工业自动化无线技术

无线技术的发展为新型工厂自动化架构打开了大门，为采用者提供了重要的战略优势。由于在工程、安装和物流方面节省了大量可衡量的成本，以及现场数据收集频率和可靠性的显著提高，自动化专家和IT专业人员有机会为底线提供重大的、积极的影响。

在推动无线技术采用的因素中，成本效益是最直观的。其他重要的考虑因素是安全性和更好地管理以前不在网络上的遗留资产。优点包括:

• 安装成本节省:无线连接设备的安装成本是有线设备的10倍，启动速度更快，利润也更快。工程成本大大降低，因为不再需要广泛的调查和规划布线回接线盒或控制室。布线工程、安装和维护成本的降低以及数据收集灵活性的提高是无线迁移的主要驱动因素。
• 更好的信息:用自动测量取代手动读数，可以获得更准确、及时和一致的信息。
• 规模经济:在网络中部署额外的点是增量的，可能包括与遗留系统的集成。
• 节省运营成本:通过监控设施资产，快速诊断和解决工厂运营问题，并支持预测性维护计划。此外，确定导致能源或原材料过度使用的昂贵问题。
• 更安全的操作:无线技术可以减少人类在危险环境中的暴露(例如，以前的替代方案是派人去读取数据或手动启动阀门)。此外，更频繁的测量和早期发现问题可以帮助减少甚至防止事件或事故。

不幸的是，没有一种无线技术能解决所有问题。因此，为了使工业无线网络投资的回报最大化，公司为给定的应用选择最佳技术。

通过评估各种无线技术的属性，可以做出基本的技术决策，保证无线架构解决方案的成功实现。这些特性包括射频(RF)技术、安全性、抗干扰性、灵敏度、电源管理以及将无线嵌入到现有原始设备制造商(OEM)技术中的能力。此外，那些致力于实现的人需要确定新系统是否应该与现有系统接口，以保留[或扩展]现有基础设施投资的功能。另一个考虑是检查无线电提供商对向后兼容性的承诺，这延长了无线系统的寿命并降低了生命周期实现成本。

授权vs.非授权

1985年，美国联邦通信委员会(FCC)发布了允许在工业，科学和医疗(ISM)频段(902-928 MHz, 2.4-2.4835 GHz, 5.725-5.85 GHz)中使用功率水平高达1瓦的规则，而无需最终用户许可。在这些频段中有两种非常常见的扩频调制方法:跳频(FHSS)和直接序列(DSSS)。

FHSS

FHSS无线电不是在静态频谱段上传输，而是伪随机地改变载波频率，在发送数据时快速跳过多个信道。通过跳过不同的频率来避免干扰，每个频率都有不同的干扰效果或特性。通过为其传输分配特定的时隙和频率，这为FHSS提供了无冲突的访问。跳频方案，结合错误检测和自动重复请求，确保了数据的可靠传递。此外，FHSS系统的设计者预测了对电波的竞争。因此，系统设计了抗干扰和管理功能。其他调制更容易受到干扰，因为它们在设计上没有预料到干扰。

DSSS

直接序列通过将窄带源信号与伪随机噪声信号相乘来扩展窄带源信号。由此产生的信号然后在一个大范围的连续频率上传播。这在传输中引入了冗余，即使在传输过程中部分数据损坏，接收器也能恢复原始数据。

许可

除ISM未授权的频段外，大部分已授权的无线电工作在UHF和VHF频段，如其名称所示，用户必须获得局点许可证才能在特定地理区域内操作无线电。因此，这些系统的设置成本可能很高，而且许多系统提供的数据速率明显较慢(通常≤19.2 kbps)，不太可能支持未来的工业数据通信需求。然而，UHF/VHF无线电允许更高的发射功率，这增加了范围，并且因为它们在较低的频率下工作，它们通常具有更好的传播特性。然而，一个许可系统的缺点之一是，只有一个系统可以在该位置运行。因此，使用相同频带的重叠网络和其他通信功能是不可能的。

扩频优势

扩频与固定频率许可的无线电传输相比有两个显著的优点。首先，用户不需要FCC许可证。即使有许可频谱，用户也需要经历申请许可的过程。获得许可证后，该许可证适用于单个站点，并且有一个明确的期限。

扩频，特别是FHSS，相对于固定频率传输的第二个优势是扩频无线电传输远不容易受到干扰。在工业厂房环境中，机械和其他设备产生的干扰频率范围很广。因此，如果在FHSS系统中一个频率受到影响，例如，数据就会在另一个清晰的信道上快速传输。这使得该技术比可比较的直接序列系统具有更大的覆盖范围、信道利用率和抗噪声能力。许可的解决方案不具备这种能力。

FHSS的特点，安全性

FHSS技术在安全性、抗干扰性、鲁棒性和网络可靠性等方面具有直接优势。

FHSS系统最初是为第二次世界大战期间的军事应用而设计的，用于提供现有固定频率系统无法可靠提供的数据安全和干扰避免。如今，对信号传输和接收完整性的担忧在采用者中普遍存在，他们担心控制和商业网络容易受到黑客攻击或拒绝服务攻击。事实上，安全性被广泛视为工业无线应用的最大障碍。FHSS技术具有固有的安全性、抗干扰性、鲁棒性和网络可靠性等优点。

当FHSS无线电通信时，通信频率变化迅速(每秒多达1000次)，通过使传输难以被检测来提供额外的安全层。对于外界的听众来说，传输看起来就像散布在频谱上的噪音，在任何一个给定的频率上都只有一个小信号。

这种技术保证了数据的完整性，因为没有跳频序列，就没有外部源可以收听。这种技术也允许通信继续，即使某些频率的频带被阻塞。这些设备只是跳到另一个频率。

通过128位和256位高级加密标准(AES)获得额外的数据安全性。AES算法使用加密密钥(密码)。每个加密密钥的大小都会导致算法的行为略有不同:增加密钥的大小会为数据乱置提供更多的位，并增加加密算法的复杂性。

数据完整性

与现有的有线数据传输一样，包协议确认是由错误检查支持的。错误检查的目的是确保扩频无线电数据在被确认为正确传输之前不会从缓冲区转发，以确保接收到的数据与发送的数据相同。为此，生成循环冗余校验(CRC)，为数据包提供唯一的数字签名。

典型分组结构

检测到任意随机错误的概率随着校验和宽度的增加而增加。具体来说，16位校验和将检测出99.9985%的错误，远远优于8位校验和的99.6094%的检测率，但不如32位校验和的99.9999%的检测率。32位CRC中存在超过40亿个可能的CRC值——确切地说，是4,294,967,296。相比之下，16位CRC每65,536次传输就有可能出现数据错误，这是一个工作周期中相对较少的传输次数，因为许多无线电每秒传输数据包的频率高达50到100次。

敏感可能是违反直觉的

接收机灵敏度是一项重要的指标。更敏感的接收器可以接收到更弱的发射信号，这使得发射器和接收器之间的距离更远，并且有更多的障碍物。

接收灵敏度可能会令人困惑，因为它是用通常用于可听声音的测量单位分贝(dB)来表示的，这是一个以对数(指数)刻度表示的比率。10:1的比例是10db, 2:1的比例是3db。1:1的比例为0 dB，小于1:1的比例用负数表示。例如，1:2的比例等于-3 dB。

因为接收灵敏度表明无线电能够成功接收到的信号有多微弱，所以功率越低越好。这意味着负数的绝对值越大，接收灵敏度越好。例如，-110 dBm的接收灵敏度比-107 dBm的接收灵敏度高3db，即两倍。换句话说，在指定的数据速率下，灵敏度为-110 dBm的接收器可以听到的信号强度是接收灵敏度为-107 dBm的接收器的一半。

菲涅耳区和天线

对于工业设施中的短程装置，一个常见的问题是，“无线电链路是否需要视线?”答案往往是“不”。无线电波可以穿过衰减程度不同的各种物体。无线电波从天线传播的区域被称为菲涅耳区。就像把石头扔进水池里产生的波一样，无线电波也会受到障碍物的影响，根据障碍物的性质及其与无线电波的相互作用，无线电波可能会被反射、折射、衍射或散射。当没有视线时，信号通常就是这样到达接收器的。然而，这种效应会减弱信号，并影响无线电在没有视线的情况下如何工作。

正确的天线使用和调节输出功率的能力有助于克服这些问题并使信息通过。工业质量的定向和高增益全向天线允许无线电通信长距离通过拥挤的工业设施。低增益天线可以用来防止无线电信号偏离不需要的距离或方向。

多协议的灵活性

在许多现有的有线网络中，用户一次只能使用一种协议。另外，通过使用无线架构，多个协议可以在同一通信层上运行，从而为用户提供更大的灵活性。

任何无线设备都需要连接到现有的控制系统，考虑到无数现有的控制系统，这不是一项小任务。4- 20ma信号和开关闭合是普遍可翻译的。数字输入以更低的成本允许更多的数据流，但通常会给任何系统增加一定程度的复杂性。使用Modbus通信协议或OPC基础通信的服务器在需要大数据流的地方提供了接受度。

温度范围

用于工业应用的产品应使用工业级组件，并在工业温度范围内可靠运行，通常为-40℃至+75℃(-40℉至167℉)。极端温度在许多应用中是常见的。此外，这些产品通常比消费设备构造更好，在冲击和振动条件下仍能可靠地运行。

危险的环境

工业无线调制解调器通常带有某种形式的UL认证。最常见的是，该UL认证适用于1类，1和2类环境，允许在易燃或易爆气体，液体或蒸气存在的情况下进行无线电操作。拥有此认证也是有益的，因为公司可以对一种类型的设备进行标准化，并将其用于许多应用程序，而不管环境如何。

在哪里使用无线

• 无线I/O(输入/输出)连接-资产信息可从应用和嵌入式传感点获得，实现复杂的诊断，远程监控和控制以及工厂优化。无线设备的外形因素允许轻松集成到现有的OEM技术和外壳中。
• 安全-环境警报和人员管理允许更高的安全性和符合OSHA法规，特别是在危险环境和工厂靠近居民区的地方。此外，在发生泄漏或灾难性事件时，完全自动化的第一反应系统可用于限制人类暴露。
• 安全-通过无线，人们可以检测入侵，控制访问，报告烟雾或火灾，或在设施内进行视频监控。
• 劳动力移动性——无线连接允许移动工作者在移动中访问应用程序，这可以提高效率。无论是记录数据还是管理操作，员工的流动性都会影响生产力。
• 移动资产和材料跟踪——跟踪资产位置可以更好地利用资产，并符合危险化学品的使用、储存和运输的法规要求。
• 集成无线传感器网络或网状网络——传感器集成代表了一种具有广泛应用潜力的新兴技术。这些网络由大量电源和功能有限的简单节点组成，但它们比单个节点的总和提供了更大的效用。通过将这些网络与其他远程无线技术集成，可以实现更大的灵活性和连接性。

更有效地利用信息

信息就是力量。因此，收集时间关键型信息、消化信息并对其作出反应的能力是不断适应变化并提高可靠性和盈利能力的关键。如上所述，没有一种无线技术能解决所有问题。因此，评估必要的监控、管理和安全功能变得非常重要，以确保所选择的无线架构最大限度地利用有限的资源，同时允许不同的应用程序在重要性、时间敏感性和任务关键性的背景下共享频谱。

- Brent E. McAdams, FreeWave Technologies Inc.的客户宣传总监;CFE Media内容经理Mark T. Hoske编辑，控制工程，设备工程,Consulting-Specifying工程师。可以联系到他mhoske@cfemedia.com．

www.freewave.com/Products.aspx

自动化即将到来

流动产业工人

其他无线文章在

//www.globalelove.com/wireless

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?您应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得您和您的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。