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无限你的无线
来源: ceasia-china.com作者: Kenny Fu时间:2020-02-19 15:18:51点击:7274

本文对于工业无线技术的发展愿景进行了全面展望。

Madanmohan Rao

两年以前,在我的年度无线技术评 论当中,我们提出了一些正在 出现的关键问题,比如工业局域 网、标准、绿色无线、供应商 M&A、以及来自能源等行业的经验。今天,我 们重新讨论这些话题,并探索一些新的问题, 比如工厂中的无线机器人、还有传统的公司办 公室IT与工厂网络之间的融合。

工业无线解决方案的重要特征,依旧是超低 的能耗、面对物理和电子干扰的稳定性、自配 置功能、与广域网和更多无线技术的连通性、 树形、星形和网格拓扑结构的配置、多网络共存设计、以及带有产品开发工具箱的开发者应 用程序接口。

无线M2M技术正在快速应用到不同类型工 业网络上越来越多彼此连接的设备当中。使用 可升级的无线网状网络,无线产品可以应付各 种不同的情况。M2M无线(包括工业应用)一度 被认为是继办公室网络(Wi-Fi)和消费级通讯(手 机)之后无线技术的第三次浪潮。

根据IMS Research的报告显示,第50亿台 设备很快就将连入互联网。在未来的10年里,连 接设备的总量将会翻4倍。该研究公司还指出, 在未来10年中,手机的数量将达到60亿台,它 们当中的绝大部分都可以连入互联网。另外,根 据预测,今天使用的25亿台电视机大部分都会被 带有互联网功能的电视取代,它们可能直接或者 通过机顶盒连入互联网。然而,根据IMS总裁Ian Weightman的估计,市场上具有最大增长潜力的 还是在机器对机器(M2M)领域。

在经过由于经济下滑带来的短暂停滞期之 后,无线传感器网络(WSN)的需求正在显著增 长。根据最近发布的一份ABI关于WSN市场的 研究报告显示,在2009年,802.15.4芯片组的 出货量相比前一年下降了接近30%。由于使用 的是新兴技术,在2009年,无线传感器网络的 很多试验和先行项目都遭到了拖后和冷藏,因 此技术应用的发展出现停滞。然而,根据ABI 研究首席分析师Jonathan Collins所说,2010年 的市场已经出现了强烈的反弹,出货量大幅增 加。事实上,2019年出货量的大幅提升将会驱 动芯片的产量从2009年的仅仅1000万片多一点 猛增到2015年的6亿4千5百万片,年复合增长率 高达99.6%。

以太网无处不在

以太网现在正在越来越多的工业场合应用, 主要的标准包括IEEE 802.3(以太网)和802.11(无线局域网)。通过以太网,我们可以在多种环境下部署柔性的高 效通讯网络。

由于自身具备的稳定性、速度、带宽、柔性和通讯管理 能力,以太网也正在蚕食着其他工业网络产品的领地。ARC 顾问集团曾经预测,到2012年,工业以太网市场的安装节点 数量可望超过300万。

根据Pike研究发布的工业简报中的描述,随着工业巨头 们日益重视M2M技术,我们可以预见到即将出现的规模经济 (与此同时,一些供应商也进入了这一领域)。比如,思科和因 创(Itron)正在合作开发面向智能测量硬件产品的标准化基于IP 的端到端平台,提升IPv6的功能,达到可互操作射频网状现 场网络的要求。IETF还在开发基于IP的ZigBee栈版本,这也 是智能能源组合方案2.0的一项特征。智能电网将会在不久的 将来挺进到工厂当中。

Belden网络与通讯产品总监Bill Wotruba推荐说,下一 代IEEE 802.11n无线通讯标准更加可靠,可以支持更大的 带宽和更高的网速。它可以尽可能的解决常见的连接和穿 越问题,比如现在遇到的天线会被移动物体部分阻挡的问 题。IEEE 802.11在安全方面进行了加强,比如AES加密和 WEP授权,这些措施可以缓解用户的一部分忧虑。一套无 线系统可以支持多台设备和多种协议,并且保证安全。

绿色IT

无线工业应用是“绿色IT”行动的最新领域。从数据中 心和桌面电脑到手机和网络,对于IT和通讯专家来说,环保 的努力也与企业的资产负债表息息相关。

根据《Silicon Investor》杂志的报告,在替代能源和 能源效率方面,增长最快、也可能是最具吸引力的投资领 域是硬件、软件和网络设备。像霍尼韦尔和江森自控这 些工业巨头,现在已经加入其中,发布了诸如Daintree网 络、Adura技术和EchoFlex等产品,促进M2M在集成解决 方案和智能能源这些领域的应用。

因为无线网络总有一天会在工厂中无处不在,较低的电 池成本和维修费用对于网络计划者来说就非常重要,这也就 是为什么需要超低能耗无线网络。根据Greenpeak Technology 公司首席执行官Cees Links所说,开发这种节电传感器网 络的最大挑战在于,在不减少应用领域和功能(比如速度以及 合规能力)的前提下,对能耗进行管理。

“通过在芯片内部使用硬件规划器和同步器,无线电可 以在需要的时候激活,查看是否有信息需要发送。如果没 有,它会返回休眠状态。如果有数据需要发送,控制器就会 激活微控制器。接下来,芯片就可以传输信息,然后返回休 眠状态直到下一次激活,”他解释道。

机器人归来

工业中机器人的应用在20世纪90年代达到了顶峰,但是 现在又回归沉寂。强大的制造能力是全球经济复苏的关键之 一,而制造效率和各种技术的合理化,对于复苏也很重要。 机器人重新加入了无线控制工程技术,成为工厂涅重生的 一大诱因。

举例来说,通过在工业机器人焊接机上安装远程维修和 诊断软件,像Sims这样的公司可以使用安全的无线连接,对 设备进行远程监视和控制。

该款解决方案是基于eWON公司的Talk2M(与机器对话) 互联网远程维修与诊断服务,具备工业应用所要求的安全、 可靠以及可追溯能力。eWON的系列工业路由器可以兼容来 自西门子、罗克韦尔自动化、施耐德电气和欧姆龙的以太网 模块。

ABB也已经发布了一款面向机器人单元应用的机器人控 制器,有互动界面以及可以进行配置、调试和可视化的统一 开发环境。ABB机器人事业部在金属加工、铸造和电子行业 表现活跃,据称在全世界已经安装了超过17万5千台机器人。

机器人行业协会(RIA)的数据显示,在经历了过去几年严 重的销售下滑之后,工业机器人行业开始复苏。新近的应用 遍布多个行业,用于提升效率和产能、降低成本、提高产品 质量。

供应商进展

很多供应商都在推出模块化的M 2 M 无线产品。比 如,Radiocrafts为其IEEE 802.15.4产品线加入了两个新的模 块—低成本的RC2400和RC2400HP,它们都是面向基于IEEE 802.15.4的ZigBee PRO、6LoWPAN和其他协议设计的。产 品的典型应用包括智能仪表读取、自动化和传感器网络。

正在推出的无线产品不仅仅面向存在高温和毒气的工业 应用,还面向露天的会淋雨的场合。举例来说,RFID供应商 IDTronic开发出的Gen 2 RFID芯片解决方案就是完全防水的。

斑马技术公司已经发布了新款RFID打印机—解码器,总 部位于香港的RFID标签生产商Xerafy也发布了新的标签解决 方案。另外一家韩国的RFID解决方案供应商UbiU也在关注数 据管理和集成方案。“RFID市场正在增长,不同行业对于中 间件的需求也是如此,”UbiU经理Brian Son如是说道。

像PCN技术这种活跃在工业自动化、控制和能源系统领 域的公司,产品可以支持多种通讯协议。根据PCN的首席执 行官Venkat Shastri所说,这样做帮助客户快速的面向多种控 制、自动化和互联网络安装设备。

尽管很多M2M都把关注的目光放在短距离通讯上,像 AvaLAN Wireless这类公司也在面向机器人、工业自动化、接 入控制和智能电网市场开发长距离工业无线电技术。对于干 扰很强的室内应用和长距离的室外应用,这项技术都是很好 的解决方案。

泰科热控制公司的TraceTek技术,可以对阀门进行无线 监控。公司宣称,通过泄露检测之类的操作,该技术可以 将总体系统成本降低60%。而Clarke & Severn电子公司的 Wavenis,为M2M应用提供了一个超低耗电和长距离的无线 解决方案。

让我们将目光转向并购和重组,集散型企业网络解决方 案提供商安移通网络(Aruba Networks)公司,最近收购了户 外网络供应商Azalea Networks。收购包括该公司在北京的运 营中心,这将对安移通现在在曼谷和硅谷的研发中心形成强 有力的补充。Azalea Network为油气、制造和智能电网行业 的关键工业应用提供网络产品。

一些供应商也同样正在亚洲寻找着商业机会。举例来 说,马辛德拉汽车公司位于印度普那的新型工厂就安装了基 于罗克韦尔自动化工业以太网协议的无线解决方案和ProSoft 技术公司的无线通讯系统,用于实时控制和同步。在中亚, 无线专家艾默生过程管理也在扩展着自己的业务,比如在阿 塞拜疆,与俄国公司Balteks合作。未来,公司还计划将业务 扩展到白俄罗斯、乌克兰和哈萨克斯坦。同样在这个行业, 另外一家区域竞争对手横河电机,最近在新加坡获得了标志 最受尊重制造企业的卓越制造奖(MAXA)。

RFID卷土重来

另外一种工业无线应用的方式就是RFID,比如在亚洲的 很多机场。亚洲重要的航空枢纽香港机场,就是用RFID进行 货物处理、建档和其他服务。

澳大利亚科技公司Wi Protect可以提供一种追溯技术,融合了主动RFID和ZigBee,用于无线数据传输。根据Wi Protect 总经理Jonathan Elcombe所说,实时追溯系统可以减少 数据错误、提高流程效率。

ThinkMagic公司首席执行官Tom Grant则表达了小心谨慎 的态度,他认为RFID已经被炒得过热了,容易出现市场泡沫 并导致一系列后续的失败。“愿景是否能够实现,需要取决 于有多少家庭使用嵌入式RFID音频,”这是他在一次贸易展 的采访中表达的观点。多种类型的音频通讯设备应该共存, 因此需要将RFID与其他模式的通讯连接,比如GPS、Wi-Fi 和蓝牙。

新的成员也正在积极加入RFID联盟当中,该联盟是由掌 握着超高频(UHF)RFID产品开发和使用专利的RFID供应商组 成。这些产品正在影响着由EPCglobal和国际标准化组织(ISO) 制定的标准。最近加入的会员是电子与通讯研究院(ETRI)。

蜂鸣阵阵

ZigBee(紫蜂)协会现在在全世界已经有了差不多350名 会员,有工业界的好事者甚至将 ZigBee 称为无线领域的 “世界语”。供应商Ember Technologies因其基于ZigBee 技术的监控和自动化产品,出现在Inc杂志面向成长型公司 的Inc 5000榜单上。Ember公司的总部位于波士顿,在香港 也有办公室。在2010年5月,Ember宣布第1000万块Zig- Bee芯片下线,它是业界第一家达到这一里程碑的公司。根 据首席执行官Robert LeFort的叙述,公司今年的收入相比 2009年增加了300%。根据Ember公司高级工程副总裁Skip Ashton所说,Ember还拿到了一份巨额合同,在美国5000 万台能源仪表当中装备ZigBee技术。

与此同时,Atlantik Elektronik发布了新的基于EM357系统 的XBee和XBee-PRO ZB嵌入式ZigBee模块。这些新的产品便 于集成嵌入式微处理器,降低了开发成本,缩短了产品推向 市场的时间。飞思卡尔半导体是一家领先的IEEE 802.15.4芯 片组供应商,该公司最近发布了面向ZigBee RF4CE电子元件 的MC1323x芯片系统设备族。飞思卡尔微控制器解决方案集 团高级副总裁及总经理Reza Kazerounian认为,ZigBee无线应 用将继续保持高速增长。在基于ZigBee的实时定位系统这一 新兴领域,其他的领先厂商还包括Skytron和Awarepoint。

标准的聚焦点

在工厂无线领域,ISA100无线规则研究院(WCI)最近宣布 对国家技术系统公司的6台ISA100.11a无线设备进行认证,产 品的范围覆盖了压力传感器和温度传感器。根据WCI管理总 监Andre Ristaino的叙述,这一认证可以促进技术被市场进一 步认同。ISA100无线规则研究院(WCI)是一家非营利性的工 业组织,为用户和开发人员提供市场研究、教育信息、技术 支持以及通用工业无线标准中ISA100家族的合规服务。

ISA100.11a工业无线网络标准是ISA100标准家族中的老 大哥,它帮助供应商制造可互操作的无线自动化控制产品。 通过这项标准,制造商可以快速、低成本的无缝创建、修 改、优化和扩展无线网络。计划中对ISA100标准家族的补充包括对骨干功能和工厂自动化的支持。研究院的成员包括 最终用户、技术供应商、研发专业组织、学术机构和其他工 业协会和标准实体。早期的成员包括重庆邮电大学、富士电 机、Apprion、霍尼韦尔、Nivis、沈阳自动化研究所、山武以 及横河电机。

在WirelessHart方面,根据工业观察员的数据,在全球流 程行业应用无线Hart协议的设备预计有3000万台。它已经被 批准为一项国际标准(IEC 62591),所以至少在现在,流程行 业有两套竞争性的标准:ISA100.11a和WirelessHart。

艾默生过程管理已经发布了一款WirelessHart音叉液位开 关,据称可以在之前有线设备无法使用或者费用过于昂贵的 地点进行液位检测。艾默生宣称这款开关不会受到流体、气 泡、涡流、泡沫、振动、固体颗粒、涂料、药液和产品差异 的影响。典型的应用包括过度填充保护、高低液位报警、泵 控制(界限检测)和泵保护或者空管检测。罗斯蒙特2160型开 关是该公司PlantWeb数字架构解决方案中的元件。

在一些应用当中,WirelessHart自组织网络可以让开关自 动识别出最佳的通讯路径,数据可靠性超过99%。艾默生的 产品线涵盖IEC 62591(WirelessHart)认证的无线现场仪表和 工厂无线网络硬件。这包括MPM(机器位置监控)和MHM(机 器健康管理)设备和无线接口。

从业人员注意事项

谈到M2M,从业人员应该明确任何供应商提供的新模块 需要与现有的硬件和软件兼容,提高现有系统的性能。

Bob Heile是IEEE’s 802.15无线个人区域网络工作组和 P2030工作组的成员,也是ZigBee协会的主席。他认为高级 测量架构(AMI)在诸多领域都有着巨大的潜能。

然而,M2M领域生成、收集、分析的数据量相比以往也有了数量级的提升。以后,在看到测量数据管理(MDM) 这些新兴领域有一整套的启动和分析服务的时候不要感到惊 讶。Heile进一步指出,除非AMI真正用来解决某一个IT方面 挑战,否则它对客户来说就没有什么价值。有关MDM策略方 面的顾虑,在于及时的将高质量的数据转化为商业智能,公 司可以实际利用在运营管理中进行决策。MDM可以提升一 系列功能水平,比如性价比更高的计划、预测和避免系统停 机、识别可能存在故障风险的特别系统。

M2M业者有一项共识,就是无线解决方案供应商应该 确保他们的工作可以覆盖现有设施升级、更新选项、服务质 量、测量仪器和资产管理解决方案。很多工业M2M解决方 案应该能够支持工厂扩充和变更,因此挑战就在于应对多个 供应商和多种技术。尽管新产品可能功能更强、更加易于维 护,但是成本因素可能会限制新版本产品的应用。

你希望自己的无线设备在自供电的情况可以工作多久? 你希望自己的网络现在和将来可以支持多少设备和应用?无 线数据需要多少种应用接口?需要的频率如何?合乎标准对 于这些平台来说重要度如何?这些就是M2M从业人员在评估 新计划和相应解决方案的时候需要考虑的具体问题。

基于以上的考虑,网络和流量计划非常重要,方便性和 系统性能也不可或缺。噪音和干扰是工业环境中使用无线技 术的挑战,但是应用工程师已经为此开发了很多创新性的解 决方案。Ideal Industries公司DataComm测试部门商务经理 DataComm警告说,由于数据丢失和屏蔽带来的延迟,仍然 是无线环境中的一大挑战。

未来趋势

工业无线领域一个很有趣的趋势,就是公司办公室中的 传统IT与工厂中的工程师越来越紧密的合作。这得益于以太 网技术对于双方面的渗透,合作的领域包括网络监控、绩效 分析和优化。“随着工厂规模的扩大,无线的需求也在增 加。今天的无线技术在保证成本具有竞争力的情况下,仍然 拥有稳定的架构,”英维思技术创新总监Hesh Kagan说道。

总而言之,随着新技术在性能和安全方面的提升,无线 在工业领域的应用将持续增长。其实,如果考虑到未来发 展,技术的选择并不复杂。

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