工業(yè)自動化無線控制與I/O應用的關鍵因素
工業(yè)自動化與無線
工業(yè)自動化領域越來越意識到無線的優(yōu)越性,主要因為:
運行有線網絡需耗費大量的人力物力,而無線則更為經濟。
無線為遠程區(qū)域或無法使用有線的區(qū)域提供了連通性。
無線控制器和無線I/O能管理設備及過程控制,即使在難以接近的區(qū)域或網絡布線困難及難以安裝的地區(qū)。
無線可以在產生有線網絡花銷之前為一個新項目提供概念驗證。
基于以上原因使得自動化工程師正開始為其部分或全部應用使用無線解決方案(尤其是WLAN,無線以太網或WiFi)。
盡管使用無線有諸多好處,但是無線仍存在一些問題,包括安全性、網絡性能、可靠性、有效性、I/O組件成本和必需預先在有線和無線間做出取舍。
安全性
無線網絡的安全性一直在被質疑。站在公寓大樓外面,用筆記本檢查無線網絡是否可用,多少人無需密碼就可以連上?但是盡管個人無線網絡經常存在不安全因素,在過去的幾年中,已開發(fā)出了許多商業(yè)、工業(yè)和政府應用的安全標準,并且被多數機構予以采用。
其中,較早的WEP(有線等效保密)安全運算法被查出有較嚴重的漏洞,現已被更強大
更安全的傳輸算法所取代。
WiFi保護訪問(WPA)包括臨時密鑰完整性協議(TKIP)代替了2003年的WEP算法。2004年提出的WPA2使用了更安全的高級加密標準(AES)802.11i運算法則。
由政府機構和大型公司提出,WPA2的AES運法服從國家標準和技術委員會(NITS)FIPS 140-2規(guī)范。這些標準可以保證一個魯棒的通訊系統。
出于安全通信,如今WPA2的兼容產品應被用于工業(yè)無線實施上。
網絡性能和可靠性
無線網絡的可靠性取決于許多方面包括網絡規(guī)模、物理環(huán)境、網絡用戶數量及負荷程度、其他設備的干擾。
對于小型全無線網絡,設備可能在hoc模式下(點對點)表現出色,其中每個設備都可以對范圍內的任何類似配置的設備進行檢測、發(fā)生通訊。這種模式在網絡硬件上無需很大支出。而對于大型網絡,基礎模式通常更合適?;A模式的通信線路是通過一個或多個無線接入點( AP )架設的 。
由于無線通訊是基于無線信號在空氣中的傳播,而物理環(huán)境又對網絡性能起到決定性作用。任何障礙物—木頭、金屬、水泥—都會阻礙信號的傳送。解決辦法即有策略地布局接入點,無線路由和無線中繼器等,以覆蓋整個需要無線傳輸的區(qū)域。
網絡的可靠性也取決于網絡用戶的數量和用戶使用種類。單一的數據傳輸一般不占帶寬;高負荷使用,如傳輸大文件或使用多媒體都會一定程度堵塞網絡。使用802.11a或g標準(最大54 Mbps)比使用802.11b(最大11 Mbps)能獲得更快的速度。
RF(無線電)頻率干擾和EMC(電磁兼容性)問題降低網絡可靠性,其他設備如無繩電話、藍牙設備、甚至微波爐都會干擾無線信號接收。
降低其他設備的干擾可能涉及在一定范圍內改變信道頻率或轉移至其他較空閑頻率。例如與802.11b 和g標準兼容無線網絡,使用2.4GHz頻率,為許多設備共享的頻率。轉換到802.11a兼容的系統,該系統使用5GHz,雖然通信范圍會小些,但是干擾較少。
無線標準取決于所允許的不重疊信道數量:802.11b和g允許3信道, 當同一個系統中有多于3個AP,頻率必須重復使用。而802.11a中有更多信道。
有效性和I/O組件成本
一般所有無線網用戶都會關心無線的安全和性能,但網絡的有效性和I/O組件卻是自動化行業(yè)關注的焦點。
現在,大多數無線產品自動化生產商供應的產品和他們常規(guī)產品有很大的不同。
無線的解決方案可能會被采購商收購或由獨立部門進行開發(fā)。常規(guī)產品線的子產品能應用于模塊載體或類似設備的無線使用上。
然而,這些解決方案可能會引發(fā)一些問題。
作為單獨的無線或常規(guī)產品的子產品,無線I/O可能不包括應用上的需求特點,或者易于設計的特點,如戶外設備布線的簡便方法。例如,如果應用需要特定的信號輸入或通道間隔離,無線I/O產品線就可能不能提供這些功能。供應的不足意味著較高代價的權變措施,甚至于可能取消無線的應用。
為了建立起來各種尺寸的無線網絡,自動化工程師都認為他們必須要買特殊的無線組件。例如模塊載體,I/O模塊、底板和終端。幾乎所有的案例中,客戶為自動化安裝無線網絡,除了有線系統中要求的,還必須包含一個獨立的無線模塊備件清單,。特殊的組件和附加的備件增加了無線系統的成本。
最好的解決方案是尋找一個制造商,其無線能包括大量的I/O,且無需附加組件。理想的情況下,制造商的I/O線能獨立于網絡類型。
預先選擇解決方案的必要性
自動化工程師在使用無線技術時遇到的另一個困擾來自于剛談論到的有效性和成本問題:若供應商產品的是否包含無線功能的類型不同,工程師必須在項目初期就確定到底是使用無線還是有線通訊。他們必須事先指定組件并確定下聯網方式。
在項目成型期,系統設計之初就必須確定下網絡類型,從整體的方法到各方面的連接細節(jié)。
若所選方式存在問題,再去做出改變就意味著大量的時間和支出包括購買、安裝、配置新組件還有重新設計等等。
這些額外的支出不僅包括I/O和網絡硬件組件,還有用于授權、培訓、編寫無線I/O程序的軟件成本。
理想情況下,自動化制造商設計的無線I/O更像傳統意義上的筆記本電腦,兼具了有線和無線的功能,并適應無線和有線網絡,提供同樣的功能同時使用相同的軟件。購買電腦之后,你可以根據環(huán)境任意選擇有線或無線的網絡類型。
解決無線的困擾
自動化制造商若能完成以下4點,或許能幫助工程師大大解決無線的問題:
包括對無線標準的寬度支持—不僅僅是802.11b—給予工程師選擇權改善獨立系統的可靠性
包括支持現有的最佳安全標準
提供全系列的無線I/O,(理想情況下,同一產品同時可用于有線網絡)減少用于無線安裝的額外組件或適配器的數量
根據需要,設計能與有線及無線以太網通訊的控制器和I/O
廣泛支持無線標準
包括廣泛支持無線標準在內,制造商能超越802.11b,并給予自動化工程師附加的選擇去解決各獨立的無線應用。
若支持囊括所有如今3種最常用的無線標準—IEEE-802.11a、 b和 g—工程師可以使用任何廠商的無線接入點,路由器和中繼來構筑他們自己的無線網絡。
根據系統需要,他們可以選擇更高的5GHz頻段來避免其他設備的干擾,或者選擇一個更快的標準用于更大的數據量,也可以在特別和基本模式中做出選擇來適配網絡的大小和設計。
支持現行最好的安全模式
對于系統的安全,WEP已不再足夠,即使WPA也不夠理想。WPA2加密算法使用802.11i AES為工業(yè)無線應用提供了有力的保護。
然而,由于有些應用可能會用到舊標準或用不到高度安全傳輸,那么就需要支持所有3種標準—WEP, WPA, WPA2—并且向后兼容。
全系列無線I/O和減少無線組件數量
從自動化工程師的觀點來看,單獨的無線產品線—或者常規(guī)有線產品線的子產品—很難協調使用。但是同時在有線和無線網絡環(huán)境下使用同一I/O組件能在設計、執(zhí)行和使用階段節(jié)約時間和成本。
在設計階段,工程師能指定I/O,使用任意I/O運用于任一網絡
在執(zhí)行期間,相同的I/O安裝和戶外設備布線方法及成本可應用于2種網絡;于是無需對技術人員進行再培訓。若項目中的通訊在任意時段由有線轉換為無線,無需增加I/O或現場布線的成本
在系統使用階段,只需一套備件用于維護就足夠,即使無線和有線I/O都在使用。
除此,若制造商無需很多無線組件,無線可能會更有吸引力。初始系統成本和購買備件的成本也將降低
控制器和I/O中有線和無線的支持
靈活性是指,無線控制器和I/O需要既能支持有線也能支持無線通訊,就像計算機。若控制器和I/O既可用于有線也可用于無線—或者更好,能同時進行—類似困難的決定無需在項目初期就下決定。若工程師使用無線技術設計一個項目,然后繼續(xù)開發(fā)一個有線網絡,但仍沿用相同的硬件。
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