無線通信技術的工業(yè)應用有待突破

    編者語：無線通訊作為當今世界最具活力的新興技術之一，具有有線技術無法或很難取代的優(yōu)勢，并且已經(jīng)逐步滲透到工業(yè)控制的各個環(huán)節(jié)。在工業(yè)控制領域，無線通訊技術正成為繼現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)技術后的又一個熱點。

    隨著工業(yè)無線通訊技術的問世及隨之而來的技術革新及機遇，無線設備在生產(chǎn)制造行業(yè)的市場得到了迅速的擴張。在工業(yè)控制領域，無線通訊技術正成為繼現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)技術后的又一個熱點。

　　迅速崛起的工業(yè)無線通訊技術

　　調(diào)查顯示，全球工業(yè)無線通訊市場規(guī)模已經(jīng)超過13億美元，并會在未來的幾年中持續(xù)保持15%左右的年增長水平。無線通信技術無疑將對新老生產(chǎn)設備及工藝流程的自動化改造產(chǎn)生深遠的影響。

　　無線通訊作為當今世界最具活力的新興技術之一，具有有線技術無法或很難取代的優(yōu)勢，并且已經(jīng)逐步滲透到工業(yè)控制的各個環(huán)節(jié)。在中國，無線通訊技術的優(yōu)勢同樣被業(yè)界所認可與接受，應用也越來越普及，市場正在蓬勃發(fā)展。國內(nèi)的一些高校如清華大學、浙江大學等，研究單位如中科院沈陽自動化所都開展了無線通信網(wǎng)絡應用于工業(yè)自動化控制的研發(fā)，并取得了一定的成果。

　　根據(jù)Venture Development Corporation（VDC）公司的調(diào)查顯示，2006年全球在工業(yè)無線技術方面的花費由2003年的7500萬美元增長到超過1.83億美元。而近年來，國際主流自動化供應商與專業(yè)廠商所推出的無線技術與產(chǎn)品層出不窮，無線傳輸進入工業(yè)控制領域的趨勢無可質(zhì)疑。由于能在靈活性、電纜減少帶來的成本減少以及關鍵信息拓展測試等方面帶來大量好處，無線解決方案正在融入工業(yè)應用領域。

　　美國能源部的一項研究顯示，傳感器的改善能夠節(jié)約10％的能源，無線技術顯然是改善工業(yè)環(huán)境的最佳選擇，而且它還可以節(jié)約相應的配線維護費用。因此，美國能源部將工業(yè)無線技術列為實現(xiàn)到2020年美國工業(yè)整體能耗降低5％目標的主要技術手段之一。另據(jù)Sensicast Systems與B&B Electronics聯(lián)合組織的最新調(diào)查顯示，53%的受訪者正計劃于未來12個月中采用無線傳感器網(wǎng)絡，相比于2005年1月進行的同類調(diào)查，增長了8個百分比。可見在工業(yè)自動化市場，最終用戶和系統(tǒng)集成商對無線傳感器網(wǎng)絡技術表現(xiàn)出了越發(fā)濃郁的興趣。

　　當前重要的工業(yè)無線技術發(fā)展方向是通信協(xié)議的標準化。對于可用于現(xiàn)場設備層的無線短程網(wǎng)，采用的主流協(xié)議是ieee 802.15.4（zigbee），對于大數(shù)據(jù)容量的短程無線通信，則是ieee 802.15.3，而對于適應較大傳輸覆蓋面和較大信息傳輸量的無線局域網(wǎng)，采用的是ieee 802.11系列。其中應用的重點是無線短程網(wǎng)和無線局域網(wǎng)。

　　由于無線技術能在眾多方面帶來大量好處，無線傳輸技術進入工業(yè)領域為大勢所趨。然而，一些行業(yè)采用無線技術的比率一直低迷。全國工業(yè)過程測量和控制標準化技術委員會副主任委員劉楓教授指出，目前無線的應用主要停留在應用層，作為有線傳輸?shù)难a充。這主要是由于終端用戶面臨巨大挑戰(zhàn)和使用無線技術帶來的風險等造成的，包括產(chǎn)品的可靠性、保密和安全性等。其中，無線技術的安全性、可靠性、性價比以及無線通訊技術在工業(yè)領域的應用方案，是我國用戶普遍關心的話題。

　　工業(yè)無線技術的應用有待沖破阻力

　　盡管無線通信及相關技術已經(jīng)開始大量應用于商業(yè)與民用環(huán)境中，但是全球市場研究公司IMS Research對工廠自動化的最新調(diào)查研究顯示依然存在一些問題阻礙了無線技術更為廣泛的應用。專家指出，無線技術在工業(yè)應用的最終實現(xiàn)，還需要解決成本、解決方案定制化和安全方面等一系列問題。

　　IMS Research認為阻礙藍牙發(fā)展的最大障礙是成本問題，F(xiàn)orward Concepts公司則預測無線局域網(wǎng)設備的平均銷售價格將下降23%。隨著成本問題的下降，對阻礙工業(yè)無線技術發(fā)展的實質(zhì)原因的探討開始提上議程。

　　現(xiàn)今，機器制造商和最終用戶采用無線通信的最大障礙在于無線通信的可靠性。重型機械的使用有可能會中斷無線信號，工廠自動化中，收集可靠、詳盡的機器數(shù)據(jù)的重要性加劇，目前來看有線解決方案還是最佳的選擇。

　　當前的無線技術以TCP/IP為基礎，根據(jù)設計，它可在無連接及不可靠的通信網(wǎng)絡基礎設施中以全力交付模式傳輸數(shù)據(jù)包。該傳輸控制協(xié)議使得在不可靠的因特網(wǎng)協(xié)議網(wǎng)絡上實現(xiàn)以連接為導向的可靠傳輸成為可能。然而，IP網(wǎng)絡在出現(xiàn)傳輸錯誤時或在網(wǎng)絡阻塞階段會丟失數(shù)據(jù)包，而又不通知上層協(xié)議。

　　雖然TCP/IP提供了任意網(wǎng)絡條件下的可調(diào)節(jié)性，但它也在數(shù)據(jù)包交付時間上帶來了極大的差異，此差異也稱為網(wǎng)絡等待時間。而對于大多數(shù)工業(yè)應用來說，上述延遲是不能接受的。由于基于因特網(wǎng)的各個協(xié)議都不能真正滿足工業(yè)應用的要求，當前各廠商提供的無線解決方案就只能作為工作區(qū)解決方案（是將標準協(xié)議包裹在專利技術協(xié)議之外），從而使得各公司只能局限于單一的銷售商，而不能從價格和特性的競爭中受益。

　　安全性是無線傳輸技術有待解決的另一大問題。由于所有無線網(wǎng)絡都以空氣作為傳輸數(shù)據(jù)的介質(zhì)，因此容易受到竊聽。各公司必須采取適當?shù)募用軝C制以保護敏感數(shù)據(jù)，特別是其知識產(chǎn)權。加密數(shù)據(jù)的密鑰必須定期更新，這在人員配置和可能的停機時間方面提出了巨大挑戰(zhàn)。

　　除此以外，來自其他無線設備的干擾以及對其他無線設備造成干擾成為阻礙無線技術在工業(yè)應用最終實現(xiàn)的又一個難問題。由于當前的無線技術使用工業(yè)、科學和醫(yī)療頻帶，因此系統(tǒng)須同其他無線網(wǎng)絡并存。由于同915 MHz相比利用較低，5.8 GHz相比節(jié)約成本，因此系統(tǒng)通常使用2.4 GHz的范圍，這也是藍牙和其他IEEE 802.11技術工作的范圍。

　　另一方面，工廠自動化中的保守派也限制了無線通信網(wǎng)絡的建立，既然有線的還能用，為什么要換成無線的呢？話雖如此，還是有越來越多的公司加入到無線產(chǎn)品應用行列中來，開始專門定制工廠環(huán)境下堅固耐用的無線產(chǎn)品。這些公司通過選用正確的基礎設施和無線技術，提高其工業(yè)網(wǎng)絡的性能。無線產(chǎn)品價格下降同樣促進公司將有線網(wǎng)絡轉化為無線網(wǎng)絡，或兩者同時使用。尤其是在現(xiàn)在的經(jīng)濟形勢下，無線網(wǎng)絡的初期投入要低于有線網(wǎng)絡。舉例來說，一個污水處理廠從離中控室?guī)装倜椎牡胤郊乘脽o線網(wǎng)絡能節(jié)省大量的費用。狀況監(jiān)視應用無線網(wǎng)絡同樣能減少部件費用，例如用于監(jiān)視旋轉功能的集電環(huán)在無線條件下就無須購買，可以用一個無線傳感器代替。

　　根據(jù)預測，到2013年，全球工廠自動化中的無線通信系統(tǒng)應用將每年增加約40%。在某種程度上，增長將由自動化元件供應商促進完成。他們已經(jīng)逐步認識到無線技術將是下一個技術騰飛的基礎，大大提升工廠效能與保證用戶的安全。現(xiàn)在機械制造商和最終用戶需要考慮的問題是，如何去選擇最為適合的無線網(wǎng)絡應用，以保證利潤的最大化。