终于自由了!

一目了然 如何开始使用无线 了解扩频 远程控制室接入 简单的无线方法 无线网状网络 栏: 开启无线安全 在线

将几十根或几百根电线和电缆减少到一根或两根，这让大多数控制和自动化工程师感到非常紧张。完全没有电线可能会让他们中的许多人发疯。事实上，无线技术对工业网络来说仍然是陌生的，许多潜在的用户说，他们常常不容易想象他们可以在哪里应用无线功能，最终坚持使用传统的硬连线语言和概念。

“现在的无线很像几年前早期的工业网络。它可能还不适合所有人，但它肯定有一个不断增长的地方，”欧姆龙电子有限责任公司的产品营销经理比尔·阿诺德说。“从大数据文件传输到I/O设备监控和控制，无线技术正被广泛应用于各个领域，许多商业方面的技术正逐步进入工厂车间。这个价值6.4万美元的问题是:无线网络能变得安全吗?答案是:是的。无线网络的价格下降了，其可靠性也提高了，足以使其在许多应用中可行。

阿诺德说:“目前，在工厂车间实现无线通信的首要手段是扩频，因为它可以防止电气噪声和故意干扰，并将发送者与接收者相匹配，让信息通过。”“现在无线最大的问题是时间关键，开/关类型的控制与硬布线相比仍然存在延迟，特别是当无线系统多次尝试将其信息通过时。当你增加更多的保证你的信息会被传递时，你就增加了更多延迟的可能性。无线信息传输的速度和距离也成反比。”

开始

无论是有线还是无线，所有网络项目开发人员都必须首先决定他们要完成的是什么;寻找可能的解决方案;并分析所有的收益、成本和权衡，以选择最佳选择。要通过任何网络传输数据，仍然存在三个基本问题:传输量、传输速度和传输距离。

波形峰值上方的数字(1-16)代表一个典型的跳频模式，这是一个顺序呈现算法的结果，该算法旨在保持主站和远程现代无线电之间的同步。

“要从无线的角度开始思考，还可以问:‘工厂里是否有一种传统上很难传回控制室的信号?或者“你是否希望在现有的应用程序中添加一个信号，而你没有预算，但如果你能花1000美元或1200美元做到这一点，你会尝试吗?”’”Phoenix Contact无线和信号调节市场经理戴维斯·马修斯说。“这些和类似的问题可以帮助人们以新的方式思考他们的植物。人们必须尝试并有意识地考虑在工厂车间使用无线，以免它成为一种无意识的选择。”

当使用直接序列扩频(DSSS)时，在有用信号上叠加一个时钟周期更高的伪随机信号，即巴克码，使其带宽扩宽，通过对扩频信号施加具有正确相序的相同巴克码来获得有用信号。

无线的主要好处是它可以减少材料和劳动力成本，以及在电线无法到达的地方进行控制。一些用户多年来一直使用射频(RF)来监视和控制通常不会受到干扰的长距离低数据速率应用程序。然而，随着无线组件成本的下降和可靠性的提高，这一领域正在扩大和多样化。

例如，RiverStone Group Inc.的工程师正在使用ProSoft的RadioLinx调制解调器和无线以太网交换机来监测压力和流量的微小变化，因为RiverStone的挖泥船每分钟将6000加仑的湿砂通过2000英尺的管道泵到公司70英尺的管道顶部。高分级植物。RadioLinx与罗克韦尔自动化的Allen-Bradley (A-B)通信

ControlLogix处理器和工厂的200R工业PC;数据通过A-B的RSView查看;然后使用Microsoft Access和Excel进行分析。新安装在挖泥船上的声纳也通过RSView显示，使操作人员能够看到其切割臂和水下采石场的沙质底部。

RiverStone公司的企业工程师迈克•戈特瓦尔德(Mike Gottwald)表示:“我们增加的数据收集和灵活性每年为我们节省了大约10万美元。”“此外，使用旧系统，管道每天会堵塞几次。现在我们可以预见到堵塞;自从5月份新系统上线以来，我们还没有见过。”

扩频基础知识

无线通信的主要缺点是，它通常会受到物理障碍、操作机械或其他因素引起的电子噪声和干扰的影响。这可能会影响可靠性和安全性。幸运的是，长期无线用户和标准组织已经解决了这些潜在问题中的许多问题，而其他问题也正在得到解决。

例如，扩频技术在第二次世界大战期间发展起来，并于20世纪90年代初开放用于商业开发，它通过将信号按预设模式划分到许多信道中，然后从相同的表观噪声部分重新组合或关联它们，解决了许多干扰和安全问题。同样，数字分组交换更有效地组织信号，以实现更快、更大容量的传输。

扩频的两个主要子集是跳频和直接序列(见扩频图)。跳频扩频(FHSS)是通过两端收发器在每个频率上的预定时间来防止干扰。直接序列扩频(DSSS)使用数字代码来标识打算相互通信的单元，这可以防止任何其他可能跳到网络上的通信。

挥之不去的干扰

然而，一些批评人士指出，干扰与被黑客入侵不同，900 mhz至5.4 GHz的工业、科学和医疗(ISM)频段，包括扩频，仍然是未经许可的，在法律上不受干扰。他们补充说，扩频本身并不安全或可靠，因为它被设计得很容易接收。因此，它不仅容易被截获，而且其接收机更容易受到互调失真、阻塞、去感等窄带现象的影响。

虽然扩频使用一种称为过程增益的技术来减少窄带干扰，但一些观察人士表示，制造商显然并不关心这一点，而是以最低要求的速率传播信号，以将功率提高到监管限制。这些扩展速率有时应用于数据传输速率以下，这意味着它们没有处理增益，并且易受频带上所有干扰的影响。过程增益类似于宽带调频信号的静音效果，用户需要在实现无线系统之前询问它。

无线技术的支持者说，为了避免可能出现的问题，潜在用户必须在自己的应用程序和设备中尝试解决方案，因为每种设置都有自己的特点。大多数无线制造商都非常乐意为用户提供解决方案进行试用，甚至鼓励用户尝试，让他们失败。

现场控制室

除了使用无线技术减少前往现场的次数外，一些工程师还通过随身携带相当于他们的控制室的设备，使用无线技术更频繁地进入现场。例如，总部位于冰岛的系统集成商Vista工程公司正在使用美国国家仪器公司(NI)的LabView 7 Express PDA模块，用于Palm和Pocket PC手持设备，用于污水处理厂的25个泵站，以将输入变化(包括参数和控制回路调整)传回中央控制系统。NI报告称，这是无线技术首次允许工厂车间的pda执行分布式控制功能。

Vista在10多年前就开始使用LabView来监控这些电台，LabView带有以太网串行端口、Kantronics的TNC无线电调制解调器、Maxon的双向调频UHF无线电以及一个三单元八木天线，以确保25个电台周围10英里的半径。这个解决方案的成本大约是每站100美元，远远低于租用双向电话线每年每站2000美元的成本。

污水泵站数据使用施耐德电气的27型和37型telemechanque plc进行预处理，包括有关警报、能源使用、流量、启动和停止次数、泵运行时间和综合使用以及每年总溢出时间和分钟计算的信息。“无线电部分一直稳定且易于使用。个人电脑和软件的难度更大，”Vista的安德烈斯•托拉林松(Andres Thorarinsson)说。“我们现在正在开发第四个软件版本，LabView 6.1。泵站警报由我们的中央办公室接收和处理，或通过电子邮件发送到我们的移动电话。如果有警报，我们可以在一个安全的网站上查看。我们都可以更多地呆在家里。”

事实上，Vista的无线网络和它的LabView Vista Vision插件驱动程序是如此适应其他应用程序，它现在被用来监测:当地气象站使用Campbell CR10X数据记录器，建筑能源使用NI的FieldPoint 2000，和附近的车辆交通使用Nu-Metric交通计数器。

同样，位于北卡罗来纳州的Metrolina Greenhouses也使用了Cimtec自动浇水系统，该系统由GE发那科自动化公司的90-30系列plc和运行在有线和无线以太网上的simplicity软件控制。该系统以前使用的是通过软管连接的光纤主干网，但种植者要花很长时间才能到达每个simplicity服务器来控制自动化系统。Cimtect安装了移动simplicity PalmView，它使用通用发那科ThinView在康柏iPAQ pda上运行，允许种植者在Metrolina 80英亩温室的30英亩区域的任何地方无线编程、使用和维护他们的系统。除了节省时间和成本外，地铁公司还可以更好地控制环境，并可以在飞行中添加自动化组件和参数。

霍尼韦尔工业解决方案的移动站过程知识系统(PKS)使用802.11b和瘦客户端格式，允许用户携带完整的操作员控制台进入现场。移动站PKS产品经理John Tillotson表示，该技术主要应用于石化行业，并与霍尼韦尔的PlantScape和Experion PKS解决方案相结合。

“大多数人害怕无线，因为他们担心信号会被黑客追踪，但这很容易通过802.11软件防火墙和/或使用加密来防止。这些都不会显著影响今天的网络速度，”蒂洛森说。

4-20 mA保持无线简单

Phoenix Contact和Omnex Control Systems Inc.没有采用基于现场总线或以太网的无线策略，而是将无线技术的重点放在工厂用户身上，这些用户可能不太关心编程，而更关心的是简单地接收信号。Phoenix的Mathews表示，他的公司希望FHSS能够无线模仿其有线4- 20ma信号调节器的纯I/O采集和传输能力，这些信号调节器直接安装在I/O设备的终端上。

“我们在设备上接受4-20毫安的数据，然后在无线电链路的另一端发回。因此，对于电工来说，无线网络现在看起来和有线网络一样，”Omnex总裁Åke Severinson说。“然而，似乎工程、控制和自动化领域的每个人都来自密苏里州。他们必须看到它的工作，所以我们做了很多演示。当他们看到在自己的环境中让无线失败是多么困难时，他们就开始相信了。”此外，Omnex的解决方案的成本通常只有电线电缆的十分之一。

通过与Omnex的可信无线I/O和数据无线电合作，Phoenix开发了测量控制规则-无线电模拟数字(MCR-RAD)，该规则以96波特传输小数据包，通常为16-18位，功率相对较高，最高可达联邦法规允许的1瓦。这使得MCR-RAD的信号能够更好地穿透物体并传输更远的距离。

“不需要编程或协议，我们不需要大数据包，因为这只是原始的4- 20ma数据，”Mathews说。由于MCR-RAD不需要总线系统，它可以用于任何数字或模拟信号，只需将发射器直接连接到您想要测量其性能的设备上。我们仍然在点对点工作，只是其中一个点是无线多路复用器。”

R.E. Pedrotti公司的Marc Pedrotti说，他的公司已经在堪萨斯州的几个市政水处理设施中使用了MCR无线模块进行系统集成。例如，在堪萨斯州的Olathe，当一条新道路切断了监控和数据采集系统与泵站之间的线路时，市政当局决定使用MCR无线电在1000英尺的范围内发送信号，而不是安装通常的电线和管道。

鉴于已经节省的成本，Olathe和Pedrotti可能很快将MCR模块用于下水道监测应用，这将包括检查Parshall水槽上的超声波流量计。佩德罗蒂说，一个基于电话的调制解调器监测4-20毫安信号已被证明是不可靠的，另一个使用无线电、无线电终端单元(RTU)和PLC的提议据报道将花费3500到4000美元。菲尼克斯基于mcr的解决方案的成本约为1,300至1,400美元，不会产生每月10-80美元的电话费。MCR模块也可以用在另一个城镇的水塔上，所以4- 20ma的信号可以发送回市政厅，消除了人工监控的需要。

由于最初的MCR-RAD是单向的，只能监测数据，菲尼克斯最近推出了双向无线电收发器MCR-RT，用户可以通过4个模拟或8个数字I/O点进行控制和驱动。Omnex和Phoenix也宣布他们正在开发一种点对多点设备。

网目和织物

无线的灵活性及其提供足够覆盖范围的需求激发了一些开发人员，使他们的节点不再局限于发送和接收消息，而是开始充当相邻设备的路由器。这个策略创造了一个无线设备的网状结构，Ember公司称之为无线网状网络。这种无线网络由麻省理工学院媒体实验室开发，Ember公司制造，也可以被定义为点对点或自组织的多跳网络。这种通过中间节点的路由不仅快速(大约100毫秒)，而且还可以自我配置和自我修复，因为如果一个链路失败，数据包将自动通过备用路径重新路由。

在无线机械网络中，如果一个节点发生故障，那么消息将自动通过备用路径路由。

泰科热控有限责任公司(Tyco Thermo Controls LLC)是炼油厂储罐和管道加热器的制造商，最近实施了Ember的无线网状网络，以取代布线，避免了以前点对点无线解决方案所需要的重复视线调整。

“点对点的刚性很难按照现场规范进行调试，而且很难维护。泰科赛默电子事业部总经理肯·麦考伊说:“无线网络的方法很有意义，因为单个节点只需要看到它们的邻居，而不需要整个网络预先确定所有的路径。”“我们对它进行了测试，它对我们来说效果很好，即使是在重型挤压设备、水泥墙和电源开关中。在没有局域网(LAN)的旧设备中，你只需要插入几个节点，打开一点电源，就可以把所有的温度点带回中央面板，而不需要任何布线成本。这真的让一项新技术可以监控一项旧技术。”

开启无线安全

Pexx Inc.副总裁兼首席运营官帕尔默•格林表示:“无线网络和有线网络一样安全，在很多情况下，无线网络甚至更安全。”大胆的话，但只有在您不知道无线网络和应用程序可用的安全性的情况下。格林有几点建议:

打开它。实现通常已经安装在大多数产品和系统中，但大多数用户不会花时间激活的安全特性。这包括大多数无线接入点的基本安全功能，以及大多数无线设备附带的128位和152位加密功能。

使用IEEE 802.1x安全方案，使用用户名、密码和证书登录。许多无线设备也已经内置了此功能，并支持动态安全加密方案。它基于每个用户、每个会话，并且可以定时更改。

采用智能交换，类似于以太网交换。许多无线设备可以根据用户/客户端的媒体访问控制地址(MAC)包括或排除用户/客户端，这可以用来防止未经授权的访问。

获得专业意见，既可以帮助评估所考虑的无线系统的相对暴露，也可以帮助实施最合适的解决方案。此外，使用常识并对数据进行价值评估。如果有人进入你的网络，风险有多大?如果他们所能做的就是访问互联网，那么这种访问只是一种刺激。但是，如果广播数据可以用于驱动或控制，那么潜在的风险就很高，可能需要多个授权。

考虑使用安全路由实现虚拟专用网络(VPN)，允许通信沿着一条无法被拦截的路由进行。

无线类型和配置文件

类型	乐队	比特率	名字	事实/应用程序
来源:控制工程与数据从矩阵和IEEE
IEEE 802.11克ydF4y2Ba	2.4 GHz	1 - 2 Mbps		100米max。，所有类型
IEEE 802.11	(5) 2.4 GHz	54 Mbps
IEEE 802.11 b	2.4 GHz	11 Mbps	无线网络	14岁
IEEE 802.11克	2.4 GHz	54 Mbps	无线个域网	预计批准6/03
IEEE 802.11 h	5.4 GHz	54 Mbps		正在开发的
IEEE 802.11 e				在媒体访问控制(MAC)层开发，以提高服务质量，并提高语音和视频的效率。
IEEE 802.11我				也在MAC层开发，以更好地解决安全和加密问题。
IEEE 802.15	2.4 GHz	722 - 784 kbps	蓝牙	十米级max。
无线应用协议			WAP	基于无线标记语言(WML)，由WAP论坛管理
第三代	2 Mbps		3 g	移动应用384kbps;由国际电信联盟(ITU)管理

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