2021年05月07日 | 工业自动化中的无线标准介绍

第四次工业革命（工业4.0）为机器赋予了更多的智能，并为自动化设备带来了更高的效率和灵活性。这些日益复杂的系统推动了无线通信在工业环境中的采用。工业4.0智能机器和模块自动化的定义包括：

安全和适应性强的控制连接

收集和持续调整生产过程的价值

机械状态监控，以进行预测性维护

支持联网实现大数据分析

支持这些功能的无线技术基于蜂窝，Wi-Fi，蓝牙和IEEE 802.15.4标准和协议。部分原因是设计工程师期望来自不同供应商的组件具有兼容性。根据定义，这要求通过行业标准接口（而非专有接口）进行连接。实际上，互操作性只是工业4.0的一个方面。

无线连接是协调物料搬运和协作机器人任务的关键

无线通信的设备通常比有线网络昂贵。但是，这种增加的前期成本可以通过多种方式抵消。从长远来看，无线设备通常被证明是最具成本效益的选择。那是因为在生产区域中布线的成本可能很高。需要花费精力设计电缆及其连接器的布线。另外，电缆需要电缆桥架或托架的保护和物理支持，并且它们需要接线盒和其他附件。计划，订购和安装所有与电缆相关的硬件会延长实施网络所需的时间。

基于Wi-Fi的自动化标准

电气和电子工程师协会（IEEE）在1997年发布了802.11，定义了局域网（LAN）的无线标准。为确保市场充分利用此标准，业界协会Wi-Fi联盟随后紧随其后，由对建立测试和认证计划的供应商组成互操作联盟。如今，IEEE 802.11定义的Wi-Fi标准已被Wi-Fi联盟标准化所补充，从而使符合要求的设备具有异常可靠的兼容性。

图2：工业4.0（也称为工业物联网或IIoT）与无线技术密不可分。这些无线技术利用标准化接口允许各种设备和系统之间的连接，包括用作HMI的移动设备，以及无数其他传递机器状态的无线现场系统。

尽管Wi-Fi对于监视应用程序以及将机器连接到企业级系统非常有用，但是Wi-Fi的速度，延迟和连接稳定性问题无法满足工业现场机器控制的苛刻要求。这意味着当今工业应用中的Wi-Fi大多仅限于具有相当宽容要求的用途。这些包括：

条形码扫描器，可将数据传送到制造执行系统（MES），从而避免一到两秒的延迟

不涉及实时控制功能运动传感器

使用加速度计（以跟踪随时间变化的振动）以及温度，压力，湿度和气体浓度传感器等传感器进行的长期机器状态监测，以监测设备的效率和健康状况

图3：尽管不适合机器控制，但Wi-Fi对于机器监视应用程序以及将工厂车间连接到企业级系统中很有用。 （图片来源：Wi-Fi联盟）

业界已经进行了几次尝试以使Wi-Fi适应工业控制应用，但是这些尝试取得了有限的成功。 IIoT成功采用的一种例外协议是工业自动化和过程自动化无线网络（WIA-PA），这是来自中国的工业无线通信标准。

Wi-Fi当然可以在2.4或5 GHz上运行，更高的频率可以实现更快的数据传输，但由于穿透力不足，因此也有专门标准使用其他频段。例如，IEEE 802.11ah低数据Wi-Fi（HaLow Wi-Fi）的工作频率约为900 MHz，通常用于需要扩展范围和极低功耗的传感器中。在另一个极端，IEEE 802.11ad Wi-Fi（WiGig）在大约60 GHz的频率下运行，以提供非常快速的数据传输。

基于IEEE 802.15.4的无线技术

其他无线技术是IEEE 802.15.4标准定义的低速无线个人局域网或LR-WPAN。 LR-WPAN技术优先考虑在速度和范围上的低成本和低功耗。基本规范允许数据传输速率达到250 kb/s，范围达到10 m，采用LR-WPAN通信的技术旨在允许低成本设备之间进行通信，而无需任何其他通信基础设施。基于IEEE 802.15.4标准的协议（例如6LoWPAN，WirelessHART和ZigBee）正迅速成为首选的IIoT协议。

1. WirelessHART：HART Communications Foundation，ABB，Siemens等公司支持的一种基于802.15.4的协议称为WirelessHART。这是工业自动化应用程序的良好支持和强大的标准。使用具有时间同步功能的跳频网状网络可以维护网络可靠性。相反，大多数基于Wi-Fi和蜂窝技术的无线通信协议使用的鲁棒性较低的星形网络拓扑要求所有设备都必须连接到中央设备。所有通信均使用128位AES加密，并且可以严格控制用户访问。

图4：LTP5903-WHR SmartMesh网络管理器支持线路供电的WirelessHART网关，使工程师可以集成基于标准的无线传感器网络实现可扩展的双向通信。（图片来源：ADI公司）

由于WirelessHART使用网状拓扑，因此可以直接在设备之间路由数据。这可以扩展网络范围并形成冗余的通信路径。这样，如果一条路径失败，发送方将自动切换到冗余路径。跳频还允许WirelessHART避免干扰问题。

2. 6LoWPAN：低功耗无线个人局域网上的IPv6（通常称为6LoWPAN）是允许IPv6数据包在基于IEEE 802.15.4的网络上传输的协议。这意味着非常低功耗的设备可以连接到Internet，使其非常适合IoT传感器和其他低功耗设备。

3. ZigBee：ZigBee由Zigbee联盟维护，在智能家居和楼宇自动化应用中得到最广泛的应用，ZigBee也许是最成熟的基于IEEE 802.15.4的协议。它使节点大部分时间都处于睡眠模式，从而大大延长了电池寿命。 ZigBee通常在2.4 GHz频段内运行，并具有250 kbit / s 的固定数据传输速率。它可以支持各种网络拓扑，包括星形，树形和网格。树形和网格拓扑扩展了网络范围。

图5：Zigbee可用于（在其他应用中）工业设置中的运动，振动，湿度，温度和状态传感器。 （图片来源：Zigbee联盟）

蓝牙LE和工业自动化中的蜂窝物联网

蓝牙低功耗（BLE）是IEEE 802.15.4的替代方案，在该方案中，低成本和低功耗是重中之重，并且会牺牲速度和范围。它以与标准蓝牙相同的2.4 GHz频率运行。蓝牙LE的最大优点是它在移动操作系统（如开放手机联盟的Android，苹果的iOS和Microsoft Windows的各种排列）中得到广泛支持。加上Logitech等大型电子产品供应商投入了相当多的开发工作，就难怪Bluetooth LE仍然主要是消费类设备的无线连接首选。这与WirelessHART一直并且一直主要专注于IIoT应用程序形成了鲜明的对比。

图6：低功耗蓝牙（BLE）标准具有一个串行端口配置文件，系统将其识别为完整的串行接口，有助于通过BLE连接的升级替换现有的有线设备。 （图片来源：蓝牙特别兴趣小组）

综上所述，过去几年中，使用蓝牙LE进行工业自动化任务的传感器，遥控器，锁和手持式设备越来越多。未来几年，这种趋势可能会增加。

与用于低功率短距离通信的基于BLE和IEEE 802.15.4的协议相反，蜂窝技术是远程无线通信。 2G GSM蜂窝协议已被手机和物联网设备中常见的3G和4G高速蜂窝协议所取代。但问题是蜂窝通信消耗大量功率，因此在工业应用中（尤其是在机器上进行此类连接），系统需要连接到永久性的有线电源。蜂窝LTE类别表示最大的数据传输速率，尽管是以更高的功耗为代价的。LTE Cat-0和Cat-1连接适用于IoT设备。相反，LTE-M是专为机器对机器和IoT应用设计的低功耗蜂窝协议。

与在手机领域广泛使用不同，工业5G应用还不太成熟。这是因为消费者优先考虑下载速度，而IIoT系统的工程师则优先考虑低延迟和覆盖范围。实际上，低延迟在工业自动化中至关重要。确实，5G网络将延迟保持在30毫秒以下，但是我们正在努力将延迟进一步降低到仅1毫秒，这样的速度足以应付要求苛刻的实时工业控制（而不仅仅是监视）应用程序，例如在机床中传输反馈信号。

5G减少延迟的一种方法是网络切片。这种联网技术将网络的带宽划分为不同的虚拟通道，然后分别对其进行管理。某些通道保留用于低延迟传输，禁止使用这些通道来传输大多数流量。然后，只有需要最快传输的工业控制应用才被允许使用这些保留的快速通道。

LoRA无线协议的兴起

远程广域网调制（LoRA）是低成本的无线协议，是可再生能源，采矿和物流行业中远程和海上应用的首选。这是一种低功率无线技术，可以使用一个电池在很长的距离（甚至超过10 km）上通信长达10年。简而言之，LoRA是一种在免许可证频段上运行的非蜂窝技术。它采用了诸如433和915 MHz的亚千兆赫频段以及基于线性调频扩频（CSS）调制的扩频调制。这使其非常适合于仅需要适度数据传输速率的偏远地区设置的物联网设备。LoRA还具有128位加密和身份验证控件。另一个有用的功能（尤其是对于IIoT应用中的传感器）是使用设备之间的三边测量进行地理位置定位。

LoRA使用Semtech开发的专有技术，但具有多种开源元素。它由LoRa联盟（包括IBM，Cisco，TATA，Bosch，Swisscom和Semtech）组成的大型联盟支持（并确保了设备的互操作性）。

结论

工业自动化的无线协议比比皆是。每种都适合某些应用。要求低功耗并接受短距离传输的应用通常会受益于ZigBee和Bluetooth LE连接性。需要通信鲁棒性的要求更高的工业应用可能需要具有WirelessHART无线连接的设备。需要长距离传输的应用需要高数据传输速率，因此需要蜂窝网络。在这里，5G有望改变工业无线通信现状。通常，最好通过LoRa在长距离内通信数据（并消耗最少的功率）。