摘要：工業(yè)控制系統的網(wǎng)絡(luò )化為無(wú)線(xiàn)技術(shù)在工業(yè)控制系統中的應用提供了基礎和可能。在一些工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )中，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)已獲得了應用。如德國菲尼克斯電氣在Profinet的控制網(wǎng)絡(luò )中結合無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)技術(shù)，使控制網(wǎng)絡(luò )具有了無(wú)線(xiàn)通信功能。由于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )無(wú)可比擬的優(yōu)越性，它可以免去大量的線(xiàn)路連接，節省系統的構建費用和維護成本，還可以滿(mǎn)足一些特殊場(chǎng)合的需要，與此同時(shí)，大大增強了系統構成的靈活性。加之無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)自身的不斷改進(jìn)，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中必將具有廣闊的發(fā)展空間和應用前景。

     上個(gè)世紀末802.11標準橫空出世，古語(yǔ)云：“以史為鑒，可以知興替”，回顧WLAN發(fā)展的歷史，尤其是2008年以來(lái)的變化，我們能夠發(fā)現：WLAN正面臨一個(gè)快速成長(cháng)的時(shí)代。在IT技術(shù)的不斷推動(dòng)下，WLAN技術(shù)取得了深入的發(fā)展，不單單應用于個(gè)人局域網(wǎng)部署。同時(shí)，也被眾多企業(yè)客戶(hù)慧眼識金，利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )部署，延展有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，提高企業(yè)生產(chǎn)率，有句話(huà)說(shuō)的好，有序集成的信息可以創(chuàng )造生產(chǎn)力！

                   

                                                  圖1

     無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)目前有三個(gè)標準：802.11a、802.11b、802.11g，以前由于802.11a和802.11b標準不兼容而導致了爭論，這一直干擾著(zhù)WLAN走向普遍應用。隨著(zhù)IEEE最終通過(guò)了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準802.11g，而使得無(wú)線(xiàn)標準得到了統一。其中，802.11g和802.11b保持兼容，速度提升至54M。從長(cháng)遠來(lái)看，802.11g一統大局是必然趨勢。

                   

                                                           圖2

     相對于802.11g標準，802.11n在覆蓋范圍、穩定性、向后兼容性等方面都有很明顯的提升，但是最明顯的進(jìn)步連接速率從802.11g的54Mbps提升到802.11n的300Mbps。300Mbps的物理連接速率，將徹底改變人們固有的對WLAN的觀(guān)點(diǎn)，11M的802.11b，甚至54M的802.11b無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，基本上都被看作是以太網(wǎng)的一個(gè)補充，目前局域網(wǎng)連接速率，基本上都是100M的快速以太網(wǎng)部署，部分企業(yè)環(huán)境甚至已經(jīng)是千兆以太網(wǎng)到桌面。WLAN 54M的物理連接帶寬實(shí)在是沒(méi)有什么吸引力。因此在多數人眼中，WLAN是一個(gè)難以提供QOS保證的網(wǎng)絡(luò )，能用就用，不能用也無(wú)所謂。802.11n帶寬的提升，徹底變革了IT行業(yè)思維，300M的物理連接帶寬已經(jīng)超過(guò)100M的快速以太網(wǎng)，而且穩定性、覆蓋范圍等多方面的提升，市場(chǎng)已經(jīng)不能僅僅將其看作以太網(wǎng)的補充。

    WLAN企業(yè)用和家庭用的區別

    家庭用戶(hù)以及SOHO對WLAN的使用，主要目的是希望利用WLAN“溝通無(wú)極限”的方便性，克服傳統有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在這些環(huán)境下布線(xiàn)的不便。于是只要能連接上網(wǎng)，目的就達到了。這樣的需求很好滿(mǎn)足，如可以去購買(mǎi)一個(gè)AP（無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)）和若干無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡就可以輕松實(shí)現。目前隨著(zhù)價(jià)格的下降，這樣的使用已經(jīng)成為普及型的應用。

    更為高層次的應用就是在企業(yè)內部成規模地部署無(wú)線(xiàn)網(wǎng)，把WLAN融合到企業(yè)內部現有的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，形成一個(gè)有機的共同體，達到提高生產(chǎn)效率的目的。

    無(wú)線(xiàn)網(wǎng)和有線(xiàn)網(wǎng)的一個(gè)最明顯的區別就是，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)的信號是以電磁波的形式在空氣中傳播，附近的區域都可以接收到無(wú)線(xiàn)信號，而調制在無(wú)線(xiàn)電波上的信息，就屬于企業(yè)的內部秘密，是不希望被企業(yè)之外的人得到的。對于家庭和娛樂(lè )應用來(lái)說(shuō)，這可能不算什么，但是對于企業(yè)來(lái)說(shuō)，則是關(guān)系到商業(yè)機密的大事，馬虎不得。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)雖然給人們插上了自由的翅膀，但是帶來(lái)的安全隱患也讓很多企業(yè)用戶(hù)擔心不已。由于無(wú)線(xiàn)信號的無(wú)處不在，企業(yè)普遍擔心企業(yè)內部網(wǎng)的信息會(huì )被無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)傳播出去，或者由于未授權的訪(fǎng)問(wèn)導致的企業(yè)信息泄露等。

     其次，對于網(wǎng)絡(luò )的接入，由于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)的融入，企業(yè)網(wǎng)好像變成了一個(gè)隨時(shí)可以擴充的氣球。雖然方便了使用，但是需要防止那些非授權用戶(hù)的使用。因為只要有一個(gè)帶有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的筆記本電腦在無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)附近，就有從那里接入企業(yè)網(wǎng)的可能。這就需要無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)對接入客戶(hù)進(jìn)行認證，避免非法接入。

     當然，工廠(chǎng)應用的安裝環(huán)境也和家庭辦公室環(huán)境截然不同，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的抗干擾問(wèn)題，在這些環(huán)境顯著(zhù)突出。工作在2.4G和5G頻帶內，采用直序擴頻技術(shù)的WLAN設備，在工業(yè)現場(chǎng)表現如何，還需要真實(shí)環(huán)境下的檢驗。

    安全是走向企業(yè)應用的前提

    IEEE標準委員會(huì )經(jīng)過(guò)漫長(cháng)的爭論后終于批準了802.11i標準。802.11i就是為了解決Wi-Fi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )安全而提出的一個(gè)標準，業(yè)界有人干脆稱(chēng)其為Wi-Fi安全標準。

     在802.11i標準之前，其實(shí)Wi-Fi也有安全方面的考慮：WEP——無(wú)線(xiàn)加強等效保密協(xié)議，就是這樣的安全協(xié)議，但它僅能提供基本的安全保護，極易被破解。WEP屬于第一代802.11安全標準，由于本身存在漏洞，即采用RC4密碼算法，所以它存在被攻破的危險。

                   

                                             圖3

    在WEP遭到廣泛的質(zhì)疑后，緊接著(zhù)，Wi-Fi聯(lián)盟推出了Wi-Fi保護接入協(xié)議（WPA）。WPA實(shí)質(zhì)上只是新型安全規范802.11i的一個(gè)子集，它主要解決WEP加密方案在集成基于802.1x認證機制以及與傳統硬件相匹配的TKIP（臨時(shí)密鑰完整性協(xié)議）加密機制時(shí)存在的缺陷。802.11i的加密協(xié)議主要是基于增強加密標準AES(高級加密標準)而制訂，能實(shí)現802.11數據幀加密，以及復雜完善的認證和動(dòng)態(tài)密鑰分配機制。它的密鑰可以支持128位、192位、甚至256位。同時(shí)符合聯(lián)邦信息處理標準140-2認證，進(jìn)一步加強了對敏感信息的保護。新的標準還在Wi-Fi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡中加入了兩層安全保護，充分保障了企業(yè)局域網(wǎng)內部的無(wú)線(xiàn)接入安全。

    快速傳輸和QoS保障無(wú)線(xiàn)視頻

    視頻信號對無(wú)線(xiàn)信道提出了苛刻的要求，首先是速度要保證，然后是要有優(yōu)先級QoS控制，這樣才能在WLAN上順暢實(shí)現無(wú)線(xiàn)視頻應用。

    首先，對于傳輸速度的問(wèn)題。目前的802.11g標準最高的數據傳輸速率是54Mbps，但是實(shí)際速率一般不超過(guò)20Mbps。盡管這個(gè)數值對很多應用而言已經(jīng)足夠了，但對那些高速互聯(lián)設備，特別是流媒體和視頻應用而言還遠遠不夠。它們需要100Mbps或更高的速率。

    802.11標準的新版本802.11n，能在20MHz到40MHz的帶寬內，實(shí)現超過(guò)100Mbps的數據傳輸速率。此標準還允許在100米或更遠距離上的無(wú)線(xiàn)設備間能進(jìn)行高速互聯(lián)。

    要在WLAN上實(shí)現語(yǔ)音和視頻等多媒體通訊，就需要在傳輸數據的時(shí)候，對數據進(jìn)行傳輸優(yōu)先級分類(lèi)。一般的數據傳輸由于對時(shí)延不很敏感，所以可以把優(yōu)先級別降低；對于語(yǔ)音和視頻數據，則需要提高它們的優(yōu)先級，這就是QoS的基本思路。在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現QoS的標準是IEEE802.1e，這項標準將使WLAN管理員能夠設置不同種類(lèi)數據包的優(yōu)先范圍，并可控制被發(fā)送數據包之間的時(shí)間間隔。這就為語(yǔ)音和視頻的傳輸開(kāi)了綠燈。

     WLAN的QoS應當根據數據包的類(lèi)型來(lái)處理流量，如將它們分為語(yǔ)音、數據或視頻等。服務(wù)級特性（Class-of-Service）對流量進(jìn)行分類(lèi)，而QoS特性則對傳輸的流量設置優(yōu)先級。隨著(zhù)語(yǔ)音和視頻應用的增多，QoS在無(wú)線(xiàn)LAN中的作用也變得越來(lái)越重要。QoS可以使網(wǎng)絡(luò )管理員更方便地管理WLAN的帶寬，而WLAN帶寬常常會(huì )被語(yǔ)音和多媒體應用以及大型文件傳輸等迅速占用。

                   

                                                            圖4

    無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)帶來(lái)的福音

    一些大集團公司在不斷發(fā)展壯大過(guò)程中，覆蓋范圍不斷擴大。在發(fā)展過(guò)程中逐步建立起來(lái)很多培訓中心、物業(yè)、研究所、倉庫等。這些機構位置分散，如果采用傳統的光纜施工，不僅施工困難、費時(shí)也費力；而且由于其中有些建筑之間的連接可能要跨過(guò)交通要道，動(dòng)工鋪設光纜需要報批，手續很復雜，而且不易批準。這樣一來(lái)，無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)方式的靈活性就顯現出來(lái)了，這也正是無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)大顯身手的時(shí)候。

    安徽江淮汽車(chē)工廠(chǎng)的底漆生產(chǎn)線(xiàn)改造中就應用了WLAN技術(shù)來(lái)取代老的滑觸線(xiàn)系統，不僅節省費用，還大大提高了生產(chǎn)效率，產(chǎn)能提升近30%。整個(gè)項目采用了IP65高防護等級的FL WLAN 24 AP 802-11進(jìn)行冗余部署，輸送帶上的自行小車(chē)采用FL WLAN 24 EC客戶(hù)端輕松接入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。遵循802.11i最高加密128位，更是滿(mǎn)足了系統可靠性穩定性的技術(shù)要求。

                      

                                                                圖5

    WLAN無(wú)線(xiàn)定位成為新亮點(diǎn)

    WLAN的技術(shù)特點(diǎn)使得其具備定位的功能，各家廠(chǎng)商都在努力使WLAN的定位更加精確。

     根據不同的精確度定位跟蹤的方式有多種，最簡(jiǎn)單也是最常用的是通過(guò)RSSI（接收信號強度指示器）對最接近802.11設備的AP或傳感器的身份驗證，來(lái)完成基于信號強度的跟蹤。通常這意味著(zhù)一旦監控系統識別了最近的AP（接入點(diǎn)），就要依靠管理員手持分析儀來(lái)跟蹤定位。這種方式提供的精確度只是在最近的AP范圍以?xún)?。有時(shí)其它AP的RSSI也會(huì )被標示出來(lái)協(xié)助定位。通過(guò)加入一些智能算法和一幅平面圖，監控系統可以采用三角測量法來(lái)定位，這增加了定位精度。三角測量則可以將定位精度限制于40-90平方米的范圍之內。

     來(lái)自冶金行業(yè)的智能掛牌檢修系統就是無(wú)線(xiàn)定位應用的最佳案例，某鋼廠(chǎng)每年都要進(jìn)行類(lèi)似大小修的設備維護和保養工作，傳統的手工方式，存在檢修漏洞和人為疏忽，且不易記錄和問(wèn)責。工程技術(shù)人員，采用了全廠(chǎng)WLAN布局，在全廠(chǎng)室內和室外分別架設IP20和IP67保護等級的無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)接入點(diǎn)（AP），維護人員通過(guò)手持設備可以在任意角落訪(fǎng)問(wèn)檢修系統界面，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，與服務(wù)器端通訊，實(shí)現電子確認，并記錄操作工號及相關(guān)權限，實(shí)現了電子化流程，事件記錄可查，解決了歷史問(wèn)題。

                    

                                                 圖6


    結束語(yǔ)

     隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，IT技術(shù)所驅動(dòng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )越來(lái)越受到關(guān)注。當然工業(yè)現場(chǎng)所需的技術(shù)不單單是802.11 WLAN，還包括藍牙、Zigbee、GSM/GPRS、數傳電臺等等，如何選取適合您的工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，還需要全面分析包括：安裝環(huán)境、系統接口、天線(xiàn)安裝、傳輸距離、安全性、可靠性等諸多因素。如果還有疑問(wèn)，馬上聯(lián)系菲尼克斯電氣，來(lái)自德國的工業(yè)無(wú)線(xiàn)專(zhuān)家，全球領(lǐng)先的無(wú)線(xiàn)科技和應用方案，必有一款適合您的應用！