工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無線技術應用及發(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服務平臺 防爆電氣、防爆電機、防爆通訊、防爆空調(diào) 瀏覽 2425 次 評論 0 次
1.無線技術已成為工業(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實施戰(zhàn)略及參考架構”都將無線技術作為工業(yè)4.0網(wǎng)絡通信技術研究和創(chuàng)新中的重要組成部分，其計劃在2018年實現(xiàn)公眾5G網(wǎng)絡基礎設施的設計和標準，為工業(yè)提供廣域網(wǎng)絡服務；2020年，在工業(yè)4.0中實現(xiàn)新的無線局域網(wǎng)和近場技術的使用。
美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟IIC同樣重視無線技術在工業(yè)中的應用。聯(lián)盟專門成立了網(wǎng)絡連接組來開展網(wǎng)絡技術的研究。網(wǎng)絡連接組將工業(yè)網(wǎng)絡分為連接傳輸層和連接，其中Wi-Fi、NFC、zigbee、2G/3G/4G等無線技術成為連接傳輸層的重要技術，如下圖1所示。并在網(wǎng)絡連接文檔中對網(wǎng)絡的時延、可靠性、可擴展性等都有明確的規(guī)定。
圖1 IIC網(wǎng)絡連接架構
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在工業(yè)中的應用，是因為無線網(wǎng)絡相比于現(xiàn)有的工業(yè)有線網(wǎng)絡具有明顯的優(yōu)勢。一是可大幅降低網(wǎng)絡建設和維護成本。無線網(wǎng)絡能夠快速部署，無須在現(xiàn)場、車間、廠房等環(huán)境鋪設線纜及相關保護裝置。使用無線技術將使測控系統(tǒng)的安裝與維護成本降低。二是提高生產(chǎn)線的靈活性，無線技術實現(xiàn)了現(xiàn)場設備的移動性，提高了生產(chǎn)設備部署的靈活性，可以根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)及應用需求，快速的實現(xiàn)生產(chǎn)線的重構，為實現(xiàn)柔性生產(chǎn)線奠定技術基礎。三是實現(xiàn)部署環(huán)境的廣泛性，由于無線技術突破線纜部署限制，具有mesh、星型等多種網(wǎng)絡部署架構，在各種工業(yè)場景下都可實現(xiàn)快速部署。
2.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用對無線技術提出新的挑戰(zhàn)
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對通信網(wǎng)絡提出了新要求，按照使用范圍劃分，通信網(wǎng)絡分為工廠內(nèi)和工廠外兩大類，工廠內(nèi)網(wǎng)絡主要承載控制類、采集類和交互類業(yè)務，各類業(yè)務對網(wǎng)絡的性能要求也不相同，如承載控制類業(yè)務的網(wǎng)絡需要具備低時延（端到端時延毫秒級，時延抖動微秒級）、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)務的網(wǎng)絡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)務的網(wǎng)絡需要具備高傳輸速率（體驗速率Gbps）的能力。工廠外網(wǎng)絡承載主要有控制類、采集類、交互類和單項傳送類四類業(yè)務。與工廠內(nèi)業(yè)務相似，工廠外的四類業(yè)務對通信網(wǎng)絡也有同樣的要求，特別是部分工廠外采集類業(yè)務還要求網(wǎng)絡支持高移動接入能力（500km/h）。
因此，無線網(wǎng)絡要想應用在工業(yè)中，還需要根據(jù)其應用環(huán)境-工廠內(nèi)還是工廠外，以及承載的業(yè)務不同，進行不同程度的優(yōu)化設計。在無線技術設計和應用中，主要考慮以下方面:
一是工廠環(huán)境電磁環(huán)境復雜，無線網(wǎng)絡的干擾源較多。應用工業(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嚴重，馬達、器械運轉時產(chǎn)生電磁噪聲會對無線通信產(chǎn)生干擾,在無線網(wǎng)絡及空口技術設計及實際部署時，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)等大量設備需要同時接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，對無線網(wǎng)絡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)絡具備至少300個設備同時接入的能力。三是現(xiàn)有的無線技術在滿足工業(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)應用的需求，如控制時延ms級，可靠性達到99.999%等，需要進一步提升。第四無線技術與工業(yè)設備、儀表的融合還需加強，由于工業(yè)設備及儀表許多都工作在高溫、高濕等環(huán)境下，同時又有本質(zhì)防爆的要求，這對無線芯片設計及封裝等工藝提出較高的要求。
3.無線技術向工業(yè)領域滲透，并呈現(xiàn)兩條演進路徑
無線技術逐步向工業(yè)領域滲透，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。目前無線技術主要用于設備及產(chǎn)品信息的采集、非實時控制和實現(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WIA-PA、WirelessHART及ISA100.11a等技術已在工廠內(nèi)獲得部分使用。同時無線技術正逐步向工業(yè)實時控制領域滲透，成為現(xiàn)有工業(yè)有線控制網(wǎng)絡有力的補充或替代。
從技術演進上來看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無線技術主要呈現(xiàn)兩大技術路徑：一是現(xiàn)有技術演進路徑，包含傳統(tǒng)短距離技術演進和移動網(wǎng)技術（包含2G/3G/4G）技術演進，如圖2所示；二是新技術路徑，主要包含新的短距離技術及5G等無線通信技術。
圖2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有技術演進路徑
目前IEC/ISO已經(jīng)針對工業(yè)制定了專用的無線通信技術，包括WIA/WirelessHART/ISA100.11a，其在可靠性、抗干擾、時延保障等方面都做了大量的技術優(yōu)化。移動蜂窩網(wǎng)目前主要面向物聯(lián)網(wǎng)進行優(yōu)化，在工業(yè)環(huán)境中的應用還處于初期階段，后續(xù)的技術演進還在探討中。
4.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡部署將以疊加為主、融合為輔
由于工業(yè)控制系統(tǒng)自成體系，并以穩(wěn)定可靠為第一準則，因此工業(yè)企業(yè)對其改動都非常謹慎小心，但工業(yè)制造及工業(yè)服務等企業(yè)等對生產(chǎn)設備、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，所謂疊加方式是指在現(xiàn)有工廠網(wǎng)絡之外建設無線網(wǎng)絡，用于采集設備及產(chǎn)品信息，并進行非實時性及部分場景實時的設備控制。也有些企業(yè)在嘗試采用融合方式來部署無線網(wǎng)絡，即用無線網(wǎng)絡逐步取代部分現(xiàn)有的工業(yè)控制網(wǎng)絡（如現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)），實現(xiàn)信息采集和控制的無線化。
結語
目前，無線技術憑借著部署容易、建設成本低、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)絡發(fā)展及應用的重要方向。工業(yè)環(huán)境及工業(yè)應用需求也將推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無線的技術發(fā)展及演進。
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