工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢
2016年6月14日 來源：防爆云平臺--防爆產(chǎn)業(yè)鏈一站式O2O服務(wù)平臺 防爆電氣、防爆電機(jī)、防爆通訊、防爆空調(diào) 瀏覽 2185 次 評論 0 次
1.無線技術(shù)已成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重要發(fā)展方向
德國“工業(yè)4.0研發(fā)白皮書”及“工業(yè)4.0實(shí)施戰(zhàn)略及參考架構(gòu)”都將無線技術(shù)作為工業(yè)4.0網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)研究和創(chuàng)新中的重要組成部分，其計(jì)劃在2018年實(shí)現(xiàn)公眾5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)，為工業(yè)提供廣域網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；2020年，在工業(yè)4.0中實(shí)現(xiàn)新的無線局域網(wǎng)和近場技術(shù)的使用。
美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟IIC同樣重視無線技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用。聯(lián)盟專門成立了網(wǎng)絡(luò)連接組來開展網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。網(wǎng)絡(luò)連接組將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)分為連接傳輸層和連接，其中Wi-Fi、NFC、zigbee、2G/3G/4G等無線技術(shù)成為連接傳輸層的重要技術(shù)，如下圖1所示。并在網(wǎng)絡(luò)連接文檔中對網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、可靠性、可擴(kuò)展性等都有明確的規(guī)定。
圖1 IIC網(wǎng)絡(luò)連接架構(gòu)
德國工業(yè)4.0和美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之所以重視無線技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用，是因?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)相比于現(xiàn)有的工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)具有明顯的優(yōu)勢。一是可大幅降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)成本。無線網(wǎng)絡(luò)能夠快速部署，無須在現(xiàn)場、車間、廠房等環(huán)境鋪設(shè)線纜及相關(guān)保護(hù)裝置。使用無線技術(shù)將使測控系統(tǒng)的安裝與維護(hù)成本降低。二是提高生產(chǎn)線的靈活性，無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備的移動性，提高了生產(chǎn)設(shè)備部署的靈活性，可以根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)及應(yīng)用需求，快速的實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的重構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)線奠定技術(shù)基礎(chǔ)。三是實(shí)現(xiàn)部署環(huán)境的廣泛性，由于無線技術(shù)突破線纜部署限制，具有mesh、星型等多種網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)，在各種工業(yè)場景下都可實(shí)現(xiàn)快速部署。
2.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對無線技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對通信網(wǎng)絡(luò)提出了新要求，按照使用范圍劃分，通信網(wǎng)絡(luò)分為工廠內(nèi)和工廠外兩大類，工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)主要承載控制類、采集類和交互類業(yè)務(wù)，各類業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的性能要求也不相同，如承載控制類業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)需要具備低時(shí)延（端到端時(shí)延毫秒級，時(shí)延抖動微秒級）、高可靠（數(shù)據(jù)傳輸成功率99.999%）、高同步精度（百納秒級）的能力；承載采集業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)需要具備高密度接入（百萬連接/平方公里）、低功耗（使用超過10年以上）的能力；承載交互類業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)需要具備高傳輸速率（體驗(yàn)速率Gbps）的能力。工廠外網(wǎng)絡(luò)承載主要有控制類、采集類、交互類和單項(xiàng)傳送類四類業(yè)務(wù)。與工廠內(nèi)業(yè)務(wù)相似，工廠外的四類業(yè)務(wù)對通信網(wǎng)絡(luò)也有同樣的要求，特別是部分工廠外采集類業(yè)務(wù)還要求網(wǎng)絡(luò)支持高移動接入能力（500km/h）。
因此，無線網(wǎng)絡(luò)要想應(yīng)用在工業(yè)中，還需要根據(jù)其應(yīng)用環(huán)境-工廠內(nèi)還是工廠外，以及承載的業(yè)務(wù)不同，進(jìn)行不同程度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在無線技術(shù)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，主要考慮以下方面:
一是工廠環(huán)境電磁環(huán)境復(fù)雜，無線網(wǎng)絡(luò)的干擾源較多。應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)場、車間、廠房等場景電磁環(huán)境較為復(fù)雜，各種大型器械、金屬管道等對無線信號的反射、散射造成的多徑效應(yīng)嚴(yán)重，馬達(dá)、器械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生電磁噪聲會對無線通信產(chǎn)生干擾,在無線網(wǎng)絡(luò)及空口技術(shù)設(shè)計(jì)及實(shí)際部署時(shí)，要考慮電磁干擾對無線傳輸性能的影響。二是有限空間內(nèi)傳感、控制、作業(yè)等大量設(shè)備需要同時(shí)接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，對無線網(wǎng)絡(luò)的接入能力提出較高要求。根據(jù)歐盟工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頻率需求材料測算，要求在100平方米的生產(chǎn)車間內(nèi)，通信網(wǎng)絡(luò)具備至少300個(gè)設(shè)備同時(shí)接入的能力。三是現(xiàn)有的無線技術(shù)在滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高速率、高可靠性、廣泛互聯(lián)等方面還無法滿足工業(yè)應(yīng)用的需求，如控制時(shí)延ms級，可靠性達(dá)到99.999%等，需要進(jìn)一步提升。第四無線技術(shù)與工業(yè)設(shè)備、儀表的融合還需加強(qiáng)，由于工業(yè)設(shè)備及儀表許多都工作在高溫、高濕等環(huán)境下，同時(shí)又有本質(zhì)防爆的要求，這對無線芯片設(shè)計(jì)及封裝等工藝提出較高的要求。
3.無線技術(shù)向工業(yè)領(lǐng)域滲透，并呈現(xiàn)兩條演進(jìn)路徑
無線技術(shù)逐步向工業(yè)領(lǐng)域滲透，呈現(xiàn)從信息采集到生產(chǎn)控制，從局部方案到全網(wǎng)方案的發(fā)展趨勢。目前無線技術(shù)主要用于設(shè)備及產(chǎn)品信息的采集、非實(shí)時(shí)控制和實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)部信息化等，Wi-Fi、Zigbee、2G/3G/LTE、面向工業(yè)過程自動化的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA-PA、WirelessHART及ISA100.11a等技術(shù)已在工廠內(nèi)獲得部分使用。同時(shí)無線技術(shù)正逐步向工業(yè)實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域滲透，成為現(xiàn)有工業(yè)有線控制網(wǎng)絡(luò)有力的補(bǔ)充或替代。
從技術(shù)演進(jìn)上來看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)主要呈現(xiàn)兩大技術(shù)路徑：一是現(xiàn)有技術(shù)演進(jìn)路徑，包含傳統(tǒng)短距離技術(shù)演進(jìn)和移動網(wǎng)技術(shù)（包含2G/3G/4G）技術(shù)演進(jìn)，如圖2所示；二是新技術(shù)路徑，主要包含新的短距離技術(shù)及5G等無線通信技術(shù)。
圖2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有技術(shù)演進(jìn)路徑
目前IEC/ISO已經(jīng)針對工業(yè)制定了專用的無線通信技術(shù)，包括WIA/WirelessHART/ISA100.11a，其在可靠性、抗干擾、時(shí)延保障等方面都做了大量的技術(shù)優(yōu)化。移動蜂窩網(wǎng)目前主要面向物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用還處于初期階段，后續(xù)的技術(shù)演進(jìn)還在探討中。
4.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)部署將以疊加為主、融合為輔
由于工業(yè)控制系統(tǒng)自成體系，并以穩(wěn)定可靠為第一準(zhǔn)則，因此工業(yè)企業(yè)對其改動都非常謹(jǐn)慎小心，但工業(yè)制造及工業(yè)服務(wù)等企業(yè)等對生產(chǎn)設(shè)備、環(huán)境、生產(chǎn)工具等數(shù)據(jù)的需求又很迫切，加之有線部署成本過高，且難度較大，因此紛紛采用疊加方式來部署無線網(wǎng)絡(luò)，所謂疊加方式是指在現(xiàn)有工廠網(wǎng)絡(luò)之外建設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)，用于采集設(shè)備及產(chǎn)品信息，并進(jìn)行非實(shí)時(shí)性及部分場景實(shí)時(shí)的設(shè)備控制。也有些企業(yè)在嘗試采用融合方式來部署無線網(wǎng)絡(luò)，即用無線網(wǎng)絡(luò)逐步取代部分現(xiàn)有的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)（如現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)），實(shí)現(xiàn)信息采集和控制的無線化。
結(jié)語
目前，無線技術(shù)憑借著部署容易、建設(shè)成本低、適用環(huán)境廣泛等優(yōu)勢，逐漸成為未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)發(fā)展及應(yīng)用的重要方向。工業(yè)環(huán)境及工業(yè)應(yīng)用需求也將推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無線的技術(shù)發(fā)展及演進(jìn)。
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