無(wú)線(xiàn)技術(shù)已成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重要發(fā)展方向
德國(guó)“工業(yè)4.0研發(fā)白皮書(shū)”及“工業(yè)4.0實(shí)施戰(zhàn)略及參考架構(gòu)”都將無(wú)線(xiàn)技術(shù)作為工業(yè)4.0網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)研究和創(chuàng)新中的重要組成部分，其計(jì)劃在2018年實(shí)現(xiàn)公眾5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)，為工業(yè)提供廣域網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；2020年，在工業(yè)4.0中實(shí)現(xiàn)最新的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和近場(chǎng)技術(shù)的使用。
美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟IIC同樣重視無(wú)線(xiàn)技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用。該聯(lián)盟專(zhuān)門(mén)成立了網(wǎng)絡(luò)連接組來(lái)開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。網(wǎng)絡(luò)連接組將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)分為連接傳輸層和連接“框架層”，其中WiFi、NFC、zigbee、2G/3G/4G等無(wú)線(xiàn)技術(shù)成為連接傳輸層的重要技術(shù)。并在網(wǎng)絡(luò)連接文檔中對(duì)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、可靠性、可擴(kuò)展性等都有明確的規(guī)定。
德國(guó)工業(yè)4.0和美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之所以重視無(wú)線(xiàn)技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用，是因?yàn)闊o(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相比于現(xiàn)有的工業(yè)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。一是可大幅降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)成本。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能夠快速部署，無(wú)須在現(xiàn)場(chǎng)、車(chē)間、廠(chǎng)房等環(huán)境鋪設(shè)線(xiàn)纜及相關(guān)保護(hù)裝置。使用無(wú)線(xiàn)技術(shù)將使測(cè)控系統(tǒng)的安裝與維護(hù)成本降低90%。二是提高生產(chǎn)線(xiàn)的靈活性，無(wú)線(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的移動(dòng)性，提高了生產(chǎn)設(shè)備部署的靈活性，可以根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)及應(yīng)用需求，快速實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)的重構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)線(xiàn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。三是實(shí)現(xiàn)部署環(huán)境的廣泛性，由于無(wú)線(xiàn)技術(shù)突破線(xiàn)纜部署限制，具有mesh、星型等多種網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)，在各種工業(yè)場(chǎng)景下都可實(shí)現(xiàn)快速部署。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)無(wú)線(xiàn)技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)提出了新要求，按照使用范圍劃分，通信網(wǎng)絡(luò)分為工廠(chǎng)內(nèi)和工廠(chǎng)外兩大類(lèi)，工廠(chǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)主要承載控制類(lèi)、采集類(lèi)和交互類(lèi)業(yè)務(wù)，各類(lèi)業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能要求也不相同，如承載控制類(lèi)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)需要具備低時(shí)延（端到端時(shí)延毫秒級(jí)，時(shí)延抖動(dòng)微秒級(jí)）、高可靠（數(shù)據(jù)傳輸成功率99.999%）、高同步精度（百納秒級(jí)）的能力；承載采集業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)需要具備高密度接入（百萬(wàn)連接/平方公里）、低功耗（使用超過(guò)10年以上）的能力；承載交互類(lèi)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)需要具備高傳輸速率（體驗(yàn)速率Gbps）的能力。工廠(chǎng)外網(wǎng)絡(luò)承載主要有控制類(lèi)、采集類(lèi)、交互類(lèi)和單項(xiàng)傳送類(lèi)四類(lèi)業(yè)務(wù)。與工廠(chǎng)內(nèi)業(yè)務(wù)相似，工廠(chǎng)外的四類(lèi)業(yè)務(wù)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)也有同樣的要求，特別是部分工廠(chǎng)外采集類(lèi)業(yè)務(wù)還要求網(wǎng)絡(luò)支持高移動(dòng)接入能力（500km/h）。
因此，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)要想應(yīng)用在工業(yè)中，還需要根據(jù)其應(yīng)用環(huán)境——工廠(chǎng)內(nèi)還是工廠(chǎng)外，以及承載的業(yè)務(wù)不同，進(jìn)行不同程度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在無(wú)線(xiàn)技術(shù)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，主要考慮以下方面:
一是工廠(chǎng)環(huán)境電磁環(huán)境復(fù)雜，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的干擾源較多。應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)、車(chē)間、廠(chǎng)房等場(chǎng)景電磁環(huán)境較為復(fù)雜，各種大型器械、金屬管道等對(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)的反射、散射造成的多徑效應(yīng)嚴(yán)重，馬達(dá)、器械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生電磁噪聲會(huì)對(duì)無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)生干擾，在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及空口技術(shù)設(shè)計(jì)及實(shí)際部署時(shí)，要考慮電磁干擾對(duì)無(wú)線(xiàn)傳輸性能的影響。
二是有限空間內(nèi)傳感、控制、作業(yè)等大量設(shè)備需要同時(shí)接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的接入能力提出較高要求。根據(jù)歐盟工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頻率需求材料測(cè)算，要求在100平方米的生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)，通信網(wǎng)絡(luò)具備至少300個(gè)設(shè)備同時(shí)接入的能力。
三是現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高速率、高可靠性、廣泛互聯(lián)等方面還無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用的需求，如控制時(shí)延ms級(jí)，可靠性達(dá)到99.999%等，需要進(jìn)一步提升。無(wú)線(xiàn)技術(shù)與工業(yè)設(shè)備、儀表的融合還需加強(qiáng)，由于工業(yè)設(shè)備及儀表許多都工作在高溫、高濕等環(huán)境下，同時(shí)又有本質(zhì)防爆的要求，這對(duì)無(wú)線(xiàn)芯片設(shè)計(jì)及封裝等工藝提出較高的要求。
無(wú)線(xiàn)技術(shù)向工業(yè)領(lǐng)域滲透，并呈現(xiàn)兩條演進(jìn)路徑
無(wú)線(xiàn)技術(shù)逐步向工業(yè)領(lǐng)域滲透，呈現(xiàn)從信息采集到生產(chǎn)控制，從局部方案到全網(wǎng)方案的發(fā)展趨勢(shì)。目前無(wú)線(xiàn)技術(shù)主要用于設(shè)備及產(chǎn)品信息的采集、非實(shí)時(shí)控制和實(shí)現(xiàn)工廠(chǎng)內(nèi)部信息化等，WiFi、Zigbee、2G/3G/LTE、面向工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)WIA-PA、WirelessHART及ISA100.11a等技術(shù)已在工廠(chǎng)內(nèi)獲得部分使用。同時(shí)無(wú)線(xiàn)技術(shù)正逐步向工業(yè)實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域滲透，成為現(xiàn)有工業(yè)有線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)有力的補(bǔ)充或替代。
從技術(shù)演進(jìn)上來(lái)看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)主要呈現(xiàn)兩大技術(shù)路徑：一是現(xiàn)有技術(shù)演進(jìn)路徑，包含傳統(tǒng)短距離技術(shù)演進(jìn)和移動(dòng)網(wǎng)技術(shù)（包含2G/3G/4G）技術(shù)演進(jìn)；二是新技術(shù)路徑，主要包含新的短距離技術(shù)及5G等無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。
目前IEC/ISO已經(jīng)針對(duì)工業(yè)制定了專(zhuān)用的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，包括WIA/WirelessHART/ISA100.11a，其在可靠性、抗干擾、時(shí)延保障等方面都做了大量的技術(shù)優(yōu)化。移動(dòng)蜂窩網(wǎng)目前主要面向物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用還處于初期階段，后續(xù)的技術(shù)演進(jìn)還在探討中。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部署將以疊加為主、融合為輔
由于工業(yè)控制系統(tǒng)自成體系，并以穩(wěn)定可靠為第一準(zhǔn)則，因此工業(yè)企業(yè)對(duì)其改動(dòng)都非常謹(jǐn)慎小心，但工業(yè)制造及工業(yè)服務(wù)等企業(yè)等對(duì)生產(chǎn)設(shè)備、環(huán)境、生產(chǎn)工具等數(shù)據(jù)的需求又很迫切，加之有線(xiàn)部署成本過(guò)高，且難度較大，因此紛紛采用疊加方式來(lái)部署無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。所謂疊加方式是指在現(xiàn)有工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò)之外建設(shè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，用于采集設(shè)備及產(chǎn)品信息，并進(jìn)行非實(shí)時(shí)性及部分場(chǎng)景實(shí)時(shí)的設(shè)備控制。也有些企業(yè)在嘗試采用融合方式來(lái)部署無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，即用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)逐步取代部分現(xiàn)有的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)（如現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和以太網(wǎng)），實(shí)現(xiàn)信息采集和控制的無(wú)線(xiàn)化。
目前，無(wú)線(xiàn)技術(shù)憑借著部署容易、建設(shè)成本低、適用環(huán)境廣泛等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為未來(lái)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)發(fā)展及應(yīng)用的重要方向。工業(yè)環(huán)境及工業(yè)應(yīng)用需求也將推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展及演進(jìn)。
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