工业无线以太网的发展趋势和实施考虑
发布日期：2012-10-08 作者：Kevin Zamzow 浏览次数：50302
【摘 要】：以高速、低成本、开放和通用传输介质为特点的以太网在工业应用中采用率日益增大。使用以太网物理介质的无线技术增加了工业以太网的连接性和灵活性，通常具有前期和生命周期内的成本节省。无线以太网技术已经和其电缆和光纤共同进步，现在无线是工厂现实的选择。
THE BENEFITS OF ETHERNET as a high speed, low cost, open, common transport medium have led to increasing rates of adoption for industrial applications. Use of wireless technologies as the Ethernet physical media increases industrial Ethernet connectivity and flexibility, often with a substantial upfront and lifetime cost savings. Wireless Ethernet technologies have advanced in a similar manner to their cable and fibre tethered counterparts, and wireless is now a practical option in the factory.
Once the question of whether wireless can be used is answered, the question becomes which of the many wireless technologies is suitable for industrial Ethernet. The answer depends to a great deal on the applications environment, throughput and latency requirements, distance between nodes, and the local wireless regulatory situation. Proper wireless industrial Ethernet network planning & installation is key to satisfactory performance.
以高速、低成本、开放和通用传输介质为特点的以太网在工业应用中采用率日益增大。使用以太网物理介质的无线技术增加了工业以太网的连接性和灵活性，通常具有前期和生命周期内的成本节省。无线以太网技术已经和其电缆和光纤共同进步，现在无线是工厂现实的选择。
一旦解答能否使用无线的问题，问题就变成哪种无线技术更适合工业以太网。答案很大程度上依赖应用环境、数据吞吐量和延迟时间要求、节点之间的距离和本地无线管理条例。恰当的无线工业以太网网络规划和安装是满足性能的关键。
了解你本地的无线管理条例
所有无线技术都受到本地政府管理条例的限制——许可的频段和有效的发射功率（无线电传输功率和天线增益）在各个国家都是不同的。幸运的是欧洲，欧盟已经促进无线通信标准的协调，特别是无线本地局域网或R-LAN，即公共因特网访问。法国和西班牙协调的更慢，但是一些新的欧盟成员国家已经采用这些标准，例如，在2.4G波段展频调制的ETS300 328标准。总之，许多国家接受未授权的由欧洲邮电管理局会议(CEPT)旗下欧盟无线电通信委员会（ERC）设置的无线电标准。
在欧洲使用的无线工业以太网仍要求调整频段或允许的有效发射功率，当核准权仍由每个国家掌握时，两者都要求调整。
法国ProSoft SARL公司的应用工程师Francoise Mailharein 说：“当开发工业无线以太网应用时，特别是在欧洲，采购者意识到在无线电通信标准和管理条例中区域性的变化是强制性的。在法国，室内管理条例和欧洲的其他地方（在整个2.400-2.4835 GHz频段范围内最大IERP功率是100mW）的管理条例相同。然而，在法国室外使用受到限制。频率必须在2.400-2.454 GHz之间，最大功率是100 mW，或在2.454-2.483 GHz之间，最大功率是10MW功率。”
典型的无线技术
1） 无授权展频无线电是工业无线以太网（和通过串行转换/打包的串行通信）应用中当前的选择。它们运行在915MHz和2.4 GHz ISM波段，支持9.6 kbps到300 kbps范围内的数据速率，一般提供少于100 ms的延迟时间。一些无线电具有非常安全、内嵌和基于硬件的数据加密。915 MHz波段有有限的跨国未授权的使用（在欧洲不允许使用），2.4 GHz中三分之一的波段不是直线对传。两个波段的无线电支持工业以太网，特别是在恶劣的环境下。
2） 全球移动通信系统（GSM）和其2.5 G通用分组无线业务（GPRS）扩展是全球占统治地位的模块化语音和数据标准，这些标准支持电路交换和分组交换，数据速率为14.4 kbps (GSM) 与115 kbps (GPRS)。内嵌加密和前向纠错在高电磁干扰环境下很有帮助。许多用户通过使用包交换GPRS能共享高达115 kbps波段（八倍时隙）。根据数据规划，每KB GPRS成本大约2到3分。延迟时间依赖是否需要建立链接或是否正在进行和使用的时隙，500ms到1500 ms是500字节的IP包的估计时间，一个或两个时隙。
3） 在868 MHz-870 MHz的短程设备（SRD）频段范围内的分频段允许在欧洲非特定环境下使用，其受制于已经定义的功率等级和占空因数。总SRD分频段中的三个分频段有足够的带宽支持以太网（868 MHz高达600 KHz 到 868.6 MHz）或者1%的占空因数或者低功率使用有问题的以太网。869.4 MHz到869.65 MHz波段允许500 mW功率和10%的占空因数，但是只有500 KHz的带宽。
4） 蓝牙成本很低（现在大约15美圆，将来保持在5美圆），2.4 GHz，快速跳频扩频媒介短程通信大约720 kbps的吞吐量。对工业市场来说，现在可用扩展温度版本的蓝牙。蓝牙的缺点包括功耗、复杂的协议栈和相对低的接受器灵敏度，它们在高电磁干扰的地方都容易出问题。
无线工业以太网的现实应用
无线使工业以太网连接到应用中的移动设备成为可能，例如，龙门起重机、堆垛运输机和自动导向小车。相对于旋转的转盘、卷筒、甚至轮船炮塔的滑环，也改进了通信速度。无线工业以太网连接也用于桥接危险场所或清洁房间（制药厂）内的安全区——允许数据访问或设备编程而没有爆炸的风险以及节省时间。以前使用无线技术维持远程站点、建筑物、管线/储存罐 数千米的连接，而现在的现代化工厂要求连接到具有内嵌网络服务器（用于监视和预防性维护/支持）的各个设备。假如移动PDA或笔记本电脑能无线连接以及能用于无线传感器的数据采集，现代化的工厂有工业热点。
高度决定一切
恰当地规划和部署无线工业以太网对可靠的运行非常关键。对户外应用来说，地形的考虑是相当重要的，也为了建立更长的链路，也许要求利用计算机化的路径研究和现场实际调查去决定必要的天线高度和包括潜在的中继器位置的网络拓扑。在更高频，直线对传变得更重要，也许需要塔来提供开放无线电信号路径。随着无线设备与天线的距离增大，使用质量好的、低损的传输线、雷电保护、接地和恰当的天线安装是极其重要的。
美国密苏里州，Riverstone采石场
为了改进采石效率和协调各级工厂的挖掘，开发了包括无线工业以太网交换机的全自动化系统，它们安装在挖掘机、泵和各级工厂。各级工厂离挖掘机大约一千米远，挖掘机位于水下采石厂。为了实现两个采石厂的直线对传而不需要中继器，各级工厂的天线放置在20米高的地方。
Riverstone集团，砂砾石开采公司，近来决定采用无线。该项目首席工程师Mike Gottwald开始用消费者级无线电研究无线。
Gottwald说：“我们知道有几个工业无线电公司关注这个应用。消费者（非工业）无线电是一个灾难。当飞机通过时，它们停机。有些公司说他们不能完成这个项目。另一些公司说需要昂贵的中继器。”
现在，全自动挖掘机不仅进行挖掘，而且升压泵和各级工厂都是通过无线电通信。这种无线电以太网解决方案每年节省10万美圆。
对室内应用来说，建筑物的蓝图帮助绘制必要的覆盖区域，也暗示由结构化元素（例如，钢墙）强加的挑战。通过现场调查（模拟尽可能接近实际的安装，例如，天线类型和位置）加强无线网络的初始设计从而通过测量信号强度指标（RSSI）核对实际的覆盖区域，光谱分析仪可用于校对波段内的干扰。测试无线以太网性能测定，包括包误差率（PER）和吞吐量，调整位置并确定是否需要额外的无线设备满足应用要求。无线供应商应有人性化的无线网络配置和诊断工具。对无线局域网（WLAN）来说，可用商用和开放源码802.11网络分析仪帮助802.11网络规划、监视和解决故障。
卢森堡，物料输送
无线以太网交换机用于提供一个固定PLC和物料输送系统运动机件上的两个PLC之间的连接。除了设计无线网络提供包括移动PLC的覆盖区域，唯一的挑战是金属墙隔离移动的PLC。幸运的是，选择的无线以太网交换机具有有源分集式天线，允许天线放置在金属墙的任意一边，也允许从每个移动PLC发送/接受信息。
这是工厂，不是旅游胜地
很多行业的工厂环境要求都非常苛刻。原来设计用于舒适的小办公室/家庭环境（SOHO）的无线以太网产品很难适应极限温度、震动、冲击、电磁干扰和恶劣工业设置中常见的危险场所。如果它们不能安装到DIN导轨，工业是什么样子呢？一些无线工业以太网的通用指导方针如下：
① 运行温度至少在0-50℃（最好-40-75℃）
② 抗震动和冲击满足IEC 60068-2-6 和IEC 60068-2-27标准
③ 12VDC（太阳能）到24VDC
④ 危险场所满足额定ATEX (欧洲)、UL或FM标准
⑤ 有源天线差异降低多路径衰减，允许天线物理分离
⑥ 恰当的频率、调制和设计从而抵抗电磁干扰
⑦ 多年保证从而反映设计质量
南美，炼焦
无线工业以太网交换机取代传统的，授权的无线电，当客户升级到以太网PLC时，提供7个推车（用于使装入一组焦炉中的煤平整以及把焦碳从炉组推到熄灭车上）和中控室之间的无线以太网连接。推车在一组焦炉之间运动，因此需要全向天线覆盖800米长的现场。
南美Throughput技术公司的Bob Petrie评论说：“这是我们在钢铁行业安装的第二套系统。我们在其他行业也有许多安装，但是由于现场极端恶劣的环境，例如，热、尘埃、电磁干扰等，钢铁行业是极其重要的。带宽在数据通信上是好的。重要的是系统投运和一直极好运行8个月。传输模式是跳频扩频的事实是重要的，因为这些工厂有许多基于无线电的其他系统，再次确定知道来自其他应用的干扰不影响我们供应的系统的性能。”
THE BENEFITS OF ETHERNET as a high speed, low cost, open, common transport medium have led to increasing rates of adoption for industrial applications. Use of wireless technologies as the Ethernet physical media increases industrial Ethernet connectivity and flexibility, often with a substantial upfront and lifetime cost savings. Wireless Ethernet technologies have advanced in a similar manner to their cable and fibre tethered counterparts, and wireless is now a practical option in the factory.
Once the question of whether wireless can be used is answered, the question becomes which of the many wireless technologies is suitable for industrial Ethernet. The answer depends to a great deal on the applications environment, throughput and latency requirements, distance between nodes, and the local wireless regulatory situation. Proper wireless industrial Ethernet network planning & installation is key to satisfactory performance.
以高速、低成本、开放和通用传输介质为特点的以太网在工业应用中采用率日益增大。使用以太网物理介质的无线技术增加了工业以太网的连接性和灵活性，通常具有前期和生命周期内的成本节省。无线以太网技术已经和其电缆和光纤共同进步，现在无线是工厂现实的选择。
一旦解答能否使用无线的问题，问题就变成哪种无线技术更适合工业以太网。答案很大程度上依赖应用环境、数据吞吐量和延迟时间要求、节点之间的距离和本地无线管理条例。恰当的无线工业以太网网络规划和安装是满足性能的关键。
了解你本地的无线管理条例
所有无线技术都受到本地政府管理条例的限制——许可的频段和有效的发射功率（无线电传输功率和天线增益）在各个国家都是不同的。幸运的是欧洲，欧盟已经促进无线通信标准的协调，特别是无线本地局域网或R-LAN，即公共因特网访问。法国和西班牙协调的更慢，但是一些新的欧盟成员国家已经采用这些标准，例如，在2.4G波段展频调制的ETS300 328标准。总之，许多国家接受未授权的由欧洲邮电管理局会议(CEPT)旗下欧盟无线电通信委员会（ERC）设置的无线电标准。
在欧洲使用的无线工业以太网仍要求调整频段或允许的有效发射功率，当核准权仍由每个国家掌握时，两者都要求调整。
法国ProSoft SARL公司的应用工程师Francoise Mailharein 说：“当开发工业无线以太网应用时，特别是在欧洲，采购者意识到在无线电通信标准和管理条例中区域性的变化是强制性的。在法国，室内管理条例和欧洲的其他地方（在整个2.400-2.4835 GHz频段范围内最大IERP功率是100mW）的管理条例相同。然而，在法国室外使用受到限制。频率必须在2.400-2.454 GHz之间，最大功率是100 mW，或在2.454-2.483 GHz之间，最大功率是10MW功率。”
典型的无线技术
1） 无授权展频无线电是工业无线以太网（和通过串行转换/打包的串行通信）应用中当前的选择。它们运行在915MHz和2.4 GHz ISM波段，支持9.6 kbps到300 kbps范围内的数据速率，一般提供少于100 ms的延迟时间。一些无线电具有非常安全、内嵌和基于硬件的数据加密。915 MHz波段有有限的跨国未授权的使用（在欧洲不允许使用），2.4 GHz中三分之一的波段不是直线对传。两个波段的无线电支持工业以太网，特别是在恶劣的环境下。
2） 全球移动通信系统（GSM）和其2.5 G通用分组无线业务（GPRS）扩展是全球占统治地位的模块化语音和数据标准，这些标准支持电路交换和分组交换，数据速率为14.4 kbps (GSM) 与115 kbps (GPRS)。内嵌加密和前向纠错在高电磁干扰环境下很有帮助。许多用户通过使用包交换GPRS能共享高达115 kbps波段（八倍时隙）。根据数据规划，每KB GPRS成本大约2到3分。延迟时间依赖是否需要建立链接或是否正在进行和使用的时隙，500ms到1500 ms是500字节的IP包的估计时间，一个或两个时隙。
3） 在868 MHz-870 MHz的短程设备（SRD）频段范围内的分频段允许在欧洲非特定环境下使用，其受制于已经定义的功率等级和占空因数。总SRD分频段中的三个分频段有足够的带宽支持以太网（868 MHz高达600 KHz 到 868.6 MHz）或者1%的占空因数或者低功率使用有问题的以太网。869.4 MHz到869.65 MHz波段允许500 mW功率和10%的占空因数，但是只有500 KHz的带宽。
4） 蓝牙成本很低（现在大约15美圆，将来保持在5美圆），2.4 GHz，快速跳频扩频媒介短程通信大约720 kbps的吞吐量。对工业市场来说，现在可用扩展温度版本的蓝牙。蓝牙的缺点包括功耗、复杂的协议栈和相对低的接受器灵敏度，它们在高电磁干扰的地方都容易出问题。
无线工业以太网的现实应用
无线使工业以太网连接到应用中的移动设备成为可能，例如，龙门起重机、堆垛运输机和自动导向小车。相对于旋转的转盘、卷筒、甚至轮船炮塔的滑环，也改进了通信速度。无线工业以太网连接也用于桥接危险场所或清洁房间（制药厂）内的安全区——允许数据访问或设备编程而没有爆炸的风险以及节省时间。以前使用无线技术维持远程站点、建筑物、管线/储存罐 数千米的连接，而现在的现代化工厂要求连接到具有内嵌网络服务器（用于监视和预防性维护/支持）的各个设备。假如移动PDA或笔记本电脑能无线连接以及能用于无线传感器的数据采集，现代化的工厂有工业热点。
高度决定一切
恰当地规划和部署无线工业以太网对可靠的运行非常关键。对户外应用来说，地形的考虑是相当重要的，也为了建立更长的链路，也许要求利用计算机化的路径研究和现场实际调查去决定必要的天线高度和包括潜在的中继器位置的网络拓扑。在更高频，直线对传变得更重要，也许需要塔来提供开放无线电信号路径。随着无线设备与天线的距离增大，使用质量好的、低损的传输线、雷电保护、接地和恰当的天线安装是极其重要的。
美国密苏里州，Riverstone采石场
为了改进采石效率和协调各级工厂的挖掘，开发了包括无线工业以太网交换机的全自动化系统，它们安装在挖掘机、泵和各级工厂。各级工厂离挖掘机大约一千米远，挖掘机位于水下采石厂。为了实现两个采石厂的直线对传而不需要中继器，各级工厂的天线放置在20米高的地方。
Riverstone集团，砂砾石开采公司，近来决定采用无线。该项目首席工程师Mike Gottwald开始用消费者级无线电研究无线。
Gottwald说：“我们知道有几个工业无线电公司关注这个应用。消费者（非工业）无线电是一个灾难。当飞机通过时，它们停机。有些公司说他们不能完成这个项目。另一些公司说需要昂贵的中继器。”
现在，全自动挖掘机不仅进行挖掘，而且升压泵和各级工厂都是通过无线电通信。这种无线电以太网解决方案每年节省10万美圆。
对室内应用来说，建筑物的蓝图帮助绘制必要的覆盖区域，也暗示由结构化元素（例如，钢墙）强加的挑战。通过现场调查（模拟尽可能接近实际的安装，例如，天线类型和位置）加强无线网络的初始设计从而通过测量信号强度指标（RSSI）核对实际的覆盖区域，光谱分析仪可用于校对波段内的干扰。测试无线以太网性能测定，包括包误差率（PER）和吞吐量，调整位置并确定是否需要额外的无线设备满足应用要求。无线供应商应有人性化的无线网络配置和诊断工具。对无线局域网（WLAN）来说，可用商用和开放源码802.11网络分析仪帮助802.11网络规划、监视和解决故障。
卢森堡，物料输送
无线以太网交换机用于提供一个固定PLC和物料输送系统运动机件上的两个PLC之间的连接。除了设计无线网络提供包括移动PLC的覆盖区域，唯一的挑战是金属墙隔离移动的PLC。幸运的是，选择的无线以太网交换机具有有源分集式天线，允许天线放置在金属墙的任意一边，也允许从每个移动PLC发送/接受信息。
这是工厂，不是旅游胜地
很多行业的工厂环境要求都非常苛刻。原来设计用于舒适的小办公室/家庭环境（SOHO）的无线以太网产品很难适应极限温度、震动、冲击、电磁干扰和恶劣工业设置中常见的危险场所。如果它们不能安装到DIN导轨，工业是什么样子呢？一些无线工业以太网的通用指导方针如下：
① 运行温度至少在0-50℃（最好-40-75℃）
② 抗震动和冲击满足IEC 60068-2-6 和IEC 60068-2-27标准
③ 12VDC（太阳能）到24VDC
④ 危险场所满足额定ATEX (欧洲)、UL或FM标准
⑤ 有源天线差异降低多路径衰减，允许天线物理分离
⑥ 恰当的频率、调制和设计从而抵抗电磁干扰
⑦ 多年保证从而反映设计质量
南美，炼焦
无线工业以太网交换机取代传统的，授权的无线电，当客户升级到以太网PLC时，提供7个推车（用于使装入一组焦炉中的煤平整以及把焦碳从炉组推到熄灭车上）和中控室之间的无线以太网连接。推车在一组焦炉之间运动，因此需要全向天线覆盖800米长的现场。
南美Throughput技术公司的Bob Petrie评论说：“这是我们在钢铁行业安装的第二套系统。我们在其他行业也有许多安装，但是由于现场极端恶劣的环境，例如，热、尘埃、电磁干扰等，钢铁行业是极其重要的。带宽在数据通信上是好的。重要的是系统投运和一直极好运行8个月。传输模式是跳频扩频的事实是重要的，因为这些工厂有许多基于无线电的其他系统，再次确定知道来自其他应用的干扰不影响我们供应的系统的性能。”
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