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              面向工廠自動化高實時高可靠工業無線網絡WIA-FA技術與標準

              文:梁煒 中科院沈陽自動化研究所  

               

                 WIA-FA技術是面向離散制造業工廠自動化應用中高并發、高實時、高可靠的現場傳感器/執行器接入需求而研制開發的一種工作于2.4GHz/5GHz ISM頻段的工業無線網絡解決方案。離散制造業的典型行業包括飛機、船舶、汽車、機床、輕工、紡織、發電等裝備制造業,對網絡的需求量大面廣。工廠自動化應用通常部署于較為狹小的車間內,一個加工單元的傳感器/執行器通常為50-300個,密度可達0.2 - 1個/米³,且設備可移動,最大速度可達5-6米/秒。由于工廠自動化屬于高速控制應用,WIA-FA無線網絡設備的數據更新周期小于10ms、可靠性要求高達99.99%以上。

                 WIA-FA技術解決了工廠自動化有線網絡所面臨高布線與維護成本、移動性與靈活性差等應用難題,有效突破制造裝備與信息系統的數字鴻溝,在提升生產效率、提高產品質量、降低生產成本等方面發揮重要作用;此外,采用無線系統可以使車間內更加干凈、整潔,消除線纜對車間內人員羈絆、糾纏等危險,使車間的工作環境更加安全。WIA-FA技術是工廠自動化生產線實現在線可重構的重要使能技術,對推進制造業由傳統的低成本大批量生產模式向高端高附加值的個性化生產模式轉變,助推我國制造業的轉型升級,具有重要意義。WIA-FA技術與2011年完成的面向過程自動化的WIA-PA技術標準(IEC62601),構成了全面覆蓋流程工業和離散制造業的工業物聯網基礎技術體系,標志著我國在工業物聯網技術領域的研究取得重大進展。

                 鑒于中國科學院沈陽自動化研究所于海斌研究員在WIA-FA技術和標準上的突出貢獻,美國國際儀表學會授予其2016年度卓越技術貢獻獎;鑒于梁煒研究員在WIA-FA在技術和標準上的突出貢獻,國際電工委員會授予其2015年度IEC 1906獎。

              一.關鍵技術創新點

              關鍵技術:

                (1)基于MIMO的分層工業無線網絡體系架構

              提出了基于MIMO的分層工業無線網絡體系架構,通過透明化分布式協作天線,保證了空、頻、時等多個維度資源的高效利用,提高了網絡可靠性,并實現了移動機器人等裝備的無縫漫游。

                (2)高精度、低開銷時間同步方法

              提出了單、雙向互補的時間同步架構,在保證精度的同時,控制了同步開銷;通過周期自適應的誤差預測與平滑補償,進一步提高了時間同步的精度,率先實現了工業無線網絡微秒級的時間同步。

                (3)基于頻域輪詢的高并發接入協議

              針對工廠自動化應用小數據、高并發等應用特點,提出基于OFDM頻域輪詢的高并發接入協議,從根本上改變了現有TDMA、CDMA接入機制在可靠性和容量等方面的問題,實現了百點網絡可靠性99.99%條件下接入延遲小于10ms的指標。

               

              技術創新點:

               (1)適應工業應用特點的工業無線網絡實時接入技術:面向工廠自動化的工業無線網絡具有嚴格的時延界且節點密度大,現有的非工業用無線網絡技術不能滿足其應用要求。另外,工廠自動化應用中周期性報文和非周期報文并存、硬實時和軟實時并存等特點增加了其實時通信的難度。接入機制,即節點如何占用通信資源,是除射頻技術之外的影響實時通信的最主要因素。WIA-FA設計了獨有的工業無線網絡實時接入技術,使得網絡規模更大、資源利用更優化。

               (2)頻繁移動條件下節點的快速漫游和切換技術:工廠自動化應用中有許多諸如機器人、軌道掛載設備、AGV車等移動設備,從而要求對其監控的網絡節點要具有移動能力。同時,工廠的射頻環境復雜,存在的射頻陰影區域給移動設備的可靠實時通信帶來了新的挑戰。WIA-FA在網絡節點的快速漫游和切換等技術的方面具有明顯優勢,漫游切換零延遲,大大滿足移動設備的實時通信要求。

               (3)硬實時、高密度、頻繁移動的工業無線網絡實時通信技術:工廠自動化應用有嚴格的實時性約束,現有的無線技術不能滿足其要求。同時,工廠自動化應用通常要求網絡規模在百點以上,且節點密度大(很多應用的節點密度達到每立方米有0.2~1個節點),通信資源分配壓力大。此外,節點頻繁快速的移動(速度可達5.6 m/s)也增加了網絡實時通信的難度。WIA-FA根據應用的特征,最大限度地利用資源,保證通信的實時性。

               (4)適合工業應用需求的高性能低開銷網絡安全實現技術:一方面,網絡安全對于工業無線網絡的大規模部署至關重要。另一方面,任何網絡安全功能都會對網絡性能、設備能耗產生影響,而工業應用往往要求安全功能對網絡正常行為不產生負面影響。WIA-FA能夠合理地區分不同工業應用對于信息安全和網絡安全的要求,形成與之對應的安全策略,并在網絡上給出高性能低功耗的系統解決方案。

               

              二.研究成果應用情況:

                      WIA-FA工業無線網絡系統目前主要應用于AGV控制調度和機器設備無線互聯,我們的合作伙伴主要有:新松機器人、嘉藤機器人、昆船智能裝備、舜宇光學科技等AGV生產企業;我們的應用現場主要在航天科工集團、中國船舶重工集團、中國電子科技集團等國有大中型企業;此外我們還與德國SAP、PILZ,瑞典ABB等幾個跨國公司有著長期的合作交流。

               

              三.應用前景分析:

                       WIA-FA工業無線網絡系統特別適用于軍工企業涉密場所傳輸非涉密信息,作為物流配送系統無線控制調度、設備無線互聯載體,它是目前唯一合法應用于涉密場景傳輸非密信息的無線解決方案;此外WIA-FA還適用于物流分揀系統等對網絡容量需求極大、實時性要求極高的場所,在安全性、網絡容量、實時性、可靠性等各方面比傳統無線系統均有明顯的優勢。

               

               

               

              創建時間:2021-10-08 21:07
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              投稿:張少偉

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