无线I/O世界
仅仅因为你看不到工业网络的大部分并不意味着它们不存在。无线网络需要与硬连线和双绞线相同的TLC，尽管维护无线系统意味着不同的任务、工具和对无线通信不同物理特性的认识。本文还包括其他在线材料。
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仅仅因为你看不到工业网络的大部分并不意味着它们不存在。无线网络需要与硬连线和双绞线相同的TLC，尽管维护无线系统意味着不同的任务、工具和对无线通信不同物理特性的认识。
尽管如此，无论是否可见，工业网络的使命仍然是一样的:准确、快速、安全地将有关物理条件的信号和数据传输到可以分析和用于决策的地方，并在需要时带回指令和进一步查询。而且，与任何工业网络一样，在决定使用哪种类型的无线技术之前，您必须知道自己需要什么和想要完成什么，然后找出您的应用程序和环境可以处理什么。
无线I/O基础
一些用户正在实现的最有前途的无线方法之一是无线输入/输出(I/O)，它基本上从I/O点收集4-20 mA模拟或其他原始信号，并通过无线电将这些数据发送到中央处理设备，如PC或PLC。这种方法不使用无线局域网(wlan)或现场总线，这意味着它速度较慢且专有，但它也比基于wlan的网络更容易实现。这种简单性使得无线I/O更容易应用，也意味着不需要与现有的IT基础设施合作。此外，无线I/O用户通过采用无线技术节省了通常的材料和人工，而且由于不需要配置和编程WLAN或现场总线，他们甚至节省了更多的时间和金钱。
因此，根据ARC咨询集团的Harry Forbes最近的一份报告“无线I/O:电工的收音机”，无线I/O在改造和扩建项目中越来越受欢迎，通常有助于减少支出。ARC表示，大多数无线I/O系统用于数据采集，但一些闭环控制应用已经成功部署，尽管有效带宽限制了它们的控制速度。无线I/O可以携带模拟和离散传感器信号，通常为1-20 Hz，这对于许多控制应用来说已经足够了。无线I/O的主要限制是每个无线I/O可以传输的信号数量较少。ARC说，随着点数的增加，无线局域网变得更有吸引力。
“无线I/O在工厂工程师的心目中仍然很新鲜，尽管这是一个简单的想法。Elpro Technologies的总经理格雷厄姆•莫斯(Graham Moss)说:“这个概念往往会让人大吃一惊，所以我们称之为不需要双绞线的无线I/O。”“甚至‘无线’这个词仍然有点可怕，大多数人不再做最坏的打算，并开始意识到他们可以在许多应用中使用无线。”
为了帮助潜在用户并简化实施，一些制造商开发了将无线I/O与其他传感和网络功能集成在一起的解决方案。例如，Accutech的无线仪器系统结合了集成的校准传感器;5年电池供电的现场收发器，用于温度，压力，声学和多输入(模拟和离散);一个基本无线电收发器RS-232, RS-485 Modbus，和4-20 mA输出选项;以及数据管理和异常报告软件。这些装置被批准在危险场所使用。事实上，总部位于纽约的联合爱迪生公司报告说，其技术人员能够在45分钟内将Accutech的系统安装在城市蒸汽分配网络的计量站，而之前需要两个小时。
此外，霍尼韦尔过程解决方案刚刚推出了XYR5000无线变送器，用于监测压力、温度和超声波噪声。它们还包括一个模拟输入接口，用于为4-20mA设备添加无线功能，并将其测量值无线传输到连接到控制系统或数据采集设备(如录音机或PC)的基础无线电。每个基地无线电接收多达50个发射机的信号。XYR5000通过消除布线成本来实现过程和资产监控，并允许在旋转设备上进行测量。
凤凰城，Omnex合作
在过去的几年里，Phoenix Contact和Omnex Control Systems共同将他们的无线I/O工作重点放在工厂用户身上，这些用户通常更关心信号的安全，而不是建立网络。Phoenix最初研究了跳频扩频(FHSS)，以无线方式执行基于I/ o的有线4- 20ma信号调理器的采集和传输。
Phoenix的仪器和无线营销经理Davis Mathews说:“过程应用总是测量和传输温度、压力、液位和流量，通常使用4-20 mA的模拟信号来指示状态，或者使用数字报警信号。”“因此，我们和Omnex设计了一种设备，它可以无线接收一个4- 20ma信号或两个数字输入，但不需要设置或编程。我们故意采取了一种简单的方法，尽管在我们的水平上没有太多的恐惧，因为我们只使一个设备无线化，而不是整个现场总线网络。这允许用户尝试一个或两个无线I/O设备，并在他们准备好时添加更多。”
使用Omnex的可信无线I/O和数据无线电，Phoenix开发了测量控制规则-无线电模拟数字(MCR-RAD)技术，该技术以96 kbps的速度传输小数据包，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。合作伙伴的第一个产品是RAD-UD(单向)，它接受一个信号。为了响应用户的要求，他们接下来生产了RAD-BD(双向)，它接受多个I/O信号，多达33个模拟信号或66个数字信号或两者的混合。
为了消除串行节点和点对多点网络之间的电缆，Phoenix和Omnex还在2004年1月发布了RAD-Data Series (DS)。Mathews说:“用户将能够在每个站放置一个rad数据总线，并将I/O点直接连接到它们，这将消除在PLC通常被多个I/O点包围的应用中，每个站都需要PLC。”“这将允许用户将他们的控制器作为Modbus网络的主控制器。同时，这些站点将自动成为这个网络中的从站，因为它们看起来就像主控制器中的plc。一旦完成，Modbus将像在正常的有线PLC网络中一样注册模拟和离散信号。这基本上是一种无线的方式来做一些传统的网络，但它可能不需要改变已经做过的事情。”
管理水箱，水处理
为了减少在产品传输过程中干扰重要储罐液位数据的警报和通信中断，马拉松亚什兰石油公司最近安装了Phoenix和Omnex的MCR-RAD无线电，以帮助管理其远程储罐场的5个储罐和位于肯塔基州路易斯维尔的主要储罐场的19个储罐。这两个农场相距一英里，用于储存和运输汽油、石油和航空燃料。这些储罐与每个农场的两个远程终端单元(rtu)硬连线，并通过无线I/O在30秒的循环周期内连续通信。
“我们已经使用无线电大约四年了，但我们每天都会收到五到六次警报，每次警报都会导致通信中断30-40秒。这让终端管理人员抓狂，因为在运输产品时，了解油箱的液位是非常重要的，”马拉松公司的电子和仪表技术人员唐尼·舒尔茨(Donnie Shultz)说。“我们首先对凤凰号的无线电进行了三个月的实地测试，即使我们使用的是旧天线，它们也没有漏过一点。这个系统花了我大约10分钟的时间来启动和运行，因为寻址软件都是点和点击，现在我们有更好的数据包数据和19.2 kbps的通信速度。我们估计，通过使用新的无线电设备，我们节省了7万到8万美元，我们将开始在其他应用中使用它们。
“我非常不愿意使用无线I/O，因为我通常认为硬接线更好。我们对第一批收音机感到沮丧和沮丧，但新的收音机开始运行，改变了我们的整个看法。如果你正在考虑使用无线电，你能做的最好的事情就是进行实地试验，并真正试用它们。”
同样，Elpro报告说，CDR Flint Ink最近遇到了曝气和污水处理厂(WWTPs)之间的模拟信号问题。来自曝气厂的氧还原电位(ORP)、pH值、温度和流量信号通过多对电缆连接到污水处理厂的无纸化图表记录仪上，这些电缆连接在高压电线附近。这种放置引起浪涌和接地回路问题，以及图表记录仪和曝气装置变送器的频繁故障。然而，更换信号电缆很难证明是合理的，尽管它会导致高昂的维护成本和远程监控的长时间中断。
为了解决这个问题，Flint安装了Elpro的905U无线I/O系统，据报道，这只是更换电缆成本的一小部分。曝气厂的模拟信号连接到一个905U单元，该905U单元将信号传输到处理厂的另一个905U单元。而且，由于905u是双向收发器，弗林特还连接并建立了从污水处理厂到曝气厂的返回信号，这允许远程控制10英寸。节流阀。在验证了其无线系统后，Flint决定使用905U的点对点功能，并在公司的锅炉控制中心安装了第三台905U设备。因此，来自曝气厂的模拟信号被传输到污水处理厂和锅炉，这增加了工厂运行的灵活性。
“调制解调器的问题在于，它们的速度太快，对无线电不太友好。现场总线希望在发送数据时立即得到响应，但是无线电的平均响应时间为5毫秒，这可能会导致一些高速协议超时。这就是无线网关或无线协议转换器在过去几年中不断发展的原因。网关通过无线电传输的数据与通过有线网络传输的数据是一样的，所以你所要做的就是将数据调制到正确的频率上，”莫斯说。在数据总线端，网关响应I/O设备，因此PLC很高兴，因为它得到了它的响应。同时，网关将数据转换成另一种协议，并通过无线传输。”莫斯补充说，无线网关的工作频率为900mhz和115kbps，或2.5 GHz和250kbps。
处理干扰
无线I/O的主要缺点是，它比硬布线更容易受到电气噪声和干扰的影响，通常是由障碍物或机械引起的。然而，用户和标准组织已经缓解了许多这样的问题。
目前，扩频技术解决了许多干扰和安全问题，方法是将信号按预设的模式分成许多信道，然后从相同的表观噪声部分重新组合或关联它们。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。扩频的两种主要类型是FHSS，它通过两端的收发器在每个频率上使用预定的定时来防止干扰，以及直接序列扩频(DSSS)，它使用数字代码来识别意图相互通信的单元，防止网络上未经授权的通信。
然而，一些用户报告说，扩频并不是特别安全或可靠，因为它使用的900 mhz至5.4 GHz工业、科学和医疗(ISM)频段和许多无线设备都是未经许可的，在法律上不受干扰。因此，扩频虽然容易被截获，但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，但一些用户补充说，制造商显然不在乎这一点，并以最低要求的速率传播信号，以提高功率到监管限制。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。
为了避免这些和其他潜在的问题，无线技术的支持者说，用户必须在自己的应用程序和设备中测试和评估无线解决方案，因为每种解决方案都有自己的特点。大多数无线制造商都很乐意为用户提供解决方案进行试用。
无线网络也意味着用户不需要更换现有的网络。他们可以缓慢地实现无线，让他们以前的网络保持原样，并简单地增加一层他们以前没有的移动性，”Wonderware的可视化产品经理Renee Robinson说。
更好的SCADA;减少布线
为了帮助伊利诺伊州Normal水务部门更换过时的基于rtu的SCADA系统，SCADAware的系统集成商Rick Caldwell最近实施了一种创新的、pc驱动的FHSS解决方案。因此，Normal现在在其水处理厂使用主服务器和辅助服务器进行HMI和基于pc的控制。这些计算机通过Locus无线串行网络收集和监控来自Normal所有油井、储罐和举升站的数据，数据速率为57.6 kbps，而之前系统的数据速率为0.3 kbps。
同时，Wago I/O可编程现场耦合器允许工厂工作人员在他们的系统中进行调整和激活控制。此外，Sixnet以太网到串行转换器用于将传入的串行数据转换为以太网，因此可以在工厂的LAN上访问数据。SCADAware的软件具有简单易用的图形用户界面，可以轻松、即时地访问数据以及可能出现的问题的可视化指示器。这些改进减少了部门的驱动和响应时间，有助于SCADA和配水系统的诊断、维护和扩展。
阿克苏诺贝尔表面化学有限责任公司也实现了类似的节省，该公司最近需要增加六个温度变送器来监测和跟踪储罐中的原材料。然而，储罐的位置使得不可能在不增加大量成本和延迟的情况下将布线布线到发射机。阿克苏控制系统专家Marc Ayala表示，事实上，阿克苏公司估计，为传统的4- 20ma电线准备路径的人工成本大约是无线发射器/接收器成本的10倍。
因此，阿克苏选择使用无线连接储罐，并在短短几天内将其与艾默生过程管理的DeltaV自动化系统集成，而不是需要两周的时间来安装布线导管。阿克苏还选择了Omnex的无线监控解决方案。到目前为止，Akzo已经安装了大约10个这样的接收器/发射器组，并在另一个应用中使用它们对缓慢作用的温度控制回路进行闭环控制。
未来的拥堵，标准化?
可靠性、安全性和可扩展性是目前流程工厂中无线I/O的三个关注点，但无线电频谱拥塞可能是未来最令人头疼的问题。到目前为止，这还不是一个问题，因为没有足够的用户造成拥堵。然而，莫斯表示，无线设备的增长速度如此之快，拥塞肯定会成为一个问题，工业无线产品也会出现同样的问题。
例如，根据莫斯的说法，目前拥有10个或更少无线应用的工厂，如无线I/O或连接plc的无线电调制解调器，预计到2010年底将拥有100到200个。“溢出效应”使问题进一步恶化，因为无线传输不会在工厂边界停止。很快，每个无线发射器将不得不与同一工厂的其他发射器竞争，更不用说附近工厂的其他发射器了。
幸运的是，开发人员正在寻求基于无线通信通常使用与plc相同类型的轮询或定时更新消息传递的解决方案。莫斯补充说，无线开发人员可以通过使用更智能的消息传递协议来减少拥塞问题。然而，轮询或定时更新的困难在于需要连续发送消息以获得良好的时间响应。通过更改为异常报告，即仅在发生变化时发送消息，大多数无线系统的总流量密度可以降低50到100倍。当然，这种变化带来了网络控制方面的新问题，因为每个节点都必须能够充当网络主节点。
此外，无线的开放标准预计将在未来5-10年内出现，这将减少专有无线电设备的潜在不兼容性。同样，根据Opto22的技术营销总监Benson houghland的说法，标准化的提高可能会允许RF在适当的时候被无线广域网(WWANs)所取代，无线广域网使用蜂窝电话网络和互联网协议(IP)来移动数据。他说:“记住无线只是另一种网络或有线网络的延伸，这很有帮助。”
网上只有
为了改善曝气和污水处理厂以及锅炉控制中心之间的模拟信号，Flint Ink使用了Elpro Technologies的905U无线I/O系统和双向收发器单元。
伊利诺斯州的市政水务部门使用56.7 kbps的Locus无线串行网络来收集和监控镇上所有的水井、水箱和升降机站的数据。Wago I/O可编程现场耦合器允许处理厂工作人员调整和激活系统中的控制，而Sixnet串行到以太网转换器允许在工厂的局域网上访问数据。
使用网状网络使射频无线可靠
当手机经常掉线的时候，你怎么能让工厂的老员工相信射频通信是可靠的呢?Ember Corp.的联合创始人、董事长兼首席技术官罗伯特•普尔(Robert Poor)说，答案是网状网络。
普尔说:“例如，假设工厂地板上有一个温度传感器，每分钟发送一次读数，我们决定使用ember支持的无线链路将数据从传感器传输到控制器。”“做一个极其保守的假设，即无线连接的可靠性只有90%，即每10个读数中就有一个丢失。在实践中，可靠性会高得多。对于IEEE 802.11使用的普通星形拓扑，这意味着每10分钟就会丢失一个读数。
“然而，如果有两个无线邻居监听，就像在网状网络中一样，它们的可靠性高达99%，或者每100分钟丢失一个读数。如果有4个无线邻居在监听，他们的网络可靠性可达99.99%，即每周丢失一个数据;如果有6个邻居，其网络可靠性可达99.9999%，即每2.6年丢失一个数据包!”
Poor补充说，为了计算这个可靠性，让“p”表示发送数据包的概率，其中0 =没有任何东西通过;1.0 =每次完美传输;0.5 =一半的数据包掉落。接下来，设N为周围中继数据包的邻居数量。因此，总成功概率可以用等式1-(1-p)^N来计算。“所以，你可以看到，增加N会迅速提高网络的可靠性，”Poor说。“在p= 0.9或90%可靠性的情况下，每增加一个相邻节点，你就‘加一个9’。使用更现实的初始值95%链路可靠性，几率会更快地提高:
保护无线网络
用户可以使无线网络像有线网络一样安全。他们可以使用无线接入点(AP)的基本内置安全功能来保护连接，然后使用更复杂的技术(如虚拟专用网络(vpn))来提高安全性。英维思Wonderware最近发布的白皮书《工业自动化中的平板电脑》包括保护无线网络的建议:
规划AP的覆盖范围。如果可能，将感兴趣的区域的覆盖范围从AP扩展到外墙和窗户。将美联社安置在外墙附近，可以扩大对设施外部的覆盖范围，在那里陌生人可以访问它。
从默认值更改服务集标识符(SSID)。
禁用SSID广播。广播宣传您的网络的可用性，通过名称识别它。一个明显的名称可以使您的网络成为其他可用网络的目标。
从默认修改管理员密码。这可以防止入侵者篡改您的设置。
启用有线等效隐私(WEP)安全性。虽然不是完美的，但除了最专注的黑客之外，这阻止了所有人。
使用AP中可用的最高级别的WEP加密，最好是128位加密而不是64位加密。
请定期修改加密密钥。
限制连接数。例如，如果您只需要在AP上支持五台机器，则将最大值设置为五台。如果您尝试连接，但被拒绝连接，这可能表明一台未经授权的计算机已经访问了您的Wi-Fi网络。
禁用DHCP，使用固定IP地址。这增加了潜在入侵者通过不自动提供IP地址来访问您的网络的难度。然而，这只适用于小型网络。
使用MAC地址过滤。可以将AP配置为只接受MAC地址属于访问列表的设备的连接。然而，这只适用于无线设备较少的网络。
在无线化之前有四个任务
根据Phoenix Contact的仪器和无线营销经理Davis Mathews的说法，除了让供应商在您的特定应用中测试和评估他们的无线解决方案之外，在尝试实现无线I/O或其他无线网络之前，用户应该执行四项主要任务。
确保在不会导致重大故障的非关键应用程序中首次启动任何新的无线网络。
找出你一直想从A点到达B点的信号，但对于传统的解决方案来说成本太高了。
做一个全面的现场调查，检查你想要安装无线设备的实际地点。
为您的第一个无线网络寻找一个相对较慢的应用程序。
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