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适合工业场景的SmartMesh与时间敏感网络

作者:ADI中国区业务拓展总监 王翔时间:2019-11-06来源:电子产品世界收藏

1 IIoT用无线连接的特点

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201911/406793.htm

众所周知,物联网由感知层(包括边缘层)、连接层和云端(包括云平台、大数据、AI)组成。感知层相当于人类的感觉器官,云端相当于人类的大脑中枢,连接层就相当于连接感官和大脑的神经系统,神经一旦受损,人体的行为举止将受到影响,严重的可以导致瘫痪。

IIoT(工业物联网)是物联网的一个重要子集、概念涵盖了工业领域的各行各业。与我们日常能够接触智能家居等物联网应用相比,因为IIoT可能直接影响工业生产的效率、安全和产品质量,因此工业应用对IIoT有一些不同于其他物联网应用的要求,从而也要求IIoT对于其各个组成部分也有一些特殊的要求,例如当前有很多企业要求达到六西格玛(6 Sigma)的标准要求,那么它的出错率不能超过百万分之3.4,也就要求支持这些企业生产运营的IIoT系统也要能够满足这样的可靠程度。

工业对连接的普遍要求是可靠、低时延、安全。连接分为有线连接和无线连接两种。

由于有线连接有着天然的抗干扰、低时延、高带宽的优势,传统上在工业领域有线连接使用得最多。

一直以来,工业自动化是很多工业企业的追求,因为它能带来产品质量和生产效率质的的飞跃;同时随着在线监测手段的不断具备,现场设备的维护也有开始从被动维护向主动维护演进的趋势,从而可以兼顾提高生产效率和延长设备寿命,进而提升企业的盈利能力。

无线连接的优势在于布置灵活、对场地的要求小、施工方便、少了线缆的成本和重量等,因此无线连接在工厂的智能化改造中得到了普遍的青睐。

因为IIoT的无线连接是应用于工业环境的,因此不仅要满足工业应用的要求,还要尽量减少无线特征自然带来的劣势,比如频率干扰、数据掉包、功耗大、传输安全等。

1ADI中国区业务拓展总监 - Peter 王翔.jpg

ADI中国区业务拓展总监,王翔

简而言之,工业物联网应用场景千千万万,对无线连接的要求各有不同,但普遍而言,应用于IIoT的无线连接必须具备以下几个特点:

(1)高可靠。尤其在生产现场,不能出现数据掉包现象,因为任何的数据掉包将可能带来产品质量的瑕疵。

(2)抗干扰能力强。无线连接工作在开放的空间,环境中存在各种频率的干扰,无线连接必须具备抵御噪声频率干扰的能力。

(3)低功耗。没有了线缆,只能靠电池供电。功耗越低,更换电池的频率就越低。

(4)方便部署。很多工业现场在最初的设计中是没有放置无线通信设备和传感器的地方的,后期改造必须能够因地制宜,这对设备的体积和传输避障等提出较高要求。

(5)传输安全。无线连接的信号是在空中传输的,信号容易被截取,因此通过加密确保信息的传输安全也是对无线连接的一大考验。

(6)面向未来的能力。无线连接的协议最好能够具备互联网协议第6版(IPv6)支持能力。

2 各种无线标准的特点

根据国家《工业互联网发展行动计划(2018-2020)》的描述,工业互联网分为企业外网络和企业内网络,IIoT更侧重于企业内网络;计划中将企业内网络描述为由有线和无线连接有机结合而成。因为5G的执照刚刚颁布,运营商还在布网的初级阶段,在工业领域的应用还处于探讨和摸索阶段,在此先不做考虑。

在我国,除了运营商的蜂窝技术无线连接工作在运营商各自的授权频段外,无线连接一般工作在非授权频段,一般有433 MHz、470 MHz、800 MHz、900 MHz、2.4 GHz、sub-6 GHz等。

无线连接的组网方式一般有点对点、星型架构和自组网三种。

能够实现无线连接的通信协议有很多,因为最初都是基于各自的应用实践而开发的,所以使得不同的协议标准对应用场景有不同的侧重,组网方式和工作频段也会有所不同。目前比较常见的工作在运营商授权频段的宽带无线标准有NB-IoT、3G、4G;工作在2.4 GHz的有蓝牙、Zigbee和Wi-Fi;工作在低于1 GHz的窄带有LoRa、6Lowpan等。

当前流行的蓝牙、Wi-Fi、Zigbee和LoRa以及2/3/4G和NB-IoT等蜂窝通信方案广泛地应用于智能家居、智能城市、智能楼宇等对可靠性要求不高的非工业场景;也正是因为这些领域的智能方兴未艾,这些也成为了大家听到和接触得比较多的通信方案。但当面对要求比较苛刻的工业场景时,往往需要专门的通信方案。

3 ADI 的解决方案 

前两节提到了工业场景的复杂性和特殊要求,而目前市场比较通用的通信解决方案往往不能完全满足要求,因此必须开发出能够真正满足工业需求的方案。

ADI公司推出的基于开放架构802.15.4e的无线连接解决方案,是能够真正满足工业严苛环境要求的低功耗无线通信解决方案,提供高达99.999%的可靠保证,具备跳频功能保证抗干扰的要求,同时提供时钟同步信息为后台的数据分析的准确性提供保障。

具备Mesh自组网功能,可以有效避障且长时间工作在严苛的环境中而保证数据包的完整传输,例如800 kV的特高压、嘈杂的无线噪声环境、对免维护要求极高的部署在野外无人区域的设施监测等;也已经在对可靠性要求极高的高速列车和飞机上使用,以替代线缆实现传感器的灵活部署、减轻整体重量等。

随着对生产设备进行主动维护的兴起,对生产设备的状态监测越来越得到重视;设备的状态数据通过无线通信传递到后台进行大数据分析,从而实现对生产设备提出维护建议。可以确保数据在传输过程中的完整性,同时通过提供数据的时钟信息,极大提高了后台的大数据分析有效性和准确性。

除此以外,ADI的FIDO5000系列向客户提供TSN()的解决方案,有效地帮助客户实现工厂智能化的改造,对工业现场的高速控制提供通道,已经在前不久工信部标准部门组织的测试中得到验证。




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