無線通信技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用有待突破

    編者語：無線通訊作為當(dāng)今世界最具活力的新興技術(shù)之一，具有有線技術(shù)無法或很難取代的優(yōu)勢(shì)，并且已經(jīng)逐步滲透到工業(yè)控制的各個(gè)環(huán)節(jié)。在工業(yè)控制領(lǐng)域，無線通訊技術(shù)正成為繼現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)后的又一個(gè)熱點(diǎn)。

    隨著工業(yè)無線通訊技術(shù)的問世及隨之而來的技術(shù)革新及機(jī)遇，無線設(shè)備在生產(chǎn)制造行業(yè)的市場(chǎng)得到了迅速的擴(kuò)張。在工業(yè)控制領(lǐng)域，無線通訊技術(shù)正成為繼現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)后的又一個(gè)熱點(diǎn)。

　　迅速崛起的工業(yè)無線通訊技術(shù)

　　調(diào)查顯示，全球工業(yè)無線通訊市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)超過13億美元，并會(huì)在未來的幾年中持續(xù)保持15%左右的年增長(zhǎng)水平。無線通信技術(shù)無疑將對(duì)新老生產(chǎn)設(shè)備及工藝流程的自動(dòng)化改造產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

　　無線通訊作為當(dāng)今世界最具活力的新興技術(shù)之一，具有有線技術(shù)無法或很難取代的優(yōu)勢(shì)，并且已經(jīng)逐步滲透到工業(yè)控制的各個(gè)環(huán)節(jié)。在中國(guó)，無線通訊技術(shù)的優(yōu)勢(shì)同樣被業(yè)界所認(rèn)可與接受，應(yīng)用也越來越普及，市場(chǎng)正在蓬勃發(fā)展。國(guó)內(nèi)的一些高校如清華大學(xué)、浙江大學(xué)等，研究單位如中科院沈陽自動(dòng)化所都開展了無線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)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(shù)方面的花費(fèi)由2003年的7500萬美元增長(zhǎng)到超過1.83億美元。而近年來，國(guó)際主流自動(dòng)化供應(yīng)商與專業(yè)廠商所推出的無線技術(shù)與產(chǎn)品層出不窮，無線傳輸進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的趨勢(shì)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(guān)鍵信息拓展測(cè)試等方面帶來大量好處，無線解決方案正在融入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。

　　美國(guó)能源部的一項(xiàng)研究顯示，傳感器的改善能夠節(jié)約10％的能源，無線技術(shù)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(yīng)的配線維護(hù)費(fèi)用。因此，美國(guó)能源部將工業(yè)無線技術(shù)列為實(shí)現(xiàn)到2020年美國(guó)工業(yè)整體能耗降低5％目標(biāo)的主要技術(shù)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(jì)劃于未來12個(gè)月中采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，相比于2005年1月進(jìn)行的同類調(diào)查，增長(zhǎng)了8個(gè)百分比。可見在工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)，最終用戶和系統(tǒng)集成商對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)表現(xiàn)出了越發(fā)濃郁的興趣。

　　當(dāng)前重要的工業(yè)無線技術(shù)發(fā)展方向是通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)于可用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的無線短程網(wǎng)，采用的主流協(xié)議是ieee 802.15.4（zigbee），對(duì)于大數(shù)據(jù)容量的短程無線通信，則是ieee 802.15.3，而對(duì)于適應(yīng)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(yīng)用的重點(diǎn)是無線短程網(wǎng)和無線局域網(wǎng)。

　　由于無線技術(shù)能在眾多方面帶來大量好處，無線傳輸技術(shù)進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域?yàn)榇髣?shì)所趨。然而，一些行業(yè)采用無線技術(shù)的比率一直低迷。全國(guó)工業(yè)過程測(cè)量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)副主任委員劉楓教授指出，目前無線的應(yīng)用主要停留在應(yīng)用層，作為有線傳輸?shù)难a(bǔ)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(shù)帶來的風(fēng)險(xiǎn)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(shù)的安全性、可靠性、性價(jià)比以及無線通訊技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用方案，是我國(guó)用戶普遍關(guān)心的話題。

　　工業(yè)無線技術(shù)的應(yīng)用有待沖破阻力

　　盡管無線通信及相關(guān)技術(shù)已經(jīng)開始大量應(yīng)用于商業(yè)與民用環(huán)境中，但是全球市場(chǎng)研究公司IMS Research對(duì)工廠自動(dòng)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(shù)更為廣泛的應(yīng)用。專家指出，無線技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用的最終實(shí)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(rèn)為阻礙藍(lán)牙發(fā)展的最大障礙是成本問題，F(xiàn)orward Concepts公司則預(yù)測(cè)無線局域網(wǎng)設(shè)備的平均銷售價(jià)格將下降23%。隨著成本問題的下降，對(duì)阻礙工業(yè)無線技術(shù)發(fā)展的實(shí)質(zhì)原因的探討開始提上議程。

　　現(xiàn)今，機(jī)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(jī)械的使用有可能會(huì)中斷無線信號(hào)，工廠自動(dòng)化中，收集可靠、詳盡的機(jī)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(dāng)前的無線技術(shù)以TCP/IP為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計(jì)，它可在無連接及不可靠的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)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(luò)上實(shí)現(xiàn)以連接為導(dǎo)向的可靠傳輸成為可能。然而，IP網(wǎng)絡(luò)在出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤時(shí)或在網(wǎng)絡(luò)阻塞階段會(huì)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(luò)條件下的可調(diào)節(jié)性，但它也在數(shù)據(jù)包交付時(shí)間上帶來了極大的差異，此差異也稱為網(wǎng)絡(luò)等待時(shí)間。而對(duì)于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用來說，上述延遲是不能接受的。由于基于因特網(wǎng)的各個(gè)協(xié)議都不能真正滿足工業(yè)應(yīng)用的要求，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)協(xié)議包裹在專利技術(shù)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(jià)格和特性的競(jìng)爭(zhēng)中受益。

　　安全性是無線傳輸技術(shù)有待解決的另一大問題。由于所有無線網(wǎng)絡(luò)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(dāng)?shù)募用軝C(jī)制以保護(hù)敏感數(shù)據(jù)，特別是其知識(shí)產(chǎn)權(quán)。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(jī)時(shí)間方面提出了巨大挑戰(zhàn)。

　　除此以外，來自其他無線設(shè)備的干擾以及對(duì)其他無線設(shè)備造成干擾成為阻礙無線技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用最終實(shí)現(xiàn)的又一個(gè)難問題。由于當(dāng)前的無線技術(shù)使用工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療頻帶，因此系統(tǒng)須同其他無線網(wǎng)絡(luò)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(lán)牙和其他IEEE 802.11技術(shù)工作的范圍。

　　另一方面，工廠自動(dòng)化中的保守派也限制了無線通信網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用行列中來，開始專門定制工廠環(huán)境下堅(jiān)固耐用的無線產(chǎn)品。這些公司通過選用正確的基礎(chǔ)設(shè)施和無線技術(shù)，提高其工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的性能。無線產(chǎn)品價(jià)格下降同樣促進(jìn)公司將有線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為無線網(wǎng)絡(luò)，或兩者同時(shí)使用。尤其是在現(xiàn)在的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，無線網(wǎng)絡(luò)的初期投入要低于有線網(wǎng)絡(luò)。舉例來說，一個(gè)污水處理廠從離中控室?guī)装倜椎牡胤郊乘脽o線網(wǎng)絡(luò)能節(jié)省大量的費(fèi)用。狀況監(jiān)視應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)同樣能減少部件費(fèi)用，例如用于監(jiān)視旋轉(zhuǎn)功能的集電環(huán)在無線條件下就無須購買，可以用一個(gè)無線傳感器代替。

　　根據(jù)預(yù)測(cè)，到2013年，全球工廠自動(dòng)化中的無線通信系統(tǒng)應(yīng)用將每年增加約40%。在某種程度上，增長(zhǎng)將由自動(dòng)化元件供應(yīng)商促進(jìn)完成。他們已經(jīng)逐步認(rèn)識(shí)到無線技術(shù)將是下一個(gè)技術(shù)騰飛的基礎(chǔ)，大大提升工廠效能與保證用戶的安全。現(xiàn)在機(jī)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(luò)應(yīng)用，以保證利潤(rùn)的最大化。