä. Langattomat ratkaisut tarjoavat merkittäviä etuja skaalautuvuuden, kustannustehokkuuden ja joustavuuden näkökulmasta, mutta edellyttävät huolellista suunnittelua, erityisesti tietoturvan, kuuluvuuden ja yhteistoi-mivuuden osalta. Tulevaisuuden kehityssuunnat, kuten TSN, reunalaskenta ja hybridiverkot, avaavat uusia mahdollisuuksia älykkäille ja hajautetuille automaatioratkaisuille.

This thesis examines the development, applicability, and practical implementation of wireless communication and radio link technologies in the context of industrial automation. The aim was to deepen both theoretical and practical understanding of radio-based communication solutions, with a particular focus on the use of the Modbus protocol and radio modems in communication between programmable logic controllers (PLCs).

The theoretical part discusses the fundamentals of automation, communication protocols such as Modbus, Profibus, Profinet, and OPC UA, and wireless technologies including LoRaWAN, NB-IoT, 5G, and Wi-Fi 6/7. Their characteristics, applications, and differences are analysed from the perspective of automation systems. In addition, key radio technology concepts such as FSPL, SINR, FEC, antenna technologies, and network topologies (point-to-point, mesh, cellular) are presented, together with security methods including AES, RSA, and ECC encryption.

The practical part involved building a learning environment in the automation laboratory of Tampere University of Applied Sciences. In this setup, two Siemens SIMATIC S7-1200 controllers communicated via SATELLINE-EASy UHF radio modems using the Modbus RTU protocol. The environment enabled both analog and digital data transmission and was used to test radio link performance under interference conditions in an EMC-shielded room. The tests analysed delays, communication interruptions, and the effect of FEC on reliability. Results showed that communication remained functional until the interference power significantly exceeded the modem transmission power. Antenna orientation and reflections were also found to have a notable impact on signal quality.

Finally, the thesis reflects on the opportunities and challenges of wireless communication in automation systems. Wireless solutions offer scalability, cost efficiency, and flexibility but require careful planning, especially regarding security, coverage, and interoperability. Future developments such as TSN, edge computing, and hybrid networks are expected to open new possibilities for intelligent and distributed automation solutions.