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工业无线网络不可靠?不敢用?那是因为没有做好这些设计和实施工作!

来源:控制工程网2020.08.28阅读 3639

  工业环境具有许多共同的属性:它们很脏、电噪声大,并且对射频传播造成许多障碍或干扰。从长期来看,消费级无线设备将很难在这种恶劣的环境下正常工作。设备必须针对运行环境进行量身定制——工业装置不遵循标准的设计规则。现场调查很有用,但是在工业过程中存在电噪声和移动设备、大型金属结构,甚至工厂中水的存在都可能会对信号传播产生重大影响。
  工业无线接入点
  与办公室安装相比,由于存在大量的信号中断点,工业装置需要更多的无线接入点。由于工业设施的拓扑结构,有可能必须使用定向天线。例如,一个仓库要求使用定向天线将射频向下引导到金属架之间的狭窄过道上,这些金属架可能充满了金属或一些会吸收射频的材料。
  在工厂车间里可能到处都是电动机和移动物体,例如叉车和高架起重机。某些制造设备需要液态冷却剂,这些液态冷却剂会产生蒸气、喷雾或飞溅,从而破坏传播或使无线设备沾上油脂或水。有些过程需要使用电弧焊,这会产生强大的广谱噪声信号,从而干扰很多射频信号。
  要考虑的第一个参数是工作环境。考虑到上述情况,最明显的问题是设备外壳。选择合适的外壳是最基本的技术指标,可以保护接入点不受环境因素的影响。
  使用NEMA定义或IP分类系统的工业机柜可以简化设计规范,但需要设备工程部门对安装设备的特定区域进行分类。凭空想象哪些机柜适合, 并不是正确的方法,并且会导致系统过早和意外出现故障。所有工业环境都是不同的,需要逐案进行评估。
  另一种选择是将无线设备放置在恶劣环境之外,并安装分布式天线系统(DAS),以向所需区域提供射频;但是,这通常不切实际,并且会大大增加安装成本。需要透彻了解通过分布式天线系统进行的信号传播,并需要通过电缆和定向信号分路器或耦合器系统进行操作,该系统的设计可能比较困难。
  由单个接入点驱动的单根天线是另一种选择,但是在每个受控过程中,它要求在整个设施中使用多个接入点。对于小型车间,这可能是一个不错的选择,但对大型车间来讲,这可能会有问题。 分布式天线系统的经济性在于一个发射机可以驱动多个天线,但是必须注意确保其有足够的功率。主要的衰减因子是电缆(按长度计)和定向分路器,它们本质上呈现定向衰减。
  天线是工业无线网络设计中的关键因素。在办公室环境中,简单的偶极天线(例如家用无线路由器上的天线)足以提供到该区域的传播。以一个仓库环境为例,我们可以看到在这里,选择和放置合适的天线对于网络的可靠运行至关重要。除了带宽和容量方面的考虑之外,传播也是主要考虑因素。
  仓库有大型存储架、长过道和移动设备。货架上的库存将吸收并反射射频信号,具体情况还取决于物料,例如,一个装瓶厂可能会将装满瓶装水的托盘存放在金属架子上。这是最坏的情况,因为瓶中的水会减弱信号,而金属搁板会反射信号。移动设备(例如叉车或拣选机)上可能会安装无线设备。此外,保护操作人员的金属笼也会引起常见的接收问题。金属笼会严重衰减射频信号;建议使用笼子外部的天线以获得最佳性能。经过工业加固的接入点价格昂贵,但它们专为在这些应用而设计,可以很好的完成工作。
  定向天线有几种配置,最重要的参数是波束宽度和放大率。波束宽度是从天线传播的射频角度,并显示在极坐标图上。例如,八木天线的波束宽度很窄,在传输方向上是定向的。这是在极坐标图上的-3dB点处测量的。
  放大率确定信号将在给定频率下传播的距离。定向天线还可以通过将射频聚焦在特定区域来避免衰减或干扰源,并且由于天线性能是互惠的,因此从聚焦区域接收信号也将获得改善,并固有地拒绝周围电磁干扰(EMI)源。这两个因素均可用于确定适合该应用的天线。
  条形码读取器需要稳定且连续的连接,以将库存信息正确地传输回设施服务器。为避免带宽问题,一般经验是在过道的两端安装定向天线,以确保在整个过道上具有足够的覆盖范围,并逐渐调整功率水平,以提供定义明确的传播锥而不会产生干扰。但是,由于所有设施的配置和库存都各不同,解决方案不能一概而论。
  电气噪声对信号的影响
  在制造业环境中,电气噪声和移动设备是传播信号的主要干扰因素。从社会意义上来讲,使用无线技术监视和控制设备非常具有前瞻性,并且具有颠覆性。整个设施可以像有线网络技术一样无人值守,无线技术为设备布置提供了更大的灵活性,并降低了实施成本。
  根据使用的频率,电气噪声将会导致信号中断,或者产生或多或少的影响。在较高的频率下,除非噪声是由宽带噪声发生器(例如电弧产生设备)产生的,而该噪声发生器在很宽的频谱中产生电磁干扰,否则EMI的影响可以忽略不计。在更高的频率下,EMI的影响往往可以忽略不计,除非噪声是由宽带噪声发生器(如电弧发生设备)产生的,它在非常宽的频谱中产生EMI。
  低频段(VHF和UHF)更容易受到电动机、电磁阀等产生的噪声以及谐波的影响。在隔离情况下,屏蔽技术会有效。如果没有适当的隔离,一个充满电弧焊机或变频器的房间,可能会对有线和无线网络造成严重破坏。其它设备(例如线路电抗器)也可能会将磁耦合至天线电缆,并对传输设备造成实际损坏。与无线网路集成商探讨他们的设备如何处理噪声以及它们的噪声抑制方法。
  正确放置接入点或天线,如位于包含受控或监控设备的制造区域上方,将使射频聚焦到该区域。这样放置可以避免叉车或其它设备的信号反射干扰。当然,将接入点放置在设备本地是一个不错的选择,可以避免布线成本。
  对于关键过程,可以在处理区域(或EMI源)周围以及无线接入点周围放置法拉第笼。将该区域与周围设施电磁隔离,这样无线连接就会稳定且连续。但是,这是一个昂贵的选择,仅用于关键过程以及常规网络布线不可行的地方。

在恶劣环境之外安装分布式天线系统(DAS)以向所需区域提供射频是另一种解决方案,但其高昂的成本可能是一个障碍。 图片来源:Daniel E. Capano

  无线网络的安全问题
  在实施工业无线前,对工业设施进行调查和办公室项目调查的规则不同。在办公室调查中,目标是提供覆盖范围和容量,同时确定衰减的区域和来源,例如混凝土电梯井道和微波炉。非法接入点也是进行后续调查的主要因素。工业现场调查的重点是覆盖范围和容量,但也要确定潜在的、会导致信号干扰的EMI来源,来自于移动设备的周期性干扰和反射,还必须确定工艺特定的材料、液体和处理设备的位移,以便设计周边。
  应注意将工业无线网络与企业网络分开。网络安全和适当的网络卫生是整个系统设计的重要组成部分。使用强大的防火墙来提供受控的访问权限,允许授权人员升级设备或将新程序加载到机床或扫描仪中。
  入侵检测系统无论是集成的还是叠加的,对于自动化或联网设施都是一项不错的投资。基于培训、设备选择和监控的防御层,将为设施提供足够的保护,使其免受攻击。但是,这不能代替监控和警惕。
  随着无线技术变得更加鲁棒和物美价廉,它的应用也将变得更普及。消除布线为企业提供了更多机会:灵活性、效率以及盈利能力的提升,所有这些都可以通过无线网络实现。机械或生产设备可以移动而无需担心网络布线,并且可以以更高效、更节省空间的方式进行分组。
  基于正确的调查和知情的设计决策,可以在严苛的工业环境中安装鲁棒且稳定的无线网络。从可靠性和稳定性的角度来看,企业具有经过培训和认证的无线专业人员至关重要。
  重要工艺流程的中断,会导致大量意外费用和材料损失。花些时间彻底了解不同工业环境的特殊性,使无线设备与该环境正确匹配是成功实施的秘诀。(作者:Daniel E. Capano)