无线网络如何改变工业环境

无线网络正在改变全球的工业工厂和制造业务。基于IEEE 802.15.4标准，工业、制造和仓储应用中从有线网络到无线网络的演变主要是由降低成本、提高正常运行时间、节约能源和提高工作场所安全的需求所驱动的。

在仓库、工厂和工业设施工作的人发现无线网络可以大大降低网络安装和维护费用。由于IEEE 802.15.4无线技术可以在整个工厂内传输数据，穿透墙壁和地板，它消除了布线成本和电缆布线问题，同时对设备的位置和放置的限制更少。

它的安装速度也更快，这是转向无线的另一个因素，特别是对于那些需要快速有效地重新配置制造和装配线以确保最小化停机时间的工厂来说。

通过使用无线来重新配置或改变装配线的物理布局，工厂经理可以简单地将机器移动到新的位置并打开无线网络，无需重新布线或安装电缆。

维护和维修成本是工厂管理人员面临的另一个挑战，使用无线通信而不是电缆可以降低成本。

开关在工业和交通控制中起着至关重要的作用，监测门、臂架和阀门的位置和存在。然而，有线开关和传感器的安装和维护往往是一个挑战，特别是在恶劣的环境或电线经常弯曲的地方。此外，在正常的设备运行过程中，传统的电线可能会造成跳闸危险或损坏，从而导致昂贵的停机时间。

无线交换机有助于降低维护成本，因为设备连接不那么复杂。通过消除传感器和开关的布线，工厂管理人员可以简化故障排除。在某些情况下，使用电池供电的开关和传感器完全不需要使用任何电缆。无线网络还通过消除由布线或连接器引起的连续性问题来提高系统可靠性。

此外，无线设备更容易更换或重新配置。例如，不需要断开和重新连接电线，这也消除了不正确的电线连接的风险。在许多情况下，安装新的无线网络比更换现有损坏的电线更便宜、更快，因为更换电线需要时间进行故障排除和更换，导致大量停机时间。

无线不仅仅适用于工厂内部。无线通常是户外应用的最佳网络技术，例如航运中心、仓库、木材场、机场、加油站等。在大型开放场所尤其如此，因为地下电缆经常面临恶劣环境因素以及重型车辆穿越的风险。在宽阔的车道下检修损坏的电缆可能需要数周的时间。相比之下，用有线网络替换它可能需要几个小时，而且便宜得多。

工业无线骨干网

IEEE 802.15.4标准是一个健壮的无线个人区域网络(PAN)，专门针对工业监控中常用的低功耗、低带宽网络。

它是这样工作的:一个集成了工业交换机或传感器的IEEE 802.15.4收发器与一个可以处理星型网络中的多个交换机的监控接收机通信。每个网络以及网络中的每个无线设备都有一个唯一的标识号，允许设备及其相关的监视器对其信号进行编码。这确保了它们之间的通信链路是私有的，并且实际上不受来自其他交换机或网络的串扰的影响。

这些802.15.4无线电在大型室内开放空间和/或室外装置中提供可靠的连接，设备和监视器之间的视线相对开放。35db的链路裕度可以确保小的障碍甚至大的降水都不会影响通信。在某些装置中，根据材料的不同，信号可以穿透中间的墙壁。这也防止了卡车或其他移动设备在传感器和接收器之间移动时的临时中断。

IEEE 802.15.4无线电的允许工作范围大于1000英尺(304米)，在强降水等极端条件下，信号可能会减少约75英尺(23米)。

由于802.15.4设备耗电量很少，因此它们可以使用工业标准电池，以实现可靠的运行和多种安装选项。它们还消除了依赖于情况、不可靠和昂贵的能量清除的需要。无线传感器或开关可能在不更换电池或充电的情况下运行数年，这取决于设计。

通常，无线网络中的监视器/接收机单元可以支持一个设备或多个设备。例如，一个接收器可以支持多达14个远程电池供电的无线设备。控制器可以监控传感器和开关状态、信号强度和网络上每个设备的电池电量。如果电池开始耗尽，或开关堵塞，操作员将立即知道并采取纠正措施。

无线开/关控制器也可用。这些无线操作界面设备由电池供电，可以方便地定位操作，而无需花费大量时间将其连接到控制网络或电源。

下一页有更多无线工业照片和链接，包括有关无线干扰、安全性和灵活性的信息。

无干扰，安全

因为IEEE 802.15.4是一个PAN标准，它独立于其他常见的无线局域网技术(如蓝牙、Wi-Fi和无绳电话)运行。即使它们可能在相同的2.4 Ghz频谱范围内工作，这意味着PAN和LAN之间没有信息交换或其他交互，消除了企业IT部门参与的需要。

为了确保安全的通信链路，IEEE 802.15.4无线电可以设置为要求与他们的网络监视器注册。这个注册或“配对”过程需要不到5秒的时间，并且只需要执行一次就可以建立链接。一旦设备和它的监视器配对，只要两者都有电，它们就会交换信息。

IEEE 802.15.4安全技术是配对过程的一部分。当注册被激活时，监视器向交换机提供了几条信息。第一个是监视器的个人16位网络标识号，监视器在上电时选择该标识号以避免与附近的其他网络冲突。第二个是监视器创建的无线设备的唯一16位地址。第三个数据是一个128位的加密密钥，这对搭档将用于编码未来的通信。一旦交换了信息，交换机和监控器就用它来对它们交换的信号进行寻址和编码。

一旦建立，即使显示器失去电源或更换开关中的电池，配对也能保持。保证了网络的自修复性，简化了系统维护。监控器可以自动重新建立到已注册交换机的任何断开链路。设备的更换或重新配置是通过清理和修复过程进行的。

寻址和加密的组合有助于确保每个无线设备通道的唯一性和安全性。没有两个监视器或交换机具有相同的网络地址，因此监视器和传感器/交换机将不会响应来自其他网络的信号。这意味着监控器不会混淆其网络中的信号，并且交换机不会响应用于其他交换机的信号。

即使某个地方发生了寻址错误，网络也不会对错误信号作出反应，因为解码消息的加密密钥不匹配。加密的使用进一步确保没有未注册的节点可以成功地将错误的信号插入网络或解码来自网络的信号，使网络免受窃听和黑客攻击。

成本更低，灵活性更强

使用802.15.4无线网络将交换机和传感器连接到中央控制器，将工业和制造设备开发人员和用户从有线解决方案的许多成本和限制中解放出来。它还扩展了监控设备的可能使用范围和放置位置，使其更容易和更快地重新配置工厂车间以适应新产品设计。因此，网络的调试和生命周期成本下降，同时显著提高了可靠性和完整性。

当工厂经理评估有线网络和无线网络的优缺点时，他们需要考虑成本节约、维护问题、安装和可配置性、正常运行时间和安全性。在许多情况下，安装一个新的无线网络在硬成本和安装时间上比试图替换一个有故障或现有的有线网络更便宜。基于IEEE 802.15.4的无线网络已证明其可靠性、健壮性和成本效益，适用于广泛的工业、仓储和设施应用。

Todd Hanson就职于Honeywell传感与控制(S&C)。由CFE Media内容经理马克·t·霍斯克编辑，控制工程，设备工程,Consulting-Specifying工程师,mhoske@cfemedia.com．

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