比较工业自动化的无线协议
作者：Jody Muelaner
第四次工业革命（工业 4.0）为机器带来了更多的智能和自动化设施的效率和灵活性。这些日益复杂的系统推动了无线通信在工业环境中的应用。毕竟，工业 4.0 智能机器和模块化自动化的定义如下：
· 安全和适应性强的控制连接
· 收集并不断调整生产过程中的数值
· 用于预见性维护程序的机械状态监测
· 为实现大数据分析能力而进行联网
支持这些功能的无线技术都基于蜂窝、Wi-Fi、蓝牙和 IEEE 802.15.4 标准和协议。部分原因是，设计工程师期望来自不同供应商的组件具有兼容性——根据定义，必须通过行业标准接口而不是专有接口进行连接。事实上，互操作性只是工业 4.0 的一个方面。
图 1：无线连接是协调材料处理和协作机器人任务的关键。（图片来源：Getty Images）
纳入无线通信的单个设备通常比有线网络的成本更高。然而，这种前期成本的增加能以多种方式抵消，而且从长远来看，无线设备往往被证明是最具性价比的选择。原因是在生产区域铺设电缆的成本可能很高。规划电缆敷设路径及其连接器是一项很费力的工作。另外，电缆需要保护，需要电缆槽架或支撑件的支撑，还需要接线盒和其他附件。规划、订购和安装所有这些与电缆有关的五金件，会延长网络实施时间。
基于 Wi-Fi 的自动化标准
电气和电子工程师协会 (IEEE) 于 1997 年发布了 802.11 标准，定义了局域网 (LAN) 的无线实施标准。为了确保市场能充分执行这一标准，行业联盟 Wi-Fi Alliance很快跟进——由有意向建立测试和认证计划的无线设备公司牵头，来保持跨供应商产品的互操作性。今天，通过 IEEE 802.11 定义的 Wi-Fi 标准得到了 Wi-Fi Alliance 标准化的更多补充，使得符合各项要求的设备还具有非常可靠的兼容性。
图 2：工业 4.0（也称为工业物联网或 IIoT）与无线技术的采用密不可分。这些无线技术采用标准化接口，允许各种设备和计算系统之间进行连接，包括用作人机界面的移动设备（如图所示）以及无数其他用于互通机器状态信息的现场无线组件。（图片来源：Getty Images）
虽然 Wi-Fi 对于监控应用和将机器连接到企业级系统相当有用，但由于在速度、延迟和连接稳定性方面的问题，使这种技术在机器控制相关的高要求工业自动化应用中的使用受到限制。这意味着今天工业应用中的 Wi-Fi 大多仅限于要求不太严格的情况。其中包括：
· 与制造执行系统 (MES) 进行数据通信的条形码扫描仪，可容忍一两秒的延迟。
· 不涉及实时控制功能的运动传感器
· 使用传感器长期进行机器状态监测，如加速度计（跟踪一段时间内的振动产生情况）以及温度、压力、湿度和气体浓度传感器，用于监测设备的效率和健康状态。
图 3：尽管不适合用于机器控制，但 Wi-Fi 对于机器监测应用、连接工厂车间和企业级系统是非常有用的。（图片来源：Wi-Fi Alliance）
目前，让 Wi-Fi 技术适应工业控制应用已尝试过多次，但成功率有限。但是有一个协议例外，那就是在 IIoT 方面有些成功运用的工业自动化和过程自动化无线网络 (WIA-PA) 协议。这是一种来自中国的工业无线通信标准。
当然，Wi-Fi 的工作频率为 2.4 或 5 GHz，频率越高数据传输速度越快，但由于更高的频率在穿过墙壁和其他固体物体时更容易出现耗散，因此传输范围也会减小。专用标准是使用其他频段的。例如，IEEE 802.11ah 低数据 Wi-Fi (HaLowWi-Fi) 在 900MHz 左右运行——通常用于需要扩大范围和极低功耗的传感器。另一种极端情况是，IEEE 802.11ad Wi-Fi(WiGig) 的工作频率为 60 GHz 左右，可实现非常快的数据传输。
基于 IEEE 802.15.4 的无线标准
其他可选的无线协议是 IEEE 802.15.4 标准定义的低速率无线个人局域网络或 LR-WPAN。LR-WPAN 技术优先考虑低成本和低功耗，而不是速度和传输距离。根据其基本规格参数，LR-WPAN 通信的数据传输率可达 250 kb/s，传输距离可达 10 m。这种技术旨在实现低成本设备之间的通信，而无需任何其他的通信基础设施。诸如 6LoWPAN、WirelessHART 和 ZigBee 等基于 IEEE 802.15.4 标准的协议正在迅速成为首选的 IIoT 协议。
1.WirelessHART： 由 HART Communications Foundation、ABB、西门子和其他公司支持的 WirelessHART 的协议，该协议基于 802.15.4。这是一个得到良好支持的、强大的工业自动化应用标准。使用具有时间同步功能的跳频网状网络来维持网络的可靠性。相比之下，大多数基于 Wi-Fi 和蜂窝技术的无线通信协议都使用了不太稳健的星形网络拓扑结构，要求所有设备都与中央设备相连。所有通信都使用 128 位 AES 加密，且用户访问可能受到严格的控制。
图 4：LTP5903-WHR SmartMesh 网络管理器支持线路供电式 WirelessHART 网关，从而让工程师能够整合一个基于标准的无线传感器网络，以实现可扩展双向通信。（图片来源：Analog Devices）
由于 WirelessHART 使用网状网拓扑结构，因此数据可以在设备之间直接路由。这可以扩大网络范围，形成冗余通信路径。这样，如果其中一个路径出现故障，发送方就会自动切换到一个冗余路径。跳频还能使 WirelessHART 避免干扰问题。
2.6LoWPAN：低功耗无线个人局域网络上的 IPv6（通常称为 6LoWPAN）是一个协议，允许 IPv6 数据包在基于 IEEE 802.15.4 的网络上传输。这意味着功耗非常低的设备可以连接互联网，以使其非常适合物联网传感器和其他低功耗设备。
3.ZigBee：由 Zigbee 联盟维护并且在智能家居和楼宇自动化应用中使用最广泛，ZigBee 可能是最成熟的基于 IEEE 802.15.4 的协议。该协议让节点在大部分时间内保持休眠模式，以大幅延长电池寿命。ZigBee 通常工作在 2.4 GHz 频段，固定数据传输率为 250 kb/s。该协议可以支持各种网络拓扑结构，包括星形、树形和网状网。树状和网状网拓扑结构扩大了网络范围。
图 5：Zigbee 对工业环境中的运动、振动、湿度、温度和存在传感器及其他应用都非常有用。（图片来源：Zigbee 联盟）
工业自动化中的低功耗蓝牙和蜂窝状物联网
低功耗蓝牙 (BLE) 是 IEEE 802.15.4 的替代协议。这种情况下，低成本和低功耗是首要任务，可以牺牲速度和传输范围。与标准蓝牙相同，该协议的工作频率为 2.4 GHz。低功耗蓝牙的最大优势在于如何得到了移动操作系统的原生支持，如 Open Handset Alliance（开放手机联盟） 的安卓系统、苹果的 iOS 系统和微软的 Windows 系统及其各种变体。此外，Logitech Corp. 等大型电子产品供应商投入了最多的研发资金，所以低功耗蓝牙仍然主要是消费类设备的无线连接选项也就不足为奇了。这与 WirelessHART 形成鲜明对比，IIoT 应用始终是后者主要关注的对象。
图 6：低功耗蓝牙 (BLE) 标准包括一个串行端口配置文件，各个系统会将其识别为一个完整的串行接口。这对于使用通过 BLE 连接的升级设备来替换有线设备是非常有用的。（图片来源：Bluetooth Special Interest Group）
综上所述，在过去的几年里，有很多传感器、遥控器、锁具和手持设备采用低功耗蓝牙执行工业自动化任务。这一趋势在未来几年可能会增加。
与 BLE 和基于 IEEE 802.15.4 协议的低功耗、短距离通信相比，蜂窝技术是长距离无线通信。2G GSM 蜂窝协议大多已被在手机和物联网设备中普及的 3G 和 4G 高速蜂窝协议所取代。但问题是，蜂窝通信的电力消耗巨大，因此在工业应用中，特别是机器上使用这种连接时系统需要连接一个永久的有线连接式电源。蜂窝式 LTE 类别表明了最大的数据传输率，尽管它以更高的功耗为代价。LTE Cat-0 和 Cat-1 连接适用于物联网设备。相比之下，LTE-M 是专门为机器对机器和物联网应用而设计的低功耗蜂窝协议。
与其在手机中相对广泛的使用相比，工业级 5G 应用还没有那么成熟。这是因为消费者优先考虑下载速度（所以已经迅速采用了入门级 5G 设备），IIoT 系统工程师优先考虑低延迟和无死角全面覆盖。事实上，低延迟在工业自动化中至关重要。诚然，第一批 5G 网络已将延迟控制在 30 ms 以下，但人们正努力将延迟进一步降低到只有 1 ms。这对于要求严格的实时工业控制（不仅仅是监控）应用来说，速度已经足够快了，例如在机床中传输反馈信号。
5G 技术减少延迟的一种方式是网络切片。这种网络技术将网络的带宽划分为不同的虚拟通道，然后对其单独管理。一些通道专门用于低延迟传输，禁止大多数流量使用这种通道。然后，只有需要最高传输速率的工业控制应用才能使用这些专门保留的快速通道。
LoRA 无线协议的崛起
长距离广域网络调制 (LoRA) 是可再生能源、采矿和物流业的远程和离岸应用的低成本无线协议选择。这是一种低功耗无线技术，可以在甚至超过 10 公里的非常长的范围内通信，而且仅用一块电池就可以持续工作长达 10 年。简而言之，LoRA 是一种在免许可频段上运行的非蜂窝技术。该技术采用次千兆赫频段，如 433 MHz 和 915 MHz，以及基于线性调频扩频 (SSS) 调制的扩频调制。这使其非常适用于设置在偏远地区且只需适度数据传输速率的物联网设备。LoRA 还具有 128 位加密和认证控制功能。另一个有用的功能是利用设备之间的三边测量法进行地理定位，尤其适用于 IIoT 应用中的传感器。
LoRA 使用由 Semtech Corp. 开发的专有技术，但也有大量的开源元素。它得到了 LoRa Alliance 的支持（和设备互操作性保证）。LoRa Alliance 是一个包括 IBM、Cisco、TATA、Bosch、Swisscom 和 Semtech 在内的大型协会。
结语
用于工业自动化的无线协议比比皆是。每一种都适合特定的应用。对于要求低功耗并接受短距离传输的用途，往往受益于 ZigBee 和低功耗蓝牙连接。要求更高的工业应用需要通信的稳健性，则可能需要支持 WirelessHART 无线连接功能的设备。要求长距离传输、高数据速率的应用，则必定使用蜂窝技术。在这里，5G 有望改变无线通信。要求在很长的距离内进行数据通信并且电力消耗最少时，最好的选择通常是 LoRa 技术。
