工业无线第1部分：切割线在工业自动化

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蜂窝无线的现状，以及它们在工业应用中的有效技术。在第三部分中，我们将把所有内容集中在一起，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。

无线网络正在成为现代工业环境中的普及。它控制自动导向车辆周围的现代化仓库这样的速度成群。它可以让传感器继电器用于检测数据的问题变得严重之前。它使运营商和工程师走动工厂车间与关键绩效指标（KPI），并在他们的指尖机文档。

受工业4.0崛起的推动和新冠肺炎疫情的推动，离散行业的工业无线市场将在2020年至2024年期间激增39.4亿美元，CAGR为11%。利用各种技术，设施正在使用无线技术从组成工业物联网(IIoT)的主机设备进行控制、通信和数据捕获。爱立信(Stockholm, Sweden)小型制造业投资组合经理塞巴斯蒂安•埃尔姆格伦(Sebastian Elmgren)表示:“我们看到许多远景应用程序正在部署，大量的质量控制和预测性维护。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，因为现在涉及到这么多不同的垂直领域。”

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。

射频波段包括许可的和未许可的频谱。获得许可的频谱是为特定客户或应用保留的，如公共服务、关键基础设施、垂直行业或通信服务提供商(CSPs)等付费许可方。

除了许可的频谱外，世界各地的监管机构还保留了一些不需要使用许可的频段。由于工业，科学和医疗（ISM）频段，这些频率可以在没有许可或费用的情况下使用，尽管它们仍然存在某些规定，例如电源限制。虽然它们最初用于非通信使用，但是使用蓝牙（IEEE 802.15.1），Wi-Sun（IEEE 802.15.4）和Wi-Fi（IEEE 802.15.1）和Wi-Fi（IEEE 802.15.1）和Wi-Fi（）采用了几个ISM频段IEEE 802.11）。这些乐队包括800（Equear / India）/ 900（美国/ APJC）MHz，2.4 GHz，5.8 GHz和6 GHz（见表1）的子集。ISM频带被无线协议细分为多个信道，每个信道由频率的子集组成。

很多乐队都是全球统一的，虽然有几个，其中包括6 GHz频段，因地区和国家而异。

表1:ISM频段

频谱限制可能导致干扰，而不仅仅是在工厂地板上的竞争网络中。例如，微波炉也运行在2.4 GHz。多个无线用户报告称头部划伤间歇性故障，最终被追溯到生产地板箱子中的新微波炉。

对带宽的高需求也会导致性能问题。网络中设备数量越多，容量越小。例如，在工厂车间使用同一频谱的网络数量越多，干扰程度就越高。为了解决频谱短缺问题，修正日益增长的工业物联网，包括美国、英国和韩国在内的几个国家已将部分6 GHz频段发布到ISM频段;Wi-Fi标准的最新更新802.11ax被指定用于在这个频段工作。预计该公司将利用产能短缺，至少在短期内是这样。

传输技术
有几种传输技术可用于无线网络。在未经许可的频段中，最常用于工业无线的传输技术有：

跳频扩频(FHSS):在整个传输过程中，传输以发射机和接收机已知的既定伪随机序列从一个频率跳变到另一个频率。如果两个网络使用不同的序列，它们将不会相互干扰，使网络在嘈杂环境中非常有效。

如果不事先了解序列，数据流也很难解码，这增加了安全性。

直接序列扩频（DSSS）：每一位数据被编码成一系列8-11位，或芯片，处理它与伪随机数字序列。接下来，所有芯片在一个通道内通过不同的频率同时发送。根据编码长度和调制类型，DSSS每个符号最多可以发送8位。DSSS的数据速率比FHSS快，尽管它更容易受到干扰。

正交频分复用（OFDM）：信道被分成等间距的子载波，每个子载波都是正交的，或独立于其他子载波，以使它们不相互干扰。数据传输是多路传输吗?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。多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，但因为有大量的数据，聚合数据速率较高。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）：本质上，OFDM的一种多客户端版本，其中每个用户都分配有子载波的子集。它使资源能够在多个设备之间同时分配，以防止争用。

传输技术或编码的选择由各种无线标准定义。

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

• 点对点（P2P）：专用无线两个节点之间的节点的接入点（AP）的两个接入点之间的链路，并且，或

P2P在使用中的限制，但对于正确的应用程序，诸如可编程控制器通信或连接两台机器一起，它可以是全部是必需的。不利的一面，它是由无线技术的范围的限制。

• 指向许多(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。

不利的一面，如果集线器下来，它需要用它整个网络停机。的范围也由无线技术的传输距离的限制。根据所用的传输频率，P2M网络可能需要线的视线一个连接，以防止由物理障碍物的干扰。

• 网格：互连节点的网络，可以作为两个端点和转发其他节点

图1：三种最常见的无线网络拓扑是（从左起）点对点（P2P）、点对多（P2M）或星形和网状。(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，他们受阻碍的影响较小。网状网络可以实现为全网状拓扑，所有节点兼作中继器，也可以实现为部分网状拓扑，其中只有中心节点作为中继器，其他节点严格来说是端点。该拓扑通常用于工业物联网和控制应用程序。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的节点。

缺点是，作为中继器的节点必须处于“始终开启”模式，这增加了电池驱动设备的功耗并缩短了充电寿命。

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：使用未经许可的频谱进行无线技术表示时，以工作频率表示速度函数，表明工业用户可选择的宽度。(思科系统公司提供)

无线网络
根据IEEE 802.11系列标准定义，Wi-Fi是一种半双工协议，这意味着数据一次只能在两个连接的设备之间以一个方向传输。Wi-Fi主要在2.4 GHz、5.8 GHz和最近的6 GHz ISM频段运行。尽管最早的版本使用DSSS和FHSS编码，后来的版本改为OFDM，最近的版本改为OFDMA (802.11ax)。Wi-Fi可用于P2P、P2M和mesh拓扑。
随着灵活性，性能和互操作性的结合，这是一个非常方便的网络技术。“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非常适合于控制应用，如自动引导车辆（AGV）、机器人和移动访问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设施（见图3）。Shade说：“从频谱的角度看，你可以让所有这些可靠地长期工作。你可以选择一种技术来管理一个集中的平台。你不必担心不同的频率和不同的供应商。”

图3：的Wi-Fi可以用于经由无线接入点到移动设备和固定设备链接到一个工业以太网链路。（菲尼克斯电气提供）

这就是说，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。这是一件事的两个传感器添加到系统中，说来监测控制的温度。的Wi-Fi可能不会是IIoT部署的理想解决方案。“这不是真正的意思，现在是一个电池供电的设备，说：”阴影。“你能不能由电池供电？当然。它将作为高效工作，只要低功耗技术，如ZigBee的？没有，因为他们是专为终端节点的传感器被AA电池的流失。”有线传感器和Wi-Fi设备，在它的以太网接口将巩固所有活动成去一路之隔一个单一的平台，但权衡是，这将上升的成本，因为它更丰富的功能。“这些功能可能不是必要的，但是从管理的角度看，现在的网络更容易管理，因为它可能与接触的一个点一个供应商如果有什么不工作。 It really depends what the end-user needs.”

如果不提到最新的IEEE 802.11ax版本，关于Wi-Fi的讨论是不完整的。尽管与之前的版本相比，802.11ac, 802.11ax的传输速度提高了约39%，但由于使用了OFDMA编码，802.11ac, 802.11ax的连接密度提高了四倍。802.11ax还利用了新发布的6 GHz频谱，以及完善的2.4 GHz和5.8 GHz频段。这种新的编码方法，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都承诺了极高的速度(分别为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%的数据速率将由于开销而丢失。一个系统是否能够以一半的理论数据速率运行，取决于网络中的其他组件是否兼容。

也就是说，对802.11ax(现在被称为Wi-Fi 6用于GHz/5.8 GHz频段，Wi-Fi 6E用于6ghz频段)的期望很高。“802.11ax将是工业环境下一个改变游戏规则的技术，”Shade说。“新的频谱可能解决了每个终端用户面临的最大挑战:我如何确保我没有通过一个网络干扰另一个网络?”他看到了新的编码方案的最大好处，它将为不同的用户提供子载波，以支持同时传输。“今天wi - fi的工作方式,如果你有一个繁忙的通道和猫有人试图下载一个视频在Facebook和你想发送命令在同一频道的机器人手臂移动一块2吨的钢铁,他们都认为是相同的,所以包将机械臂将不得不等到频谱是明确的。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度。”

要在IIoT网关的Wi-Fi 6的测试性能，一组在思科获取一对自主移动机器人（AMRS）的。结果是有希望的。“当我们测试使用的Wi-Fi 6 AMR，我们实现了延迟不如3毫秒，”帕特里克说Grossetete，是一位杰出的工程师，技术市场在思科系统公司（加利福尼亚州圣何塞）。“我们一直在努力，提高了协议，以确保我们保持一致的延迟。”

蓝牙
蓝牙最初是用于无线个人区域网（WPAN）的IEEE 802.15标准系列（802.15.1）的一部分；随后被蓝牙联盟接管。由于功率限制在100兆瓦以下，蓝牙是固定和移动设备之间数据通信的短距离标准设计。蓝牙工作在2.4 GHz频段，这意味着它不仅与所有其他蓝牙网络竞争，还与Wi-Fi 2.4 GHz网络、上述微波炉等竞争。该技术使用FHSS编码，在美国规定为79个信道，跳频率为1.6 kHz，可有效用于时间敏感的短距离应用，如机器人技术。

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。（菲尼克斯电气提供）

蓝牙可以很好的适用于许多相同的用例如Wi-Fi，包括固定和移动机器人，起重机和起重设备，以及移动的机器部件。特别地，其可以用于机器对机器通信，使得有可能快速地重新配置生产线。蓝牙也可以取代机械接口，如滑环在旋转设备，当然也提供了一种用于传感器网络的低功率解决方案。

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
对未经许可的无线网络技术的讨论将是不完整的，而没有至少一个点到低利率无线个人区域网络（LR-WPANS; IEEE 802.15.4）。这些技术的示例包括ZigBee，WirelessHart，Z波，ISA100，Wi-Sun和6LowPan。旨在IIOT，这些网络由设计用于短暂上电时的电池供电设备，读取，以低数据速率发送小数据包（几百位），然后再次下电。它们在ISM频段中运行，经常在900 MHz左右以最小化衰减，但例如ZigBee也具有2.4 GHz产品。

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。设备可能分布在几英亩的土地上，包含数千个需要监控的资产。一般的离散制造设备不太可能合并如此规模的资产，但可能会有需要使用这些技术的实例。

802.15.4网络的体系结构为基于P2P拓扑结构的网状网络。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处理和中继数据以供使用。

不属于IEEE标准的另一项是远程广域网（LoRaWAN），由LoRa联盟定义。LoRaWAN的有效载荷限制在250字节以内，但可以达到10公里的范围。它使用星型拓扑，节点馈入一个或多个连接到集中控制器的网关。它还关注流程工业和其他使用案例，如远程抄表等。

从以前不可用的资产中突然轻松访问数据可能会导致过度紧张的使用？和挫折感。如果这些传感器每小时发送少量数据，它们可能会达到其宣传的电池寿命。如果它们被配置为通电并发送数据过猛，那么电池将需要更换突然之间，“设置它，忘记它”传感器一直是人们最关心的问题。为了成功，这些设备需要按预期应用。电池供电的蓝牙设备也是如此。

入门
工业无线是一项巨大的投资。为了获得这些投资的好处，组织需要遵循一种战略方法。

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. 和它交朋友。鉴于现代企业中无线网络的密度和复杂性，通信至关重要。“任何无线团队的最大限制是频谱可用性，”Shade说。“如果你有一个大的设备，并且你正在运行多个不同的应用程序，那么只有这么多的射频频谱可用。谁拥有它？谁可以做出这些决定？你如何以一种让每个人都满意的方式来分配它？”
3. 执行审计。在安装新网络之前，请带上频谱分析仪，并找出楼层上的内容。它几乎是一种保证，您将发现多个设备或网络没有人所存在。这些需要折叠到整体计划中并可能更新以优化频谱使用。
4. 图厂地板。详细说明布局，共享网络布线，网络插孔，控制柜，混凝土支柱等。这是帮助您的供应商开始设计过程的重要信息。
5. 运行一个小的试点项目。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伸缩。Elmgren说:“从小处着手是好的，但是在进行试点项目时，你也应该有一个完整的部署周期计划。”“如果没有，就很容易陷入概念验证领域。”
6. 别忘了网络安全。2013年的目标数据泄露是由远程登录系统的HVAC供应商的凭证被盗造成的。确保遵循最佳实践并避免引入漏洞。

结论
采用工业无线网络不仅仅是为了方便。它使业务能够更迅速、更有效地响应客户的需求。格罗塞特说:“企业正在考虑如何通过无线连接比有线连接更快地重组资产，因此很明显，他们可以更加灵活。”“与此同时，他们还希望提高自己的创新能力。”正确的无线网络可以帮助工业界实现这两个目标。

第2部分本文重点介绍了许可频谱的蜂窝解决方案。