工业互联网无线技术应用及发展趋势

　　1.无线技术已成为工业互联重要发展方向

　　德国“工业4.0研发白皮书”及“工业4.0实施战略及参考架构”都将无线技术作为工业4.0络通信技术研究和创新中的重要组成部分，其计划在2018年实现公众5G络基础设施的设计和标准，为工业提供广域络服务；2020年，在工业4.0中实现最新的无线局域和近场技术的使用。

　　美国工业互联联盟IIC同样重视无线技术在工业中的应用。联盟专门成立了络连接组来开展络技术的研究。络连接组将工业络分为连接传输层和连接，其中Wi-Fi、NFC、zigbee、2G/ G/4G等无线技术成为连接传输层的重要技术，如下图1所示。并在络连接文档中对络的时延、可靠性、可扩展性等都有明确的规定。

　　德国工业4.0和美国工业互联之所以重视无线技术在工业中的应用，是因为无线络相比于现有的工业有线络具有明显的优势。一是可大幅降低络建设和维护成本。无线络能够快速部署，无须在现场、车间、厂房等环境铺设线缆及相关保护装置。使用无线技术将使测控系统的安装与维护成本降低。二是提高生产线的灵活性，无线技术实现了现场设备的移动性，提高了生产设备部署的灵活性，可以根据工业生产及应用需求，快速的实现生产线的重构，为实现柔性生产线奠定技术基础。三是实现部署环境的广泛性，由于无线技术突破线缆部署限制，具有mesh、星型等多种络部署架构，在各种工业场景下都可实现快速部署。

　　图1 IIC络连接架构

　　2.工业互联应用对无线技术提出新的挑战

　　工业互联对通信络提出了新要求，按照使用范围划分，通信络分为工厂内和工厂外两大类，工厂内络主要承载控制类、采集类和交互类业务，各类业务对络的性能要求也不相同，如承载控制类业务的络需要具备低时延（端到端时延毫秒级，时延抖动微秒级）、高可靠（数据传输成功率99.999%）、高同步精度（百纳秒级）的能力；承载采集业务的络需要具备高密度接入（百万连接/平方公里）、低功耗（使用超过10年以上）的能力；承载交互类业务的络需要具备高传输速率（体验速率Gbps）的能力。工厂外络承载主要有控制类、采集类、交互类和单项传送类四类业务。与工厂内业务相似，工厂外的四类业务对通信络也有同样的要求，特别是部分工厂外采集类业务还要求络支持高移动接入能力（500km/h）。

　　因此，无线络要想应用在工业中，还需要根据其应用环境-工厂内还是工厂外，以及承载的业务不同，进行不同程度的优化设计。在无线技术设计和应用中，主要考虑以下方面：

　　一是工厂环境电磁环境复杂，无线络的干扰源较多。应用工业互联的现场、车间、厂房等场景电磁环境较为复杂，各种大型器械、金属管道等对无线信号的反射、散射造成的多径效应严重，马达、器械运转时产生电磁噪声会对无线通信产生干扰，在无线络及空口技术设计及实际部署时，要考虑电磁干扰对无线传输性能的影响。二是有限空间内传感、控制、作业等大量设备需要同时接入工业互联，对无线络的接入能力提出较高要求。根据欧盟工业互联频率需求材料测算，要求在100平方米的生产车间内，通信络具备至少 00个设备同时接入的能力。三是现有的无线技术在满足工业互联高速率、高可靠性、广泛互联等方面还无法满足工业应用的需求，如控制时延ms级，可靠性达到99.999%等，需要进一步提升。第四无线技术与工业设备、仪表的融合还需加强，由于工业设备及仪表许多都工作在高温、高湿等环境下，同时又有本质防爆的要求，这对无线芯片设计及封装等工艺提出较高的要求。

　　.无线技术向工业领域渗透，并呈现两条演进路径

　　无线技术逐步向工业领域渗透，呈现从信息采集到生产控制，从局部方案到全方案的发展趋势。目前无线技术主要用于设备及产品信息的采集、非实时控制和实现工厂内部信息化等，Wi-Fi、Zigbee、2G/ G/LTE、面向工业过程自动化的工业无线络WIA-PA、WirelessHART及ISA100.11a等技术已在工厂内获得部分使用。同时无线技术正逐步向工业实时控制领域渗透，成为现有工业有线控制络有力的补充或替代。

　　从技术演进上来看，工业互联无线技术主要呈现两大技术路径：一是现有技术演进路径，包含传统短距离技术演进和移动技术（包含2G/ G/4G）技术演进，如图2所示；二是新技术路径，主要包含新的短距离技术及5G等无线通信技术。

　　图2 工业互联现有技术演进路径

　　目前IEC/ISO已经针对工业制定了专用的无线通信技术，包括WIA/WirelessHART/ISA100.11a，其在可靠性、抗干扰、时延保障等方面都做了大量的技术优化。移动蜂窝目前主要面向物联进行优化，在工业环境中的应用还处于初期阶段，后续的技术演进还在探讨中。

　　4.工业互联无线络部署将以叠加为主、融合为辅

　　由于工业控制系统自成体系，并以稳定可靠为第一准则，因此工业企业对其改动都非常谨慎小心，但工业制造及工业服务等企业等对生产设备、环境、生产工具等数据的需求又很迫切，加之有线部署成本过高，且难度较大，因此纷纷采用叠加方式来部署无线络，所谓叠加方式是指在现有工厂络之外建设无线络，用于采集设备及产品信息，并进行非实时性及部分场景实时的设备控制。也有些企业在尝试采用融合方式来部署无线络，即用无线络逐步取代部分现有的工业控制络（如现场总线和以太），实现信息采集和控制的无线化。

　　结语

　　目前，无线技术凭借着部署容易、建设成本低、适用环境广泛等优势，逐渐成为未来工业互联中络发展及应用的重要方向。工业环境及工业应用需求也将推动工业互联无线的技术发展及演进。