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工业互联网无线技术应用及发展趋势

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供稿:中国工控网 2016/6/15 11:32:50

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  1.无线技术已成为工业互联网重要发展方向

  德国“工业4.0研发白皮书”及“工业4.0实施战略及参考架构”都将无线技术作为工业4.0网络通信技术研究和创新中的重要组成部分,其计划在2018年实现公众5G网络基础设施的设计和标准,为工业提供广域网络服务;2020年,在工业4.0中实现最新的无线局域网和近场技术的使用。

  美国工业互联网联盟IIC同样重视无线技术在工业中的应用。联盟专门成立了网络连接组来开展网络技术的研究。网络连接组将工业网络分为连接传输层和连接,其中Wi-Fi、NFC、zigbee、2G/3G/4G等无线技术成为连接传输层的重要技术,如下图1所示。并在网络连接文档中对网络的时延、可靠性、可扩展性等都有明确的规定。

  德国工业4.0和美国工业互联网之所以重视无线技术在工业中的应用,是因为无线网络相比于现有的工业有线网络具有明显的优势。一是可大幅降低网络建设和维护成本。无线网络能够快速部署,无须在现场、车间、厂房等环境铺设线缆及相关保护装置。使用无线技术将使测控系统的安装与维护成本降低。二是提高生产线的灵活性,无线技术实现了现场设备的移动性,提高了生产设备部署的灵活性,可以根据工业生产及应用需求,快速的实现生产线的重构,为实现柔性生产线奠定技术基础。三是实现部署环境的广泛性,由于无线技术突破线缆部署限制,具有mesh、星型等多种网络部署架构,在各种工业场景下都可实现快速部署。

  图1 IIC网络连接架构

  2.工业互联网应用对无线技术提出新的挑战

  工业互联网对通信网络提出了新要求,按照使用范围划分,通信网络分为工厂内和工厂外两大类,工厂内网络主要承载控制类、采集类和交互类业务,各类业务对网络的性能要求也不相同,如承载控制类业务的网络需要具备低时延(端到端时延毫秒级,时延抖动微秒级)、高可靠(数据传输成功率99.999%)、高同步精度(百纳秒级)的能力;承载采集业务的网络需要具备高密度接入(百万连接/平方公里)、低功耗(使用超过10年以上)的能力;承载交互类业务的网络需要具备高传输速率(体验速率Gbps)的能力。工厂外网络承载主要有控制类、采集类、交互类和单项传送类四类业务。与工厂内业务相似,工厂外的四类业务对通信网络也有同样的要求,特别是部分工厂外采集类业务还要求网络支持高移动接入能力(500km/h)。

  因此,无线网络要想应用在工业中,还需要根据其应用环境-工厂内还是工厂外,以及承载的业务不同,进行不同程度的优化设计。在无线技术设计和应用中,主要考虑以下方面:

  一是工厂环境电磁环境复杂,无线网络的干扰源较多。应用工业互联网的现场、车间、厂房等场景电磁环境较为复杂,各种大型器械、金属管道等对无线信号的反射、散射造成的多径效应严重,马达、器械运转时产生电磁噪声会对无线通信产生干扰,在无线网络及空口技术设计及实际部署时,要考虑电磁干扰对无线传输性能的影响。二是有限空间内传感、控制、作业等大量设备需要同时接入工业互联网,对无线网络的接入能力提出较高要求。根据欧盟工业互联网频率需求材料测算,要求在100平方米的生产车间内,通信网络具备至少300个设备同时接入的能力。三是现有的无线技术在满足工业互联网高速率、高可靠性、广泛互联等方面还无法满足工业应用的需求,如控制时延ms级,可靠性达到99.999%等,需要进一步提升。第四无线技术与工业设备、仪表的融合还需加强,由于工业设备及仪表许多都工作在高温、高湿等环境下,同时又有本质防爆的要求,这对无线芯片设计及封装等工艺提出较高的要求。

  3.无线技术向工业领域渗透,并呈现两条演进路径

  无线技术逐步向工业领域渗透,呈现从信息采集到生产控制,从局部方案到全网方案的发展趋势。目前无线技术主要用于设备及产品信息的采集、非实时控制和实现工厂内部信息化等,Wi-Fi、Zigbee、2G/3G/LTE、面向工业过程自动化的工业无线网络WIA-PA、WirelessHART及ISA100.11a等技术已在工厂内获得部分使用。同时无线技术正逐步向工业实时控制领域渗透,成为现有工业有线控制网络有力的补充或替代。

  从技术演进上来看,工业互联网无线技术主要呈现两大技术路径:一是现有技术演进路径,包含传统短距离技术演进和移动网技术(包含2G/3G/4G)技术演进,如图2所示;二是新技术路径,主要包含新的短距离技术及5G等无线通信技术。

  图2 工业互联网现有技术演进路径

  目前IEC/ISO已经针对工业制定了专用的无线通信技术,包括WIA/WirelessHART/ISA100.11a,其在可靠性、抗干扰、时延保障等方面都做了大量的技术优化。移动蜂窝网目前主要面向物联网进行优化,在工业环境中的应用还处于初期阶段,后续的技术演进还在探讨中。

  4.工业互联网无线网络部署将以叠加为主、融合为辅

  由于工业控制系统自成体系,并以稳定可靠为第一准则,因此工业企业对其改动都非常谨慎小心,但工业制造及工业服务等企业等对生产设备、环境、生产工具等数据的需求又很迫切,加之有线部署成本过高,且难度较大,因此纷纷采用叠加方式来部署无线网络,所谓叠加方式是指在现有工厂网络之外建设无线网络,用于采集设备及产品信息,并进行非实时性及部分场景实时的设备控制。也有些企业在尝试采用融合方式来部署无线网络,即用无线网络逐步取代部分现有的工业控制网络(如现场总线和以太网),实现信息采集和控制的无线化。

  结语

  目前,无线技术凭借着部署容易、建设成本低、适用环境广泛等优势,逐渐成为未来工业互联网中网络发展及应用的重要方向。工业环境及工业应用需求也将推动工业互联网无线的技术发展及演进。 


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