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工业无线技术:打造灵活的模块化生产系统
发布日期:2018-04-02浏览次数: 字号:[ ]

当前,全球范围内新一轮科技革命和产业变革蓬勃兴起。随着新一代信息技术与传统产业的加速融合,作为智能制造关键基础的工业互联网孕育而生,并日益成为新工业革命的关键支撑。无线技术是降低工业测控系统成本、扩展应用范畴的革命性技术,通过无线技术传递信息具有低成本、易使用、灵活度高等优点,更加适合应用在高温、高噪声、偏远地区等不适宜工人操作的环境下,能够大幅提高生产效率。据艾默生的测算,无线技术可以降低60%的设备成本、减少65%的设备管理时间并且能够节省95%的布线空间。无线技术是对各类工业有线技术的重要补充,已成为工业互联网网络连接的一个重要发展方向。

   工业无线技术

   标准化逐步完善

   目前,工业领域所应用的无线技术总的来看可以分为两大类:一类是短距离通信技术,另一类是广域网通信技术。

   ——短距离通信技术。短距离通信技术是目前工业领域应用最广泛的无线通信技术,主要包括WLAN、蓝牙以及RFID等传统短距离通信技术和以WirelessHART、ZigBee、ISA100.11a 、WIA-PA等为代表的面向工业应用的专用短距离通信技术。

   微功率短距离无线发射设备一般用于单向或双向的低功率短距离通信,具有覆盖频率宽、使用范围广、设备数量大的特点,同时又具有价格低、移动灵活、易于组网等优点,因此被广泛应用在工业生产制造的多个环节。随着物联网的快速发展、工业生产制造的自动化水平不断提升,微功率短距离无线发射设备在工业生活的应用将变得越来越广泛。

   ——广域网通信技术。随着工业领域各类无线通信需求的不断增加,蜂窝移动通信技术以及基于蜂窝技术的低功耗广域网技术也开始应用在工业领域中。

   目前已经在工业领域应用的广域网通信技术包括2G/3G/4G移动通信技术,以及以NB-IoT、eMTC、LoRa等为代表的低功耗广域网技术。低功耗广域网是一种可以实现低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网通信技术,其最大的特点是实现了远距离、低功耗。此外,第五代移动通信技术规划了低功耗大连接(mMTC)和低时延高可靠(URLLC)两类场景,主要是针对未来大规模物联网和工厂自动化等对时间敏感的关键应用。可以看出,未来广域网通信技术在工业领域的应用具有非常广阔的前景。

   无线技术

   在工业领域探索应用

   无线传感器已成为工业领域无线技术的主要应用。由于工业无线传感器可以将工业环境下的物理量转化为可以度量的数据,因而,来自需要实时获取设备状态参数并进行监控分析的工厂和企业的需求带动了工业无线传感器的飞速发展。据Grand View Research的一份最新报告显示,全球工业无线传感器网络(IWSN)的市场规模预计将在2025年达到86.7亿美元,2018~2025年期间的年复合增长率将达到14.5%。

   根据应用场景的不同需求,工业无线传感器可以分为流量、温度、压力、气体以及其他几大类。从Research and Markets的研究报告可知,石油和天然气行业是应用工业无线传感器最主要的行业。对于冶金、石化以及金属热加工等行业的工厂,通常需要较为频繁地读取设备状态以及关键性能参数,但是此类工厂内的工作环境恶劣,高温、高湿、高噪声不适合工人长期工作。在工人作业或部署有线通信网络不便的情况下,可以通过部署无线传感器网络来实现数据的读取和设备状态的监控。

   通过在整个工厂内部署无线传感器节点采集数据,利用预测分析技术对所采集的数据进行监测分析,可以对各类设备的运行状况进行监测,提前发现设备运行性能下降并预判可能发生的故障,从而延长设备正常运行时间,提高工厂安全性。

   物联网发展带动广域网技术应用到工业领域。2017年GSMA发布报告,低功耗广域网技术的物联网应用连接数将在2022年超过2G/3G/4G技术的连接数,达到14亿连接。这其中,NB-IoT和eMTC成为低功耗广域网技术发展应用的最主要推动力。

   在车间能耗管理方面,为了提高车间智能排产调度能力、加强异常报警和节能减排水平,已经有企业开展了基于NB-IoT的车间能耗管理平台测试床建设。试验验证平台可以对车间内的电表、蒸汽表的信息进行采集和汇总,在云平台对所有数据进行存储、分析,为车间用户提供报表、曲线、能耗统计、指标监控、异常报警等功能,更进一步在数据统计与分析的基础上进行辅助排产和降低单位产品能耗。

   智能工厂带来更多无线技术的应用需求。在数字化的基础上,智能工厂利用先进的技术和手段加强信息管理与服务,提供生产过程的可控性、减少生产线上的人工干预、合理计划排程,这些都将带动无线技术应用在工业领域中。典型的应用案例有:

   物料运输。在工厂内规划固定线路部署RFID标签,应用AGV来进行厂房内的物料配送,实现物料运送无人化,提高生产效率。

   移动检测。通过使用带有无线传输模块的手持终端,工人在大面积的厂区内巡检或维护时可以更加灵活地获取相关设备信息,通过远程传回控制中心获得准确分析数据,大大提高了工作效率。

   总的来说,目前工业领域在用的无线技术和无线设备主要以短距离通信为主,以NB-IoT为代表的低功耗广域网技术也在逐步应用在工业领域。未来随着工厂信息化和智能化的发展,将会有越来越多的工业场景需要采用无线技术和无线设备。

   我国工业领域

   应用无线技术面临挑战

   通过对我国工业企业调研发现,无线技术在工业领域的应用场景有限,主要集中在数据采集、状态监控等生产制造的非关键环节,而关键环节的通信一般采用有线技术。在应用各类无线技术的过程中,主要面临两方面的困难:

   一是现有无线技术还无法满足工业领域关键通信需求的严苛条件。尽管无线技术发展日新月异,但是目前工业领域常用的无线通信技术存在传输时延大、数据丢包率高等问题。生产制造的关键环节在通信方面对时间高度敏感、准确率要求高、传输保密性严格,现有的无线技术还无法取代有线技术在工业领域的主要地位。

   二是频率资源紧缺不利于无线技术在工业领域的应用发展。目前微功率短距离设备是工业领域最主要的无线应用,这类设备所使用的频率以ISM频段为主,主要集中在2.4GHz的免许可频段。免许可频段上有大量的民用无线设备,信道数量有限加之用频设备多,导致带宽消耗大,拥塞现象严重,工业无线设备的使用存在干扰风险。

   我国工业互联网发展的主要目标是通过系统构建网络、平台、安全三大功能体系,打造人、机、物全面互连的新型网络基础设施,形成智能化发展的新兴业态和应用模式。要实现这样的目标,需要采用灵活的模块化生产系统来代替静态的连续生产系统,工业无线技术将成为这一发展变革的重要支撑技术手段。为此,对我国工业互联网无线技术发展提出以下建议:

   一是引导和推动无线技术在工业领域的应用和试点。无线通信技术作为工业互联网网络连接的重要手段,建议政府和相关行业组织积极引导工业企业在适合的生产制造场景中应用无线技术,提升企业生产效率;推动以NB-IoT和5G为代表的广域网通信技术的发展,积极引导和鼓励工业企业开展应用试点示范。

   二是优化短距离微功率设备的使用。围绕工业用频特点,优化工业场景下免许可频段的使用,研究制定短距离微功率设备发射功率和共享标准,推进相关系统干扰消除技术的研发创新,增强系统抗干扰能力,提升免授权频段内不同系统的共存能力。

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   工业互联网是推进制造强国和网络强国建设的重要基础,是全面建成小康社会和建设社会主义现代化强国的有力支撑。无线技术是工业互联网网络连接的重要手段,发展无线技术,顺应时代发展潮流和智能制造发展方向,对于提高效率、降低成本有着重要的意义。





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