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    摘要：工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化為無線技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)和可能。在一些工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，無線通信技術(shù)已獲得了應(yīng)用。如德國(guó)菲尼克斯電氣在Profinet的控制網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合無線以太網(wǎng)技術(shù)，使控制網(wǎng)絡(luò)具有了無線通信功能。由于無線網(wǎng)絡(luò)無可比擬的優(yōu)越性，它可以免去大量的線路連接，節(jié)省系統(tǒng)的構(gòu)建費(fèi)用和維護(hù)成本，還可以滿足一些特殊場(chǎng)合的需要，與此同時(shí)，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性。加之無線通信技術(shù)自身的不斷改進(jìn)，無線通信技術(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(yīng)用前景。

     上個(gè)世紀(jì)末802.11標(biāo)準(zhǔn)橫空出世，古語云：“以史為鑒，可以知興替”，回顧WLAN發(fā)展的歷史，尤其是2008年以來的變化，我們能夠發(fā)現(xiàn)：WLAN正面臨一個(gè)快速成長(zhǎng)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(yīng)用于個(gè)人局域網(wǎng)部署。同時(shí)，也被眾多企業(yè)客戶慧眼識(shí)金，利用無線網(wǎng)絡(luò)部署，延展有線網(wǎng)絡(luò)，提高企業(yè)生產(chǎn)率，有句話說的好，有序集成的信息可以創(chuàng)造生產(chǎn)力！

                   

                                                  圖1

     無線局域網(wǎng)目前有三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：802.11a、802.11b、802.11g，以前由于802.11a和802.11b標(biāo)準(zhǔn)不兼容而導(dǎo)致了爭(zhēng)論，這一直干擾著WLAN走向普遍應(yīng)用。隨著IEEE最終通過了無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)802.11g，而使得無線標(biāo)準(zhǔn)得到了統(tǒng)一。其中，802.11g和802.11b保持兼容，速度提升至54M。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，802.11g一統(tǒng)大局是必然趨勢(shì)。

                   

                                                           圖2

     相對(duì)于802.11g標(biāo)準(zhǔn)，802.11n在覆蓋范圍、穩(wěn)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?nèi)藗児逃械膶?duì)WLAN的觀點(diǎn)，11M的802.11b，甚至54M的802.11b無線聯(lián)網(wǎng)，基本上都被看作是以太網(wǎng)的一個(gè)補(bǔ)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)在是沒有什么吸引力。因此在多數(shù)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100M的快速以太網(wǎng)，而且穩(wěn)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(bǔ)充。

    WLAN企業(yè)用和家庭用的區(qū)別

    家庭用戶以及SOHO對(duì)WLAN的使用，主要目的是希望利用WLAN“溝通無極限”的方便性，克服傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)在這些環(huán)境下布線的不便。于是只要能連接上網(wǎng)，目的就達(dá)到了。這樣的需求很好滿足，如可以去購(gòu)買一個(gè)AP（無線接入點(diǎn)）和若干無線網(wǎng)卡就可以輕松實(shí)現(xiàn)。目前隨著價(jià)格的下降，這樣的使用已經(jīng)成為普及型的應(yīng)用。

    更為高層次的應(yīng)用就是在企業(yè)內(nèi)部成規(guī)模地部署無線網(wǎng)，把WLAN融合到企業(yè)內(nèi)部現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)中，形成一個(gè)有機(jī)的共同體，達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。

    無線網(wǎng)和有線網(wǎng)的一個(gè)最明顯的區(qū)別就是，無線網(wǎng)的信號(hào)是以電磁波的形式在空氣中傳播，附近的區(qū)域都可以接收到無線信號(hào)，而調(diào)制在無線電波上的信息，就屬于企業(yè)的內(nèi)部秘密，是不希望被企業(yè)之外的人得到的。對(duì)于家庭和娛樂應(yīng)用來說，這可能不算什么，但是對(duì)于企業(yè)來說，則是關(guān)系到商業(yè)機(jī)密的大事，馬虎不得。無線局域網(wǎng)雖然給人們插上了自由的翅膀，但是帶來的安全隱患也讓很多企業(yè)用戶擔(dān)心不已。由于無線信號(hào)的無處不在，企業(yè)普遍擔(dān)心企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)的信息會(huì)被無線局域網(wǎng)傳播出去，或者由于未授權(quán)的訪問導(dǎo)致的企業(yè)信息泄露等。

     其次，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的接入，由于無線網(wǎng)的融入，企業(yè)網(wǎng)好像變成了一個(gè)隨時(shí)可以擴(kuò)充的氣球。雖然方便了使用，但是需要防止那些非授權(quán)用戶的使用。因?yàn)橹灰幸粋€(gè)帶有無線網(wǎng)卡的筆記本電腦在無線接入點(diǎn)附近，就有從那里接入企業(yè)網(wǎng)的可能。這就需要無線接入點(diǎn)對(duì)接入客戶進(jìn)行認(rèn)證，避免非法接入。

     當(dāng)然，工廠應(yīng)用的安裝環(huán)境也和家庭辦公室環(huán)境截然不同，無線網(wǎng)絡(luò)的抗干擾問題，在這些環(huán)境顯著突出。工作在2.4G和5G頻帶內(nèi)，采用直序擴(kuò)頻技術(shù)的WLAN設(shè)備，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)如何，還需要真實(shí)環(huán)境下的檢驗(yàn)。

    安全是走向企業(yè)應(yīng)用的前提

    IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)經(jīng)過漫長(zhǎng)的爭(zhēng)論后終于批準(zhǔn)了802.11i標(biāo)準(zhǔn)。802.11i就是為了解決Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)安全而提出的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)界有人干脆稱其為Wi-Fi安全標(biāo)準(zhǔn)。

     在802.11i標(biāo)準(zhǔn)之前，其實(shí)Wi-Fi也有安全方面的考慮：WEP——無線加強(qiáng)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(hù)，極易被破解。WEP屬于第一代802.11安全標(biāo)準(zhǔn)，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(xiǎn)。

                   

                                             圖3

    在WEP遭到廣泛的質(zhì)疑后，緊接著，Wi-Fi聯(lián)盟推出了Wi-Fi保護(hù)接入?yún)f(xié)議（WPA）。WPA實(shí)質(zhì)上只是新型安全規(guī)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(rèn)證機(jī)制以及與傳統(tǒng)硬件相匹配的TKIP（臨時(shí)密鑰完整性協(xié)議）加密機(jī)制時(shí)存在的缺陷。802.11i的加密協(xié)議主要是基于增強(qiáng)加密標(biāo)準(zhǔn)AES(高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn))而制訂，能實(shí)現(xiàn)802.11數(shù)據(jù)幀加密，以及復(fù)雜完善的認(rèn)證和動(dòng)態(tài)密鑰分配機(jī)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(biāo)準(zhǔn)140-2認(rèn)證，進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)敏感信息的保護(hù)。新的標(biāo)準(zhǔn)還在Wi-Fi無線網(wǎng)卡中加入了兩層安全保護(hù)，充分保障了企業(yè)局域網(wǎng)內(nèi)部的無線接入安全。

    快速傳輸和QoS保障無線視頻

    視頻信號(hào)對(duì)無線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(jí)QoS控制，這樣才能在WLAN上順暢實(shí)現(xiàn)無線視頻應(yīng)用。

    首先，對(duì)于傳輸速度的問題。目前的802.11g標(biāo)準(zhǔn)最高的數(shù)據(jù)傳輸速率是54Mbps，但是實(shí)際速率一般不超過20Mbps。盡管這個(gè)數(shù)值對(duì)很多應(yīng)用而言已經(jīng)足夠了，但對(duì)那些高速互聯(lián)設(shè)備，特別是流媒體和視頻應(yīng)用而言還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。它們需要100Mbps或更高的速率。

    802.11標(biāo)準(zhǔn)的新版本802.11n，能在20MHz到40MHz的帶寬內(nèi)，實(shí)現(xiàn)超過100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。此標(biāo)準(zhǔn)還允許在100米或更遠(yuǎn)距離上的無線設(shè)備間能進(jìn)行高速互聯(lián)。

    要在WLAN上實(shí)現(xiàn)語音和視頻等多媒體通訊，就需要在傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸優(yōu)先級(jí)分類。一般的數(shù)據(jù)傳輸由于對(duì)時(shí)延不很敏感，所以可以把優(yōu)先級(jí)別降低；對(duì)于語音和視頻數(shù)據(jù)，則需要提高它們的優(yōu)先級(jí)，這就是QoS的基本思路。在無線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)QoS的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.1e，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)將使WLAN管理員能夠設(shè)置不同種類數(shù)據(jù)包的優(yōu)先范圍，并可控制被發(fā)送數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔。這就為語音和視頻的傳輸開了綠燈。

     WLAN的QoS應(yīng)當(dāng)根據(jù)數(shù)據(jù)包的類型來處理流量，如將它們分為語音、數(shù)據(jù)或視頻等。服務(wù)級(jí)特性（Class-of-Service）對(duì)流量進(jìn)行分類，而QoS特性則對(duì)傳輸?shù)牧髁吭O(shè)置優(yōu)先級(jí)。隨著語音和視頻應(yīng)用的增多，QoS在無線LAN中的作用也變得越來越重要。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)被語音和多媒體應(yīng)用以及大型文件傳輸?shù)妊杆僬加谩?br />
                   

                                                            圖4

    無線組網(wǎng)帶來的福音

    一些大集團(tuán)公司在不斷發(fā)展壯大過程中，覆蓋范圍不斷擴(kuò)大。在發(fā)展過程中逐步建立起來很多培訓(xùn)中心、物業(yè)、研究所、倉(cāng)庫(kù)等。這些機(jī)構(gòu)位置分散，如果采用傳統(tǒng)的光纜施工，不僅施工困難、費(fèi)時(shí)也費(fèi)力；而且由于其中有些建筑之間的連接可能要跨過交通要道，動(dòng)工鋪設(shè)光纜需要報(bào)批，手續(xù)很復(fù)雜，而且不易批準(zhǔn)。這樣一來，無線組網(wǎng)方式的靈活性就顯現(xiàn)出來了，這也正是無線局域網(wǎng)大顯身手的時(shí)候。

    安徽江淮汽車工廠的底漆生產(chǎn)線改造中就應(yīng)用了WLAN技術(shù)來取代老的滑觸線系統(tǒng)，不僅節(jié)省費(fèi)用，還大大提高了生產(chǎn)效率，產(chǎn)能提升近30%。整個(gè)項(xiàng)目采用了IP65高防護(hù)等級(jí)的FL WLAN 24 AP 802-11進(jìn)行冗余部署，輸送帶上的自行小車采用FL WLAN 24 EC客戶端輕松接入無線網(wǎng)絡(luò)。遵循802.11i最高加密128位，更是滿足了系統(tǒng)可靠性穩(wěn)定性的技術(shù)要求。

                      

                                                                圖5

    WLAN無線定位成為新亮點(diǎn)

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

     根據(jù)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RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度指示器）對(duì)最接近802.11設(shè)備的AP或傳感器的身份驗(yàn)證，來完成基于信號(hào)強(qiáng)度的跟蹤。通常這意味著一旦監(jiān)控系統(tǒng)識(shí)別了最近的AP（接入點(diǎn)），就要依靠管理員手持分析儀來跟蹤定位。這種方式提供的精確度只是在最近的AP范圍以內(nèi)。有時(shí)其它AP的RSSI也會(huì)被標(biāo)示出來協(xié)助定位。通過加入一些智能算法和一幅平面圖，監(jiān)控系統(tǒng)可以采用三角測(cè)量法來定位，這增加了定位精度。三角測(cè)量則可以將定位精度限制于40-90平方米的范圍之內(nèi)。

     來自冶金行業(yè)的智能掛牌檢修系統(tǒng)就是無線定位應(yīng)用的最佳案例，某鋼廠每年都要進(jìn)行類似大小修的設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)工作，傳統(tǒng)的手工方式，存在檢修漏洞和人為疏忽，且不易記錄和問責(zé)。工程技術(shù)人員，采用了全廠WLAN布局，在全廠室內(nèi)和室外分別架設(shè)IP20和IP67保護(hù)等級(jí)的無線以太網(wǎng)接入點(diǎn)（AP），維護(hù)人員通過手持設(shè)備可以在任意角落訪問檢修系統(tǒng)界面，通過無線網(wǎng)絡(luò)，與服務(wù)器端通訊，實(shí)現(xiàn)電子確認(rèn)，并記錄操作工號(hào)及相關(guān)權(quán)限，實(shí)現(xiàn)了電子化流程，事件記錄可查，解決了歷史問題。

                    

                                                 圖6


    結(jié)束語

     隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，IT技術(shù)所驅(qū)動(dòng)的無線網(wǎng)絡(luò)越來越受到關(guān)注。當(dāng)然工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)所需的技術(shù)不單單是802.11 WLAN，還包括藍(lán)牙、Zigbee、GSM/GPRS、數(shù)傳電臺(tái)等等，如何選取適合您的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，還需要全面分析包括：安裝環(huán)境、系統(tǒng)接口、天線安裝、傳輸距離、安全性、可靠性等諸多因素。如果還有疑問，馬上聯(lián)系菲尼克斯電氣，來自德國(guó)的工業(yè)無線專家，全球領(lǐng)先的無線科技和應(yīng)用方案，必有一款適合您的應(yīng)用！