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工业互联网无线技术应用及发展趋势

2016-06-14 17:45
论恒
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  1.无线技术已成为工业互联网重要发展方向

  德国“工业4.0研发白皮书”及“工业4.0实施战略及参考架构”都将无线技术作为工业4.0网络通信技术研究和创新中的重要组成部分,其计划在2018年实现公众5G网络基础设施的设计和标准,为工业提供广域网络服务;2020年,在工业4.0中实现最新的无线局域网和近场技术的使用。

  美国工业互联网联盟IIC同样重视无线技术在工业中的应用。联盟专门成立了网络连接组来开展网络技术的研究。网络连接组将工业网络分为连接传输层和连接,其中Wi-Fi、NFC、zigbee、2G/3G/4G等无线技术成为连接传输层的重要技术,如下图1所示。并在网络连接文档中对网络的时延、可靠性、可扩展性等都有明确的规定。

  德国工业4.0和美国工业互联网之所以重视无线技术在工业中的应用,是因为无线网络相比于现有的工业有线网络具有明显的优势。一是可大幅降低网络建设和维护成本。无线网络能够快速部署,无须在现场、车间、厂房等环境铺设线缆及相关保护装置。使用无线技术将使测控系统的安装与维护成本降低。二是提高生产线的灵活性,无线技术实现了现场设备的移动性,提高了生产设备部署的灵活性,可以根据工业生产及应用需求,快速的实现生产线的重构,为实现柔性生产线奠定技术基础。三是实现部署环境的广泛性,由于无线技术突破线缆部署限制,具有mesh、星型等多种网络部署架构,在各种工业场景下都可实现快速部署。

  图1 IIC网络连接架构

  2.工业互联网应用对无线技术提出新的挑战

  工业互联网对通信网络提出了新要求,按照使用范围划分,通信网络分为工厂内和工厂外两大类,工厂内网络主要承载控制类、采集类和交互类业务,各类业务对网络的性能要求也不相同,如承载控制类业务的网络需要具备低时延(端到端时延毫秒级,时延抖动微秒级)、高可靠(数据传输成功率99.999%)、高同步精度(百纳秒级)的能力;承载采集业务的网络需要具备高密度接入(百万连接/平方公里)、低功耗(使用超过10年以上)的能力;承载交互类业务的网络需要具备高传输速率(体验速率Gbps)的能力。工厂外网络承载主要有控制类、采集类、交互类和单项传送类四类业务。与工厂内业务相似,工厂外的四类业务对通信网络也有同样的要求,特别是部分工厂外采集类业务还要求网络支持高移动接入能力(500km/h)。

  因此,无线网络要想应用在工业中,还需要根据其应用环境-工厂内还是工厂外,以及承载的业务不同,进行不同程度的优化设计。在无线技术设计和应用中,主要考虑以下方面:

  一是工厂环境电磁环境复杂,无线网络的干扰源较多。应用工业互联网的现场、车间、厂房等场景电磁环境较为复杂,各种大型器械、金属管道等对无线信号的反射、散射造成的多径效应严重,马达、器械运转时产生电磁噪声会对无线通信产生干扰,在无线网络及空口技术设计及实际部署时,要考虑电磁干扰对无线传输性能的影响。二是有限空间内传感、控制、作业等大量设备需要同时接入工业互联网,对无线网络的接入能力提出较高要求。根据欧盟工业互联网频率需求材料测算,要求在100平方米的生产车间内,通信网络具备至少300个设备同时接入的能力。三是现有的无线技术在满足工业互联网高速率、高可靠性、广泛互联等方面还无法满足工业应用的需求,如控制时延ms级,可靠性达到99.999%等,需要进一步提升。第四无线技术与工业设备、仪表的融合还需加强,由于工业设备及仪表许多都工作在高温、高湿等环境下,同时又有本质防爆的要求,这对无线芯片设计及封装等工艺提出较高的要求。

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