无线连接:趋势和注意事项

2021年9月6日

考虑到物理环境、安全和安保的精心设计将有助于使无线控制成为全球工厂和工厂的新常态。

在过去的几十年里，无线网络速度的进步和延迟的减少从根本上改变了全球通信。无线蜂窝技术已经从21世纪初速度为20mbit /sec的3G发展到今天速度高达20gbit /sec的5G，每十年就会发生几代人的进步。过去三种WiFi规格的发布间隔大约五年，其中WiFi 4允许600 Mbit/s的下载速度，WiFi 6允许高达9.6 Gbit/s的下载速度。

虽然这两种技术的发展都是以恒定的线性速度进行的，但其速度却以指数速度增长。通信时间的大幅缩短使得包装设施中的码垛机和油气田中的隔离仪器等机器能够实现远程连接，从而可以远程监控维护支持，还可以实现汽车中的全厂网络，以进行高级诊断分析。

无线通信最初为业务提供语音，然后在为业务和自动化(包括视频)传输数据的能力方面有所增长，最后有望成为自动化控制的可行解决方案，特别是5G的专用和混合网络选项可用性。无线网络持续发展的下一个前沿领域是离散和过程环境中的广泛控制，这将从新的5G和WiFi 6技术中获得重大启动。

自动化方面的考虑
自动化环境中的无线通信带来了许多额外的机会和挑战。由于无需安装物理电缆，因此可以节省安装成本，增加了设备和仪器的连接性，减少了在高度移动环境中布线的挑战。然而，为了使无线在自动化控制应用中真正可行，必须解决安全、安保和物理位置等挑战。安全是一个至关重要的问题，因为新的开发机会可以从工厂的墙外或工厂的大门打开无线。杂散信号可以通过辐射电缆和巧妙放置天线来减轻。但是，重要的是要对传输节点进行身份验证，对通信进行加密，并确保在没有密码或密钥的情况下无法更改配置。作为纵深防御解决方案的一部分，设备和边缘控制级自动化流量可以通过CIP Security™以太网/IP网络扩展等解决方案得到进一步保护。

安全性是无线通信的另一个重要方面，特别是对于移动车辆、运动机械以及工人可能接触到潜在危险运动的场所。电子产品的安全设计由IEC 61508和IEC 62061指导，其中规定了如何应用故障模式分析，连续诊断和其他稳健的电子系统安全设计实践。此外，IEC 13849涵盖了机电系统的相同设计安全方法。为了满足这些标准，许多工业安全系统利用黑色通道方法。这一概念要求安全设备具有足够的计算、智能和诊断能力，使整个通信网络对安全设备检测通信错误的能力不产生任何影响。这意味着物理传输介质只是黑色信道的另一部分。应用层安全解决方案，如用于以太网/IP的CIP安全网络扩展，可以在机器和过程自动化安全应用中提供节点之间的故障安全通信，如安全I/O块、安全联锁开关、安全光幕和安全控制器，达到IEC 61508规定的安全完整性等级(SIL) 3。

最后，无线控制应用必须考虑距离、障碍物和干扰。重要的是要确保距离最小化，保持视线，并最大限度地减少高压和其他高频信号源的干扰。干扰可能导致无线网络比有线网络具有更高的数据包错误率，并且更频繁地重新配置自己，这可能导致数据包延迟和丢失以及连接超时。根据所需的速度，这些转换可能会潜在地破坏自动化应用程序。无线中继器是帮助增加信号强度和克服潜在干扰的一种选择。

无线应用示例
无线控制价值的一个明显例子是在工厂或仓库周围运输材料的自动引导车辆(agv)。在地板上创建AGV运行的物理轨道是昂贵的，当工艺变化需要新的布局时，这种成本会成倍增加。汽车内的焊接单元也采用了无线控制，以消除在高度移动的狭窄空间中运行电缆的一些挑战。长期以来，过程自动化一直利用无线控制来连接风力发电场或油气田的远程和扩展仪器。其他可能性包括在食品和饮料应用中使用更少的电缆进行卫生设计，模块化和灵活的工厂设计以准备工业4.0，以及在传统设备中添加数据收集传感器以进行工业物联网分析。

以太网/无线IP
以太网/IP工业通信网络在ISO/OSI模型的应用层上使用通用工业协议或CIP协议在设备和仪器之间进行数据通信。然后将CIP信息封装在传输层中，传输层使用TCP处理较大的数据包(如诊断)，或使用UDP处理较小的、对时间更敏感的数据包(如用于以太网/IP的I/O)。在网络层，添加逻辑寻址Internet协议(IP)信息，使数据包为网络访问做好准备。在数据链路层和物理层，数据包被转换成传输介质。这种通过CIP进行数据通信的方法，独立于传输、网络、数据链或物理层，使得使用不同的传输介质成为可能。因此，以太网/IP可以跨铜缆、光纤和无线使用，为用户提供了跨众多工业应用使用的高度灵活性。

前进的道路
一段时间以来，工业领域已经体验到了无线诊断信息的优势，现在将进行重大转变，使用无线进行控制。5G和WiFi 6等技术将有助于推动工业应用所需的速度提高和延迟降低。以太网/IP将成为关键的工业通信协议之一，由于CIP通信使其具有媒体独立性，因此将实现这一变化。

阅读“CIP安全:无线功能安全”白皮书:https://www.odva.org/technology-standards/document-library/了解更多关于CIP，以太网/IP和CIP安全无线。


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