工业无线第1部分:切断工业自动化中的电源线

编者注：第三部分系列中的一部分重点介绍了利用未经许可的频谱，限制成本的工业无线技术。在第二部分，我们将重点关注4G LTE和5G蜂窝无线技术的现状，以及使其有效应用于工业应用的技术。在第三部分中，我们将把所有内容结合起来，展示如何选择理想的工业无线解决方案，以及如何高效、有效地部署它。

无线网络在现代工业环境中越来越普遍。它控制着在现代仓库周围快速行驶的大量自动导航车辆。它可以让传感器在问题变得关键之前将数据中继，用于检测问题。它使操作人员和工程师能够在工厂地板上走动，关键性能指标(kpi)和机器文档在他们的指尖。

在工业4.0的崛起和COVID-19的推动下，离散行业的工业无线市场将在2020年至2024年间激增39.4亿美元，复合年增长率为11%（来源：Technavio）。利用各种技术，工厂正在使用无线设备进行控制、通信和数据捕获，这些设备构成了工业物联网（IIoT）。”我们看到许多vision应用程序正在部署，大量的质量控制和预测性维护，”爱立信（瑞典斯德哥尔摩）小型制造业投资组合经理Sebastian Elmgren说安全也是一个重要的用例，能源监控和管理也是如此。这是一个相当广泛的调色板，因为现在涉及到许多不同的垂直领域。”

为了支持各种用例及其要求，该行业开发了一系列网络技术。实现工业无线的好处涉及由应用程序驱动的许多选择和项目的需求。

光谱很重要
传输频率是任何无线技术的关键特性。频率会影响数据速率，传输距离，通过对象的能力。频率越低，传输距离和穿透物体的能力越大，但数据速率越低。频率越高，数据速率越大，但距离越短。需要选择操作频谱以最好的是应用程序项目的需求。

射频波段包括已获许可和未获许可的频谱。获得许可的频谱是为特定的客户或应用保留的，如公共服务、关键基础设施、垂直行业或付费许可机构，如通信服务提供商(CSPs)。

除了获得许可的频段外，世界各地的监管机构还保留了一些不需要获得许可就可以使用的频段。这些频率被称为工业、科学和医疗(ISM)频带，可以在没有许可证或费用的情况下使用，尽管它们仍然受到某些规定的约束，如功率限制。尽管它们最初是用于非通信用途，但一些ISM频段已经被限制范围的无线网络标准所采用，如蓝牙(IEEE 802.15.1)、Wi-SUN (IEEE 802.15.4)和Wi-Fi (IEEE 802.11)。这些频段包括800 (EMEAR/India)/900 (America/APJC) MHz、2.4 GHz、5.8 GHz和6ghz(见表1)。ISM频段按无线协议划分为多个信道，每个信道由一个频率子集组成。

许多频段是全球统一的，尽管包括6ghz频段在内的几个频段因地区和国家而异。

表1:ISM频段

频谱限制会导致干扰，而不仅仅是工厂里相互竞争的网络之间的干扰。例如，微波炉的工作频率也是2.4 GHz。不止一个无线用户报告了一个抓挠头的间歇性故障，最终被追踪到生产车间休息室的一个新微波炉。

对带宽的高需求也会导致性能问题。网络中设备数量越多，容量越低。例如，在工厂车间使用同一频段的网络数量越多，干扰的程度就越高。为了解决频谱短缺问题，改善不断增长的工业物联网，包括美国、英国和韩国在内的几个国家已经向ISM频段发布了部分6ghz频段;Wi-Fi标准的最新更新，802.11ax，被指定在这个频段工作。预计至少在短期内，它将利用产能危机。

传输技术
有几种用于无线网络的传输技术。最常用于未经许可频段的工业无线的人是：

跳频扩频（FHSS）：在整个传输过程中，传输在一个由发射机和接收机已知的建立的伪随机序列中从频率跳到频率。如果两个网络使用不同的序列，它们将不会产生干扰，使得网络在嘈杂的环境中非常有效。

数据流在没有事先知道序列的情况下也很难解码，这增加了安全性。

直接测序扩频（DSSS）：通过用伪随机数字序列处理数据，每个数据位被编码成一个8-11位的序列，或芯片。接下来，所有的芯片在一个单一的信道中通过不同的频率同时发送。根据编码长度和调制类型的不同，DSSS每个符号最多可以发送8位。DSSS比FHSS具有更快的数据速率，尽管它更容易受到干扰。

正交频分复用(OFDM):信道被分成均匀间隔的子载波，每一个子载波都是正交的，或者相互独立，因此它们不会相互干扰。数据传输是多路复用的吗?位串被分解成一组子串，然后每个子串同时通过不同的子载波发送。通过多个子载波传输有助于减少码间干扰，降低误码率。每个子载波以较低的数据速率传输，但由于数据量大，聚合数据速率更高。ODFM比前两种传输技术具有更快的数据速率，但更容易受到干扰。

正交频率分割多址（OFDMA）：基本上，每个用户被分配子载波的子集的多客户版本的OFDM。它使得能够在同时防止争用的多个设备之间划分资源。

传输技术或编码的选择由各种无线标准定义。

网络拓扑
最优的网络拓扑取决于应用程序的需要。最常见的无线拓扑是(参见图1)。

• 点对点(P2P):两个节点之间、一个节点和一个接入点(AP)之间或两个接入点之间的一种专用无线链路

P2P的使用是有限的，但对于正确的应用，如PLC对PLC通信或连接两台机器在一起，它可能是所有必要的。坏处是，它受到无线技术范围的限制。

• 指向多个（P2M）：连接到单个集线器的多个节点

P2M拓扑，也称为明星拓扑，是IIOT部署的常见解决方案。这些设备将其数据发送到中心集线器，例如边缘设备，可以处理和/或发送到本地或公共云以进行处理和传播。P2M网络简单，廉价，更容易固定，因为节点仅连接中心集线器。

坏处是，如果集线器坏了，整个网络也会跟着坏掉。该范围也受到无线技术传输距离的限制。根据使用的传输频率，P2M网络可能需要视线连接，以防止物理障碍物的干扰。

• 网：一种由相互连接的节点组成的网络，可以作为其他节点的端点和中继器

图1:三个最常见的无线网络拓扑（从左）点对点（P2P），指向多（P2M）或星形和网格。（由思科系统公司提供）

在网状网络中，数据从一个中继器“跳”到另一个中继器，直到到达目的地。因此，它们较少受到障碍物的影响。网状网络可以实现为全网状拓扑，所有节点同时作为中继器，或者部分网状拓扑，其中只有中心节点作为中继器，其他节点严格作为端点。该拓扑通常用于工业物联网和控制应用。由于节点作为中继器连接，网状网络扩展了无线技术的范围。网络也更容易扩展，因为可以根据需要简单地添加新节点。

另一方面，作为中继器的节点必须处于“常开”模式，这会增加电池供电设备的功耗并缩短充电寿命。

无线技术
工业自动化领域可提供基于未许可频谱的各种无线技术。有些人从消费者空间中携带。其他人已经专门为工业领域开发，虽然并非所有人都适用于离散自动化。作为一个团队，他们为用户提供了各种各样的选择来满足申请的需求（见图2）。

图2:使用工作频率表示的未授权频谱表示无线技术是速度的函数，显示了工业用户可用的选择范围。（由思科系统公司提供）

无线局域网
根据IEEE 802.11系列标准，Wi-Fi是一种半双工协议，这意味着数据在两个相连的设备之间一次只能在一个方向上传输。Wi-Fi主要在2.4 GHz、5.8 GHz和最近的6 GHz ISM频段上运行。虽然最早的版本使用DSSS和FHSS编码，后来的版本改用OFDM，最近改用OFDMA (802.11ax)。Wi-Fi可以与P2P、P2M和网状拓扑一起使用。
具有灵活性，性能和互操作性的组合，它是一种高度可访问的网络技术。“Because it’s a public technology and it’s compatible with your third-party, it’s the wireless technology I see by far the most on the plant floor today,” says Justin Shade, senior product marketing specialist for wireless products at Phoenix Contact (Middletown, Pennsylvania).

Wi-Fi提供的高数据速率使其适用于控制自动引导车辆（AGV），机器人，机器人和移动访问等控制面板和机器数据等资产，或将控制柜设备连接到现有基础架构（参见图3）。“取决于您从频谱的角度可用的内容，您可以使所有这些可靠地工作长期工作。“您可以选择一种技术来管理一个集中式平台。您不必担心不同的频率和不同的供应商。“

图3：Wi-Fi可用于通过无线接入点将移动和固定设备连接到工业以太网链路。(承蒙凤凰联系)

也就是说，仅仅因为Wi-Fi网络可以做任何事情，并不一定意味着它应该做。给系统添加一两个传感器是一回事，比如监控控制器的温度。Wi-Fi可能不是工业物联网部署的理想解决方案。谢德说:“现在它还不是一个电池驱动的设备。”“你能用电池供电吗?”确定。它能像ZigBee这样的低功耗技术一样高效地工作吗?不，因为它们是为使用AA电池的终端节点传感器设计的。”一个有线传感器和一个带有以太网插孔的Wi-Fi设备将把所有的活动整合到一个贯穿整个过程的单一平台中，但代价是它会增加成本，因为它的功能更丰富。“这些功能可能不是必须的，但从管理的角度来看，网络现在更容易管理，因为如果有任何问题，它可能是一个供应商和一个联系点。 It really depends what the end-user needs.”

如果不提及最新版本的ieee802.11ax，对Wi-Fi的讨论将是不完整的。尽管与前代产品802.11ac相比，该版本的传输速度提高了约39%，但由于使用了OFDMA编码，802.11ax在将连接密度提高四倍的能力方面确实非常出色。802.11ax还利用了最新发布的6ghz频谱，以及成熟的2.4ghz和5.8ghz频段。新的编码方法，加上额外的频谱，将大大减少现代工业环境中的干扰。

802.11ac和802.11ax都承诺了真正惊人的速度(分别是3.5 Gbps和9.6 Gbps)。重要的是要记住这些数据速率是理论上的。在现实世界中，特别是在工业环境中，数据速率将显著降低。大约50%的数据速率会因为开销而丢失。一个系统能够以半理论数据速率运行取决于网络中的其他组件是否兼容。

也就是说，人们对802.11ax（现在的品牌是Wi-Fi 6，适用于GHz/5.8 GHz频段，Wi-Fi 6E适用于6 GHz频段）的期望很高。”“802.11ax将成为下一个改变工业环境的技术，”Shade说新的频谱可能解决了每个终端用户面临的最大挑战：如何确保我不干扰一个网络而不是另一个网络？“他看到了新编码方案的最大好处，该方案将子载波专用于不同的用户，以支持同时传输。”今天Wi-Fi的工作方式是，如果你有一个繁忙的频道，有人试图在Facebook上下载一个cat视频，而你试图在同一个频道上向移动2吨重钢铁的机器人手臂发送命令，那么它们都被认为是相等的，所以发送到机器人手臂的数据包将不得不等到频谱清晰为止。通过802.11ax上的并行通信，机器人可以获得所需的更快的更新速率。”

为了测试Wi-Fi - 6在工业物联网网关中的性能，思科的一个团队购买了一对自主移动机器人(amr)。结果很有希望。“当我们用Wi-Fi - 6测试AMR时，我们达到了3毫秒的延迟，”帕特里克·格罗塞特(Patrick Grossetete)说，他是思科系统(Cisco Systems，圣何塞，加州)杰出的工程师、技术营销人员。“我们一直在努力加强协议，以确保我们保持一致的延迟。”

蓝牙
蓝牙最初是IEEE 802.15标准系列（802.15.1）的一部分，用于无线个人区域网络（WPAN）;随后被蓝牙联盟接管。电力限制为小于100 MW，蓝牙是固定和移动设备之间的数据通信的短程标准设计。蓝牙在2.4 GHz频段中运行，这意味着它不仅与所有其他蓝牙网络竞争，而是使用Wi-Fi 2.4 GHz网络，上述微波炉等。该技术使用FHSS编码，在美国指定为79个通道，跳跃速率为1.6 kHz，这可以使其有效地对机器人等的时间敏感的短距离应用。

该标准已分成两部分。经典蓝牙仅支持P2P拓扑。它可以配置为P2M拓扑，其中节点与中央集线器交换数据，但必须记住集线器和各种端点之间的通信串行而不是并行地进行（参见图4）。集线器在将其转移到某些指定的存储库之前聚合信息，通常使用蜂窝等更高速度技术。

蓝牙低能量（BLE）最初针对了健身监测器等消费者用例，但它已在工业领域找到应用。BLE支持P2P，P2M和网格拓扑，以及可用于库存管理和物流的广播应用程序。

图4:蓝牙模块替换具有无线连接的骨架和节点之间的以太网电缆。(承蒙凤凰联系)

蓝牙可以很好地适用于许多与Wi-Fi相同的使用情况，包括固定和移动机器人、起重机和起重设备，以及移动机器部件。特别是，它可以用于机器对机器的通信，使其能够快速重新配置生产线。蓝牙还可以替代机械接口，比如旋转设备中的滑环，当然还可以为传感器网络提供低功耗解决方案。

用户应该知道，而工业Wi-Fi在安装到家庭Wi-Fi的安装中非常相似，工业蓝牙体验可能会显着不同。“从界面的角度来看，工业蓝牙设备不会将您的手机对您的汽车的方式配对，”Shade说。“需要输入的IP地址和密码。”用户也可能遇到随机问题。“很多次，供应商在他们的设备上放置专有的曲折，这不会让他们连接，”他补充道。“这对用户来说可能是令人沮丧的？他们只是想插入它并拥有它的工作。这就是为什么现在，Wi-Fi比蓝牙更广泛地使用。“

低功率网格网络
如果不承认低速无线个人区域网络(lr - wpan)，关于无牌无线网络技术的讨论将是不完整的;内部IEEE 802.15.4)提供服务。这些技术的例子包括Zigbee、WirelessHART、Z-wave、ISA100、Wi-SUN和6LoWPAN。针对工业物联网，这些网络由电池驱动的设备组成，这些设备的设计目的是在短时间间隔内通电，读取数据，以低数据速率发送小数据包(几百位)，然后再次断电。它们在ISM波段运行，通常在900 MHz左右，以最小化衰减，但例如Zigbee也提供2.4 GHz。

这些网络主要针对加工行业，如石油和天然气、公用事业、采矿和纸张加工。这些设施可能分布在数英亩的土地上，并包含需要监控的数千项资产。你的离散制造的平均设施不太可能包含这样规模的资产，但可能有需要使用这些技术的实例。

802.15.4网络被重建为由P2P拓扑构建的网状网络。节点将数据传送到集线器，通常是高速网络的一部分。这些集线器或边缘设备流程和继电器的使用。

不属于IEEE标准的另一个条目是Lora联盟所定义的远程广域网（LoraWan）。LoraWan受限于高达250字节的有效载荷，但可以在10公里处获得范围。它使用与连接到集中控制器的一个或多个网关的节点的星形拓扑。它也集中在过程行业和其他用例，如远程抄表等。

突然容易地进入来自以前不可用的资产的数据可能导致过度用品？和挫折。如果这些传感器每小时发送小型数据爆发，它们可能会实现其广告的电池寿命。如果它们被配置为过度启动并发送数据，则需要更快地交换电池，突然“设置它并忘记它”传感器不断如上所述。为了成功，需要按预期应用这些设备。这也适用于电池供电的蓝牙设备。

开始
工业无线是一项巨大的投资。为了从这些投资中获益，组织需要遵循战略方针。

1. 从应用程序开始。您在可靠性，延迟和数据率方面是什么优先事项？您是否需要一个地理区域的解决方案，或者您需要拥有全球统一的标准吗？你的成本限制是什么？“专注于用例，”Grossetete说。“当我们对使用情况有很好的理解时，我们可以查看哪种技术最适合它。”
2. 结交朋友。鉴于现代企业中无线网络的密度和复杂性，通信至关重要。“任何无线团队都有频谱可用性的最大限制，”Shade说。“如果您有一个大的设施，并且您正在运行多个不同的应用程序，则只有这么多的RF频谱可用。谁拥有它？谁能做出这些决定？你怎么能以每个人都开心的方式消除那种方式？“
3. 执行审计。在安装新网络之前，带一个频谱分析仪来看看地板上有什么。几乎可以肯定的是，你会发现很多以前没人知道的设备或网络。这些需要合并到总体计划中，并有可能更新以优化频谱使用。
4. 图厂地板．详细布置，共用网络布线、网络插孔、控制柜、混凝土支柱等。这是帮助供应商开始设计过程的关键信息。
5. 运行一个小的试验项目。确保解决方案适用于您的应用程序，但要确保您的供应商和解决方案可以扩展。Elmgren说:“从小处开始很好，但是在你做试点项目时，你也应该准备好一个整个部署周期的计划。”如果没有，我们很容易陷入概念验证领域。”
6. 不要忘记网络安全。2013年目标数据泄露由盗窃凭证远程登录系统的HVAC供应商引起的。确保遵循最佳实践，避免引入漏洞。

结论
采用工业无线不仅仅是为了方便。它使运营部门能够更快、更有效地响应客户需求。”Grossette说：“企业正在研究如何利用无线连接比有线连接更快速地重组资产，因此很明显，这就是如何更灵活地重组资产。”同时，他们也希望增强自己的创新能力，“合适的无线网络可以帮助工业字实现这两个目标。

第2部分本文的重点是授权频谱上的蜂窝解决方案。