通过无线技术满足智能工厂不断发展的需求

智能工厂是无线通信技术的艰苦环境,但Wi-Fi不断发展以满足用户的需求。

通过佩尔Svensson 2022年10月6日
礼貌:u-blox

学习目标

  • 无线技术在制造车间的需求越来越大。
  • Wi-Fi 6旨在提高网络效率和带宽利用率。
  • 智能工厂依靠无线技术来保持效率,并从许多不同的设备收集信息,这些设备每天都在增加。

Wi-Fi 6工业无线洞察

  • 智能工厂需要可靠快速的无线网络来帮助管理和维护从工厂车间的许多接触点收集的大量数据。
  • Wi-Fi 6强调无线网络的高效率,以帮助处理这种数据收集,有助于防止严重的速度减慢或其他影响智能工厂效率的问题。

智能工厂是无线通信技术的艰苦环境,但Wi-Fi技术正在发展,在这些先进的设施中仍然有用。

当Wi-Fi首次部署在联网工厂时,它的任务很简单:让几台设备相互通信。今天,情况完全不同了。如果仅仅十年前,智能工厂就像一个空荡荡的广场,那么今天它更像一个熙熙攘攘的市场。地点是一样的;然而,背景已经发生了根本性的变化。就像在嘈杂的市场上一样,无线电波变得繁忙起来,设备必须竭尽全力让自己被听到。

无线技术不断发展,以满足其所服务的市场日益苛刻的需求。Wi-Fi也不例外。不断推进的工厂数字化和新的用例正在推高对Wi-Fi的需求,据估计,Wi-Fi承载着全球45%的IP流量和60%至80%的无线流量。

Wi-Fi技术是如何发展的

Wi-Fi已经从54 Mbps的峰值走了很长一段路。2009年,Wi-Fi 4,或IEEE 802.11n,带来了吞吐量的巨大飞跃,在IEEE 802.11a中引入了5 GHz频段,在两个频段中都有更高的数据速率。Wi-Fi 4接入点与采用传统版本技术的设备的向后兼容性有助于促进该技术的采用。

2013年,Wi-Fi 5或IEEE 802.11ac带来了性能的又一次飞跃,最高达到6.8 Gbps,操作限制在5 GHz频段。Wi-Fi 6提供了性能改进,并增强了其更有效地处理来自更多客户端的更多流量的能力,这就是为什么它也被称为高效无线(HEW)。

多项创新正在帮助Wi-Fi 6满足当今对更高吞吐量(接近10 Gbps)的需求,同时还提供远程性能、低延迟、最小功耗、共存和快速切换。

图1:Wi-Fi 6可以以比Wi-Fi 4或Wi-Fi 5更快的速度连接到更多的客户端。礼貌:u-blox

图1:Wi-Fi 6可以以比Wi-Fi 4或Wi-Fi 5更快的速度连接到更多的客户端。礼貌:u-blox

制造业对Wi-Fi的期望

随着Wi-Fi标准的每一次发布都提高了性能,这项技术已经进入了更复杂和要求更高的用例。与此同时,它继续推动进一步改进标准的需求,以满足新兴的无线通信需求,其中包括工业部署的常见需求。

高可用性在工厂环境中至关重要,停机时间意味着收入损失。在拥挤的射频环境中,这包括对来自其他设备的干扰的鲁棒性,以及高吞吐量,允许缩短传输时间,并在每次通信后释放带宽。随着Wi-Fi为越来越多的设备提供网络连接,确保可扩展性(无需添加热点就能将其他客户端连接到网络)是关键更快的响应时间对于工业自动化系统来说是必不可少的,例如,在复杂的生产线上编排流程。随着越来越多的移动设备(从机器人到智能电动工具)连接到网络,无缝漫游变得越来越重要,以避免设备进入新接入点范围时冗长的重新连接尝试。为了简化操作并保持低成本,简单的调试和维护是必不可少的。

Wi-Fi 6的五大好处

如果说Wi-Fi 4带来了“高吞吐量”,Wi-Fi 5带来了“非常高的吞吐量”,那么2018年首次发布的Wi-Fi 6则是“高效率”。从6.8 Gbps到9.6 Gbps的跳跃可能没有以前版本带来的一些数量级的增长那么壮观。Wi-Fi 6可以更有效地利用可用带宽,在不降低网络性能的情况下,每个接入点可以容纳更多客户端。

有效处理更多客户的关键在于技术创新,例如:

1.多用户正交频分多址(MU-OFDMA)是一种用于将可用带宽分割成不同大小的资源单元的技术,使接入点能够灵活地同时为多个客户端提供所需的资源。MU-OFDMA将固定数量ap可以处理的客户端数量增加了四倍。

2.多用户多输入多输出(MU-MIMO)允许接入点在上行链路和下行链路上同时将唯一的数据流定向到多个客户机。

3.1024正交振幅调制(1024 QAM)使得在每个符号中编码更多的信息成为可能。Wi-Fi 6可以在一个符号中包含10个比特,比使用256个QAM的Wi-Fi 5容量高出25%。

4.基本服务集(BSS)着色有助于确保不同“颜色”的通道不会相互干扰。

5.目标唤醒时间(TWT)可以让设备节省电池并增加电源自主权。

使客户端密度增加的技术也提高了吞吐量:MIMO可以捆绑带宽,使多个流可用于一个客户端,而不是将带宽分割为多个设备服务。

通过支持多个客户端同时传输数据,MU-OFDMA有助于减少拥塞(密集网络中的常见问题),以确保以最小的延迟交付数据。

由于TWT功能,接入点可以指示设备进入低功耗模式和预先安排的唤醒时间。很长的睡眠时间可以提高电池寿命,特别是对于偶尔传输数据的无线传感器。

图2:显示Wi-Fi发展速度、数据速率、频率和带宽的图表。礼貌:u-blox

图2:显示Wi-Fi发展速度、数据速率、频率和带宽的图表。礼貌:u-blox

通过Wi-Fi 6E接入6 GHz频谱

为了克服可用频谱的主要资源限制,美国联邦通信委员会(FCC)等监管机构已经为未经许可的Wi-Fi通信开放了6 GHz频段,在某些情况下,这是之前2.4 GHz和5 GHz频段可用频谱总和的两倍多。能够使用1200 MHz新频谱的接入点和终端设备将被标记为Wi-Fi 6E。

6 GHz频段的优势包括接近已经广泛使用的5 GHz频段,以及大量不重叠的信道,且信道大小不一。由于新的频谱在很大程度上仍未开发,设备将不必与挤满无线电波的传统客户竞争。

今天智能工厂中受益于Wi-Fi 6的五个系统

Wi-Fi已成为智能工厂的支柱,通常由蓝牙技术以及专有和非专有蜂窝通信技术补充。Wi-Fi 6将加强其地位,这主要得益于五个特性。

1.工业传感器网络。

无线连接的传感器已经在工业环境中得到广泛应用,例如,用于监测振动和温度,以进行预测性维护。如今,它们通常依赖于功耗优化的通信协议,如蓝牙低能耗或IEEE 801.15.4。

Wi-Fi 6的低功耗性能是通过TWT功能允许设备长时间进入睡眠状态来实现的。降低了支持wi - fi的传感器的电力需求,提高了它们的电力自主性,简化了维护。与此同时,将设备从空中移除可以减少频谱拥塞。

2.运动控制。

OFDMA提供的延迟和服务质量的改进使Wi-Fi 6成为一种很有前途的控制应用无线通信技术。与此同时,设备配置用例可能会继续受益于低功耗需求和蓝牙的普及。

3.人机界面。

Wi-Fi 6接入点能够处理更高的设备密度,同时保持对每个设备的良好吞吐量,再加上低延迟,这使得Wi-Fi 6成为一项有前途的技术,能够实现简单的基于平板电脑的hmi,用于从连接的机器读取数据,一直到更高级的增强现实hmi。

4.增强现实(AR)。

使用静态或手持图形用户界面(gui)的hmi的自然发展是增强现实。无论是使用平板电脑还是智能眼镜,增强现实都可以将实时信息、文档或蓝图覆盖到平板电脑的摄像头馈电上,或者使用智能眼镜,直接进入用户的视野。增强现实技术还可以让工程师直观地看到工业机器的内部工作原理,并在不中断生产过程的情况下评估问题。

5.网状网络。

Mesh技术在工业环境中有多种用例,包括实现对整个设施的智能灯的集中控制,以及从分布式传感器收集数据以在云中进行处理。尽管蓝牙仍然是将数据从节点中继到网关的首选无线技术,但Wi-Fi更好地适应了从网关传输到企业云的最后一段。Wi-Fi 6的低功耗是否能成功地为Wi-Fi网状解决方案在工业领域的更广泛采用铺平道路,仍有待观察。

图3:智能工厂依靠可靠的无线技术从状态监测、运动控制、增强现实(AR)、工业传感器网络和人机界面(HMIs)收集数据。礼貌:u-blox

图3:智能工厂依靠可靠的无线技术从状态监测、运动控制、增强现实(AR)、工业传感器网络和人机界面(HMIs)收集数据。礼貌:u-blox

连接工厂的其他Wi-Fi类型

虽然Wi-Fi 6在几乎所有指标上都优于Wi-Fi 4,但许多应用程序都可以很好地使用旧版本的技术。在这种情况下,工厂经理可以从Wi-Fi 4较低的成本和简化的开发中获益。

随着Wi-Fi 6的到来,人们正在努力将Wi-Fi 7的性能提升一个档次,预计将在2024年之后的某个时候发布。据推动Wi-Fi标准发展的IEEE和Wi-Fi联盟称,Wi-Fi 7将重点关注视频性能,包括确定性延迟、高可靠性和服务质量(QoS)。由于更宽的信道(高达320 MHz)和更高的QAM调制顺序,它还将提供三倍快的吞吐量(30 Gbps)。

Wi-Fi通过创新满足需求

随着智能工厂继续获得发展势头,它们将继续依赖各种互补的无线通信技术,包括Wi-Fi、蓝牙、4G LTE、5G等。Wi-Fi 6具有更快的数据速率、更低的延迟、更低的功耗、更大的网络容量和更大的覆盖范围等特点,有可能扩大该技术在智能工厂中的应用范围。

佩尔Svensson,市场开发经理,产品中心短程无线电,u-blox.由网页内容经理克里斯·瓦夫拉编辑,控制工程, CFE媒体与技术,cvavra@cfemedia.com

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关键词:无线,Wi-Fi 6

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是如何无线技术的发展改变了设施的运作方式?


作者简介:Pelle Svensson,市场开发经理,产品中心短距离无线电,u-blox。