工業(yè)無線以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢和實施考慮
以高速、低成本、開放和通用傳輸介質(zhì)為特點的以太網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中采用率日益增大。使用以太網(wǎng)物理介質(zhì)的無線技術(shù)增加了工業(yè)以太網(wǎng)的連接性和靈活性,通常具有前期和生命周期內(nèi)的成本節(jié)省。無線以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)和其電纜和光纖共同進步,現(xiàn)在無線是工廠現(xiàn)實的選擇。
一旦解答能否使用無線的問題,問題就變成哪種無線技術(shù)更適合工業(yè)以太網(wǎng)。答案很大程度上依賴應(yīng)用環(huán)境、數(shù)據(jù)吞吐量和延遲時間要求、節(jié)點之間的距離和本地?zé)o線管理條例。恰當(dāng)?shù)臒o線工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和安裝是滿足性能的關(guān)鍵。
了解你本地的無線管理條例
所有無線技術(shù)都受到本地政府管理條例的限制——許可的頻段和有效的發(fā)射功率(無線電傳輸功率和天線增益)在各個國家都是不同的。幸運的是歐洲,歐盟已經(jīng)促進無線通信標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào),特別是無線本地局域網(wǎng)或R-LAN,即公共因特網(wǎng)訪問。法國和西班牙協(xié)調(diào)的更慢,但是一些新的歐盟成員國家已經(jīng)采用這些標(biāo)準(zhǔn),例如,在2.4G波段展頻調(diào)制的ETS300 328標(biāo)準(zhǔn)??傊S多國家接受未授權(quán)的由歐洲郵電管理局會議(CEPT)旗下歐盟無線電通信委員會(ERC)設(shè)置的無線電標(biāo)準(zhǔn)。
在歐洲使用的無線工業(yè)以太網(wǎng)仍要求調(diào)整頻段或允許的有效發(fā)射功率,當(dāng)核準(zhǔn)權(quán)仍由每個國家掌握時,兩者都要求調(diào)整。
法國ProSoft SARL公司的應(yīng)用工程師Francoise Mailharein 說:“當(dāng)開發(fā)工業(yè)無線以太網(wǎng)應(yīng)用時,特別是在歐洲,采購者意識到在無線電通信標(biāo)準(zhǔn)和管理條例中區(qū)域性的變化是強制性的。在法國,室內(nèi)管理條例和歐洲的其他地方(在整個2.400-2.4835 GHz頻段范圍內(nèi)最大IERP功率是100mW)的管理條例相同。然而,在法國室外使用受到限制。頻率必須在2.400-2.454 GHz之間,最大功率是100 mW,或在2.454-2.483 GHz之間,最大功率是10MW功率?!?BR>
典型的無線技術(shù)
1) 無授權(quán)展頻無線電是工業(yè)無線以太網(wǎng)(和通過串行轉(zhuǎn)換/打包的串行通信)應(yīng)用中當(dāng)前的選擇。它們運行在915MHz和2.4 GHz ISM波段,支持9.6 kbps到300 kbps范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)速率,一般提供少于100 ms的延遲時間。一些無線電具有非常安全、內(nèi)嵌和基于硬件的數(shù)據(jù)加密。915 MHz波段有有限的跨國未授權(quán)的使用(在歐洲不允許使用),2.4 GHz中三分之一的波段不是直線對傳。兩個波段的無線電支持工業(yè)以太網(wǎng),特別是在惡劣的環(huán)境下。
2) 全球移動通信系統(tǒng)(GSM)和其2.5 G通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)擴展是全球占統(tǒng)治地位的模塊化語音和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),這些標(biāo)準(zhǔn)支持電路交換和分組交換,數(shù)據(jù)速率為14.4 kbps (GSM) 與115 kbps (GPRS)。內(nèi)嵌加密和前向糾錯在高電磁干擾環(huán)境下很有幫助。許多用戶通過使用包交換GPRS能共享高達115 kbps波段(八倍時隙)。根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)劃,每KB GPRS成本大約2到3分。延遲時間依賴是否需要建立鏈接或是否正在進行和使用的時隙,500ms到1500 ms是500字節(jié)的IP包的估計時間,一個或兩個時隙。
3) 在868 MHz-870 MHz的短程設(shè)備(SRD)頻段范圍內(nèi)的分頻段允許在歐洲非特定環(huán)境下使用,其受制于已經(jīng)定義的功率等級和占空因數(shù)??係RD分頻段中的三個分頻段有足夠的帶寬支持以太網(wǎng)(868 MHz高達600 KHz 到 868.6 MHz)或者1%的占空因數(shù)或者低功率使用有問題的以太網(wǎng)。869.4 MHz到869.65 MHz波段允許500 mW功率和10%的占空因數(shù),但是只有500 KHz的帶寬。
4) 藍牙成本很低(現(xiàn)在大約15美圓,將來保持在5美圓),2.4 GHz,快速跳頻擴頻媒介短程通信大約720 kbps的吞吐量。對工業(yè)市場來說,現(xiàn)在可用擴展溫度版本的藍牙。藍牙的缺點包括功耗、復(fù)雜的協(xié)議棧和相對低的接受器靈敏度,它們在高電磁干擾的地方都容易出問題。
無線工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)實應(yīng)用
無線使工業(yè)以太網(wǎng)連接到應(yīng)用中的移動設(shè)備成為可能,例如,龍門起重機、堆垛運輸機和自動導(dǎo)向小車。相對于旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤、卷筒、甚至輪船炮塔的滑環(huán),也改進了通信速度。無線工業(yè)以太網(wǎng)連接也用于橋接危險場所或清潔房間(制藥廠)內(nèi)的安全區(qū)——允許數(shù)據(jù)訪問或設(shè)備編程而沒有爆炸的風(fēng)險以及節(jié)省時間。以前使用無線技術(shù)維持遠程站點、建筑物、管線/儲存罐 數(shù)千米的連接,而現(xiàn)在的現(xiàn)代化工廠要求連接到具有內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器(用于監(jiān)視和預(yù)防性維護/支持)的各個設(shè)備。假如移動PDA或筆記本電腦能無線連接以及能用于無線傳感器的數(shù)據(jù)采集,現(xiàn)代化的工廠有工業(yè)熱點。
高度決定一切
恰當(dāng)?shù)匾?guī)劃和部署無線工業(yè)以太網(wǎng)對可靠的運行非常關(guān)鍵。對戶外應(yīng)用來說,地形的考慮是相當(dāng)重要的,也為了建立更長的鏈路,也許要求利用計算機化的路徑研究和現(xiàn)場實際調(diào)查去決定必要的天線高度和包括潛在的中繼器位置的網(wǎng)絡(luò)拓撲。在更高頻,直線對傳變得更重要,也許需要塔來提供開放無線電信號路徑。隨著無線設(shè)備與天線的距離增大,使用質(zhì)量好的、低損的傳輸線、雷電保護、接地和恰當(dāng)?shù)奶炀€安裝是極其重要的。
美國密蘇里州,Riverstone采石場
為了改進采石效率和協(xié)調(diào)各級工廠的挖掘,開發(fā)了包括無線工業(yè)以太網(wǎng)交換機的全自動化系統(tǒng),它們安裝在挖掘機、泵和各級工廠。各級工廠離挖掘機大約一千米遠,挖掘機位于水下采石廠。為了實現(xiàn)兩個采石廠的直線對傳而不需要中繼器,各級工廠的天線放置在20米高的地方。
Riverstone集團,砂礫石開采公司,近來決定采用無線。該項目首席工程師Mike Gottwald開始用消費者級無線電研究無線。
Gottwald說:“我們知道有幾個工業(yè)無線電公司關(guān)注這個應(yīng)用。消費者(非工業(yè))無線電是一個災(zāi)難。當(dāng)飛機通過時,它們停機。有些公司說他們不能完成這個項目。另一些公司說需要昂貴的中繼器?!?BR>
現(xiàn)在,全自動挖掘機不僅進行挖掘,而且升壓泵和各級工廠都是通過無線電通信。這種無線電以太網(wǎng)解決方案每年節(jié)省10萬美圓。
對室內(nèi)應(yīng)用來說,建筑物的藍圖幫助繪制必要的覆蓋區(qū)域,也暗示由結(jié)構(gòu)化元素(例如,鋼墻)強加的挑戰(zhàn)。通過現(xiàn)場調(diào)查(模擬盡可能接近實際的安裝,例如,天線類型和位置)加強無線網(wǎng)絡(luò)的初始設(shè)計從而通過測量信號強度指標(biāo)(RSSI)核對實際的覆蓋區(qū)域,光譜分析儀可用于校對波段內(nèi)的干擾。測試無線以太網(wǎng)性能測定,包括包誤差率(PER)和吞吐量,調(diào)整位置并確定是否需要額外的無線設(shè)備滿足應(yīng)用要求。無線供應(yīng)商應(yīng)有人性化的無線網(wǎng)絡(luò)配置和診斷工具。對無線局域網(wǎng)(WLAN)來說,可用商用和開放源碼802.11網(wǎng)絡(luò)分析儀幫助802.11網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、監(jiān)視和解決故障。
盧森堡,物料輸送
無線以太網(wǎng)交換機用于提供一個固定PLC和物料輸送系統(tǒng)運動機件上的兩個PLC之間的連接。除了設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)提供包括移動PLC的覆蓋區(qū)域,唯一的挑戰(zhàn)是金屬墻隔離移動的PLC。幸運的是,選擇的無線以太網(wǎng)交換機具有有源分集式天線,允許天線放置在金屬墻的任意一邊,也允許從每個移動PLC發(fā)送/接受信息。
這是工廠,不是旅游勝地
很多行業(yè)的工廠環(huán)境要求都非常苛刻。原來設(shè)計用于舒適的小辦公室/家庭環(huán)境(SOHO)的無線以太網(wǎng)產(chǎn)品很難適應(yīng)極限溫度、震動、沖擊、電磁干擾和惡劣工業(yè)設(shè)置中常見的危險場所。如果它們不能安裝到DIN導(dǎo)軌,工業(yè)是什么樣子呢?一些無線工業(yè)以太網(wǎng)的通用指導(dǎo)方針如下:
① 運行溫度至少在0-50℃(最好-40-75℃)
② 抗震動和沖擊滿足IEC 60068-2-6 和IEC 60068-2-27標(biāo)準(zhǔn)
③ 12VDC(太陽能)到24VDC
④ 危險場所滿足額定ATEX (歐洲)、UL或FM標(biāo)準(zhǔn)
⑤ 有源天線差異降低多路徑衰減,允許天線物理分離
⑥ 恰當(dāng)?shù)念l率、調(diào)制和設(shè)計從而抵抗電磁干擾
⑦ 多年保證從而反映設(shè)計質(zhì)量
南美,煉焦
無線工業(yè)以太網(wǎng)交換機取代傳統(tǒng)的,授權(quán)的無線電,當(dāng)客戶升級到以太網(wǎng)PLC時,提供7個推車(用于使裝入一組焦?fàn)t中的煤平整以及把焦碳從爐組推到熄滅車上)和中控室之間的無線以太網(wǎng)連接。推車在一組焦?fàn)t之間運動,因此需要全向天線覆蓋800米長的現(xiàn)場。
南美Throughput技術(shù)公司的Bob Petrie評論說:“這是我們在鋼鐵行業(yè)安裝的第二套系統(tǒng)。我們在其他行業(yè)也有許多安裝,但是由于現(xiàn)場極端惡劣的環(huán)境,例如,熱、塵埃、電磁干擾等,鋼鐵行業(yè)是極其重要的。帶寬在數(shù)據(jù)通信上是好的。重要的是系統(tǒng)投運和一直極好運行8個月。傳輸模式是跳頻擴頻的事實是重要的,因為這些工廠有許多基于無線電的其他系統(tǒng),再次確定知道來自其他應(yīng)用的干擾不影響我們供應(yīng)的系統(tǒng)的性能。”
一旦解答能否使用無線的問題,問題就變成哪種無線技術(shù)更適合工業(yè)以太網(wǎng)。答案很大程度上依賴應(yīng)用環(huán)境、數(shù)據(jù)吞吐量和延遲時間要求、節(jié)點之間的距離和本地?zé)o線管理條例。恰當(dāng)?shù)臒o線工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和安裝是滿足性能的關(guān)鍵。
了解你本地的無線管理條例
所有無線技術(shù)都受到本地政府管理條例的限制——許可的頻段和有效的發(fā)射功率(無線電傳輸功率和天線增益)在各個國家都是不同的。幸運的是歐洲,歐盟已經(jīng)促進無線通信標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào),特別是無線本地局域網(wǎng)或R-LAN,即公共因特網(wǎng)訪問。法國和西班牙協(xié)調(diào)的更慢,但是一些新的歐盟成員國家已經(jīng)采用這些標(biāo)準(zhǔn),例如,在2.4G波段展頻調(diào)制的ETS300 328標(biāo)準(zhǔn)??傊S多國家接受未授權(quán)的由歐洲郵電管理局會議(CEPT)旗下歐盟無線電通信委員會(ERC)設(shè)置的無線電標(biāo)準(zhǔn)。
在歐洲使用的無線工業(yè)以太網(wǎng)仍要求調(diào)整頻段或允許的有效發(fā)射功率,當(dāng)核準(zhǔn)權(quán)仍由每個國家掌握時,兩者都要求調(diào)整。
法國ProSoft SARL公司的應(yīng)用工程師Francoise Mailharein 說:“當(dāng)開發(fā)工業(yè)無線以太網(wǎng)應(yīng)用時,特別是在歐洲,采購者意識到在無線電通信標(biāo)準(zhǔn)和管理條例中區(qū)域性的變化是強制性的。在法國,室內(nèi)管理條例和歐洲的其他地方(在整個2.400-2.4835 GHz頻段范圍內(nèi)最大IERP功率是100mW)的管理條例相同。然而,在法國室外使用受到限制。頻率必須在2.400-2.454 GHz之間,最大功率是100 mW,或在2.454-2.483 GHz之間,最大功率是10MW功率?!?BR>
典型的無線技術(shù)
1) 無授權(quán)展頻無線電是工業(yè)無線以太網(wǎng)(和通過串行轉(zhuǎn)換/打包的串行通信)應(yīng)用中當(dāng)前的選擇。它們運行在915MHz和2.4 GHz ISM波段,支持9.6 kbps到300 kbps范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)速率,一般提供少于100 ms的延遲時間。一些無線電具有非常安全、內(nèi)嵌和基于硬件的數(shù)據(jù)加密。915 MHz波段有有限的跨國未授權(quán)的使用(在歐洲不允許使用),2.4 GHz中三分之一的波段不是直線對傳。兩個波段的無線電支持工業(yè)以太網(wǎng),特別是在惡劣的環(huán)境下。
2) 全球移動通信系統(tǒng)(GSM)和其2.5 G通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)擴展是全球占統(tǒng)治地位的模塊化語音和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),這些標(biāo)準(zhǔn)支持電路交換和分組交換,數(shù)據(jù)速率為14.4 kbps (GSM) 與115 kbps (GPRS)。內(nèi)嵌加密和前向糾錯在高電磁干擾環(huán)境下很有幫助。許多用戶通過使用包交換GPRS能共享高達115 kbps波段(八倍時隙)。根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)劃,每KB GPRS成本大約2到3分。延遲時間依賴是否需要建立鏈接或是否正在進行和使用的時隙,500ms到1500 ms是500字節(jié)的IP包的估計時間,一個或兩個時隙。
3) 在868 MHz-870 MHz的短程設(shè)備(SRD)頻段范圍內(nèi)的分頻段允許在歐洲非特定環(huán)境下使用,其受制于已經(jīng)定義的功率等級和占空因數(shù)??係RD分頻段中的三個分頻段有足夠的帶寬支持以太網(wǎng)(868 MHz高達600 KHz 到 868.6 MHz)或者1%的占空因數(shù)或者低功率使用有問題的以太網(wǎng)。869.4 MHz到869.65 MHz波段允許500 mW功率和10%的占空因數(shù),但是只有500 KHz的帶寬。
4) 藍牙成本很低(現(xiàn)在大約15美圓,將來保持在5美圓),2.4 GHz,快速跳頻擴頻媒介短程通信大約720 kbps的吞吐量。對工業(yè)市場來說,現(xiàn)在可用擴展溫度版本的藍牙。藍牙的缺點包括功耗、復(fù)雜的協(xié)議棧和相對低的接受器靈敏度,它們在高電磁干擾的地方都容易出問題。
無線工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)實應(yīng)用
無線使工業(yè)以太網(wǎng)連接到應(yīng)用中的移動設(shè)備成為可能,例如,龍門起重機、堆垛運輸機和自動導(dǎo)向小車。相對于旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤、卷筒、甚至輪船炮塔的滑環(huán),也改進了通信速度。無線工業(yè)以太網(wǎng)連接也用于橋接危險場所或清潔房間(制藥廠)內(nèi)的安全區(qū)——允許數(shù)據(jù)訪問或設(shè)備編程而沒有爆炸的風(fēng)險以及節(jié)省時間。以前使用無線技術(shù)維持遠程站點、建筑物、管線/儲存罐 數(shù)千米的連接,而現(xiàn)在的現(xiàn)代化工廠要求連接到具有內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器(用于監(jiān)視和預(yù)防性維護/支持)的各個設(shè)備。假如移動PDA或筆記本電腦能無線連接以及能用于無線傳感器的數(shù)據(jù)采集,現(xiàn)代化的工廠有工業(yè)熱點。
高度決定一切
恰當(dāng)?shù)匾?guī)劃和部署無線工業(yè)以太網(wǎng)對可靠的運行非常關(guān)鍵。對戶外應(yīng)用來說,地形的考慮是相當(dāng)重要的,也為了建立更長的鏈路,也許要求利用計算機化的路徑研究和現(xiàn)場實際調(diào)查去決定必要的天線高度和包括潛在的中繼器位置的網(wǎng)絡(luò)拓撲。在更高頻,直線對傳變得更重要,也許需要塔來提供開放無線電信號路徑。隨著無線設(shè)備與天線的距離增大,使用質(zhì)量好的、低損的傳輸線、雷電保護、接地和恰當(dāng)?shù)奶炀€安裝是極其重要的。
美國密蘇里州,Riverstone采石場
為了改進采石效率和協(xié)調(diào)各級工廠的挖掘,開發(fā)了包括無線工業(yè)以太網(wǎng)交換機的全自動化系統(tǒng),它們安裝在挖掘機、泵和各級工廠。各級工廠離挖掘機大約一千米遠,挖掘機位于水下采石廠。為了實現(xiàn)兩個采石廠的直線對傳而不需要中繼器,各級工廠的天線放置在20米高的地方。
Riverstone集團,砂礫石開采公司,近來決定采用無線。該項目首席工程師Mike Gottwald開始用消費者級無線電研究無線。
Gottwald說:“我們知道有幾個工業(yè)無線電公司關(guān)注這個應(yīng)用。消費者(非工業(yè))無線電是一個災(zāi)難。當(dāng)飛機通過時,它們停機。有些公司說他們不能完成這個項目。另一些公司說需要昂貴的中繼器?!?BR>
現(xiàn)在,全自動挖掘機不僅進行挖掘,而且升壓泵和各級工廠都是通過無線電通信。這種無線電以太網(wǎng)解決方案每年節(jié)省10萬美圓。
對室內(nèi)應(yīng)用來說,建筑物的藍圖幫助繪制必要的覆蓋區(qū)域,也暗示由結(jié)構(gòu)化元素(例如,鋼墻)強加的挑戰(zhàn)。通過現(xiàn)場調(diào)查(模擬盡可能接近實際的安裝,例如,天線類型和位置)加強無線網(wǎng)絡(luò)的初始設(shè)計從而通過測量信號強度指標(biāo)(RSSI)核對實際的覆蓋區(qū)域,光譜分析儀可用于校對波段內(nèi)的干擾。測試無線以太網(wǎng)性能測定,包括包誤差率(PER)和吞吐量,調(diào)整位置并確定是否需要額外的無線設(shè)備滿足應(yīng)用要求。無線供應(yīng)商應(yīng)有人性化的無線網(wǎng)絡(luò)配置和診斷工具。對無線局域網(wǎng)(WLAN)來說,可用商用和開放源碼802.11網(wǎng)絡(luò)分析儀幫助802.11網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、監(jiān)視和解決故障。
盧森堡,物料輸送
無線以太網(wǎng)交換機用于提供一個固定PLC和物料輸送系統(tǒng)運動機件上的兩個PLC之間的連接。除了設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)提供包括移動PLC的覆蓋區(qū)域,唯一的挑戰(zhàn)是金屬墻隔離移動的PLC。幸運的是,選擇的無線以太網(wǎng)交換機具有有源分集式天線,允許天線放置在金屬墻的任意一邊,也允許從每個移動PLC發(fā)送/接受信息。
這是工廠,不是旅游勝地
很多行業(yè)的工廠環(huán)境要求都非常苛刻。原來設(shè)計用于舒適的小辦公室/家庭環(huán)境(SOHO)的無線以太網(wǎng)產(chǎn)品很難適應(yīng)極限溫度、震動、沖擊、電磁干擾和惡劣工業(yè)設(shè)置中常見的危險場所。如果它們不能安裝到DIN導(dǎo)軌,工業(yè)是什么樣子呢?一些無線工業(yè)以太網(wǎng)的通用指導(dǎo)方針如下:
① 運行溫度至少在0-50℃(最好-40-75℃)
② 抗震動和沖擊滿足IEC 60068-2-6 和IEC 60068-2-27標(biāo)準(zhǔn)
③ 12VDC(太陽能)到24VDC
④ 危險場所滿足額定ATEX (歐洲)、UL或FM標(biāo)準(zhǔn)
⑤ 有源天線差異降低多路徑衰減,允許天線物理分離
⑥ 恰當(dāng)?shù)念l率、調(diào)制和設(shè)計從而抵抗電磁干擾
⑦ 多年保證從而反映設(shè)計質(zhì)量
南美,煉焦
無線工業(yè)以太網(wǎng)交換機取代傳統(tǒng)的,授權(quán)的無線電,當(dāng)客戶升級到以太網(wǎng)PLC時,提供7個推車(用于使裝入一組焦?fàn)t中的煤平整以及把焦碳從爐組推到熄滅車上)和中控室之間的無線以太網(wǎng)連接。推車在一組焦?fàn)t之間運動,因此需要全向天線覆蓋800米長的現(xiàn)場。
南美Throughput技術(shù)公司的Bob Petrie評論說:“這是我們在鋼鐵行業(yè)安裝的第二套系統(tǒng)。我們在其他行業(yè)也有許多安裝,但是由于現(xiàn)場極端惡劣的環(huán)境,例如,熱、塵埃、電磁干擾等,鋼鐵行業(yè)是極其重要的。帶寬在數(shù)據(jù)通信上是好的。重要的是系統(tǒng)投運和一直極好運行8個月。傳輸模式是跳頻擴頻的事實是重要的,因為這些工廠有許多基于無線電的其他系統(tǒng),再次確定知道來自其他應(yīng)用的干擾不影響我們供應(yīng)的系統(tǒng)的性能。”
本文標(biāo)簽:工業(yè)無線以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢和實施考慮
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