與硬連線網絡相比，無線方案可以節省時間、材料及人工，而且有些無線I/O解決方案還能降低WLAN以及基于現場總線系統的配置、編程及其他要求。本文介紹幾個用戶如何簡化及實施無線方案以滿足其業務需求的案例。
不能因為您看不到無線網絡的傳輸部分就意味著它們不存在。與硬連線及雙絞線相比，盡管使用無線方案意味著需要不同的任務與工具，和了解各種無線通信方式的物理差異，但它也同樣需要人們的“溫柔呵護”。
無論是可見還是不可見，工業網絡的使命依然如故，即：根據物理條件來精確、快速及安全地將信號及數據傳輸至可對它們進行分析并進行決策的地方，然后再將指令及進一步的查詢傳回（如果需要的話）。另外，在使用任何一種工業網絡時，您都必須十分清楚您需要及想要達到的目標，然后再找出您的應用及環境所能處理的那部分（在您決定使用哪一種無線技術以前）。 無線I/O基礎
一些用戶目前正在使用的一種最有前途的無線技術是無線輸入/輸出（I/O），基本上它會先從I/O點上收集4~20 mA的模擬或其他原始信號，然后再將這些數據通過無線電發往中央處理設備，如PC或PLC等。這種方法不使用無線局域網（WLAN）或現場總線，這意味著它的速度較慢且不能公用，但要比基于WLAN的網絡更易于實現。這種簡單性使得無線I/O更易于使用，同時也意味著無需與現有IT基礎設施進行協調。此外，通過無線I/O，用戶通常還能節省材料及人力，而且由于無需對WLAN或現場總線進行配置及編程，用戶甚至還能節省更多的時間和金錢。
因此，無線I/O在改造及擴建項目上正變得越來越流行，且經常用來幫助削減開支，據ARC咨詢集團Harry Forbes所撰寫的一份最新報告稱，雖然大多數無線I/O系統目前都用于數據采集，但也曾成功地用于一些閉環控制應用中--盡管有效帶寬限制了它們的控制速度。無線I/O可傳輸模擬及離散傳感器信號，雖然只有1~20 Hz，但對于許多控制應用來說已經夠用。無線I/O的主要限制是每一個無線I/O點所傳送的信號數量有限，因此在I/O點數較多的地方，WLAN更具有吸引力，ARC稱。
“盡管無線I/O是一個簡單的概念，但它在工廠控制工程師們的心目中仍是一種新生事物。由于這一概念容易把人嚇著，因此我們將它稱之為不需要使用雙絞線的無線I/O”，Elpro Technologies公司總經理Graham Moss說，“即使‘無線’這一詞也還是有些嚇人，但現在大部分人已不再去設想最壞的情況，而是開始認識到他們能夠在許多應用中使用無線”。
為拓展潛在用戶以及使無線易于實施，已有幾家廠商開發出能將無線I/O與其他傳感及聯網功能集成在一起的解決方案。例如，Accutech公司開發的無線儀表系統（Wireless Instrumentation System，WIS）即包含了經過集成與校準的傳感器，用于檢測溫度、壓力、聲音及多輸入（模擬與離散）的電池供電（壽命5年）的現場收發器，帶RS-232、RS-485 Modbus和4~20 mA輸出選項的基地無線電收發器，以及用于數據管理及異常情況報告的軟件。這些單元已被批準在危險區域使用，事實上，紐約Consolidated Edison公司的工程師已能在45分鐘之內將Accutech公司的這套系統安裝在城市暖氣分配計量站上，而以前卻需耗時兩小時。
此外，Honeywell Process Solutions也推出了用來監控壓力、溫度等物理量的XYR5000無線變送器。這些裝置還包括用來為4~20 mA設備增添無線能力、以及將測量結果無線傳輸至與控制系統或數據采集設備（如記錄儀或PC等）相連的基地無線電收發器的模擬輸入接口。每一基地收發器可同時接收來自多達50部無線變送器的信號。XYR5000型無線變送器無需布線即能實現過程與資產監控，并允許在旋轉設備上進行測量。
 Phoenix與Omnex之間的合作
在過去幾年中，Phoenix Contact及Omnex Control Systems公司共同致力于為工廠用戶提供無線I/O設備。相對于構建一個網絡，這些工廠用戶通常更關心信號傳輸的安全性。Phoenix公司一開始研究利用跳頻擴頻（Frequency-Hopping Spread Spectrum，FHSS）技術來對其有線4~20 mA信號調理器執行基于I/O的收集與發送。
“過程應用一般總是測量和發送溫度、壓力、物位及流量數據，并且通常用4~20 mA模擬信號來指示過程狀態、或者用數據告警信號”，Phoenix公司儀表與無線產品市場經理Davis Mathews指出，“因此我們和Omnex公司聯合推出了一種可無線接收一路4~20 mA信號或兩路數據輸入信號且無需進行設置或編程的設備。我們特地采用一種簡單的方法，以我們目前的水平我們并沒有太大的擔心，因為我們只是使一臺設備無線，而不是整個現場總線網絡。這種方案允許用戶先試驗一臺或兩臺無線I/O設備，然后在他們準備好以后再增加更多的設備”。
利用Omnex公司開發的值得信任的無線I/O及數據無線電收發器，Phoenix公司開發出MCR-RAD(Measurement Control Regulation-Radio Analog Digital)技術，它可在96 kbps速率上、以及聯邦規則所允許的較高功率上（最高可至1W）傳輸16~18位小型數據包。這使MCR-RAD信號能更好地穿過物體并能在更遠的距離上傳輸。兩家公司聯合開發的第一種產品是可接收一路信號的RAD-UD（單向）。為滿足用戶的要求，他們隨后又開發出可接收多路I/O信號（多達33路模擬或66路數字或其組合）的RAD-BD（雙向）產品。
 為消除串聯節點與點對多點網絡之間的連線，Phoenix及Omnex公司還于2004年1月公布了RAD-Data系列（DS）。“用戶能在每一站點上部署RAD-Data總線，并能直接將I/O點與其相連，從而無需在PLC通常被多個I/O點包圍的應用中在每一個站點都使用一個PLC”，Mathews說，“這將使用戶能設定他們自己的控制器--Modbus網絡中的主控器，同時，各站點將會自動變成該網絡中的從控器，對于主控器而言它們看起來就像是PLC。完成這種設置后，Modbus將像在正常及有線PLC網絡中一樣注冊模擬及離散I/O信號。這基本上是用一種無線的方式來進行傳統的聯網，但可以不必改變已經完成的部署”。 油罐管理及水處理
為減少產品轉運過程中由于關鍵物位數據干擾而產生的告警及通信中斷，Marathon Ashland Petroleum公司最近安裝了由Phoenix及Omnex公司提供的MCR-RAD產品，來幫助管理其位于開曼群島路易斯維爾（Louisville，KY）偏遠油庫區中的5個儲油罐及其主油庫區中的19個儲油罐。這兩個用于儲運汽油、原油及航空油料的油庫相隔1英里，儲油罐通過有線與油庫中的兩個RTU相連，并以30秒為周期通過無線I/O與其進行連續通信。
“我們使用無線方案已經有大約4年的時間，但我們每天仍收到5至6次告警，其中每次告警都會使通信中斷30至40秒鐘，這使終端管理員都快發瘋了，因為在轉運產品時及時了解油罐的物位是如此的關鍵”，Marathon公司電氣及儀表工程師Donnie Shultz說，“我們先對Phoenix公司提供的無線產品進行了3個月的現場測試，但即使是使用舊天線，它們也從未出過半點差錯。該系統的安裝及運行只用了我大約10分鐘的時間，因為每一步操作都只需指向并點擊即可。而且現在我們還擁有更好的包數據及19.2 kbps的通信速率。據估計，使用新型無線產品我們已經節省了大約7萬至8萬美元，而且我們還計劃在其他應用中使用這種產品”。
“當初，我是非常勉強使用無線I/O的，因為我一直認為硬連線效果會更好。我們雖對第一種無線產品感到非常失望及沮喪，但新產品的使用改變了我們所有的觀點。如果你對使用無線還持觀望態度的話，那么最好先現場試用一下，然后再真正使用它們”。
同樣，據Elpro公司透露，CDR Flint Ink公司最近在其通風與廢水處理設備之間的模擬信號傳輸上遇到了一些問題。來自通風設備的ORP、pH值、溫度及氣流信號等，通過多對靠近高壓電源線的電纜與廢水處理設備中的無紙記錄儀相連，這種電纜布局導致產生浪涌及接地環路問題，并使記錄儀及通風設備變送器頻繁故障。但即使它導致了遠程監控設備的高維護費用及長宕機時間，也很難證明更換信號電纜就一定能解決問題。
 為解決這一問題，Flint公司安裝了Elpro公司的905U型無線I/O系統，據說只更換了其中一小部分電纜。通風設備上的模擬信號與905U單元相連，而905U則將信號發送至廢水處理設備上的另一905U單元。由于905U單元是一種兩路收發信機，因此Flint公司還連接和建立了一個從廢水處理設備至通風設備的信號回路，用來對一個10英寸節流閥進行遙控。在驗證其無線系統后，Flint公司決定采用905U單元的點對點特性，并在工廠的鍋爐控制中心安裝了第三個905U單元。結果，通風設備上的模擬信號被傳輸至廢水處理設備及鍋爐上，從而提高了設備操作的靈活性。
“使用調制解調器的問題是，它們對無線并不是非常友好，因為它們速度太快。現場用戶發送數據時希望能立即得到響應，但平均5 ms的無線響應時間則能引起某些高速協議中斷，這就是無線網關或無線協議轉換器在過去幾年中得到迅速發展的主要原因。網關使數據通過無線時就像通過有線網絡一樣，因此需要你們完成的工作就只剩下將數據調制在合適的頻率上”，Moss說，“在數據總線這一側，網關對I/O設備進行響應，這樣PLC就會很高興，因為它獲得了它希望的響應。同時，網關還將數據轉換為另一種協議，并用無線來發送”。Moss還補充說，無線網關在900 MHz頻率及115 kbps速率、或者在2.5 GHz頻率及250 kbps速率上工作。 應對干擾
無線I/O的主要缺點是，與硬連線相比，它更容易受到由障礙物或機器所引起的電噪聲及干擾的影響。但用戶及標準化組織已經大大緩解了這方面的問題。
目前，擴頻技術通過以下途徑解決了很多干擾及安全上的難題，即：先以預定方案在多個信道間分配信號、然后再從明顯噪聲的同一部分上對信號進行重組或關聯。同樣，數據包交換被用來更有效地組織信號，以實現速度更快及大批量的信號傳輸。兩種主要的擴頻技術一是FHSS（跳頻擴頻），它通過使兩端的收發信機以預定時序進行頻率跳變來防止干擾；二是DSSS（直接序列擴頻），它通過數字編碼（用來識別相互間準備通信的單元）來防止在網絡上進行非授權的通信。
 但一些用戶抱怨說，擴頻也并非特別地安全或可靠，因為它所使用的900 MHz至5.4 GHz工業、科學及醫學（ISM）頻段以及眾多無線設備，都未經許可并且在法律上不受干擾保護。因此盡管擴頻信號易于截獲，但其接收機也更容易出現互調失真、阻塞、去感及其他窄帶現象。
盡管擴頻利用被稱為過程增益的技術來減少窄帶干擾，但一些用戶又說，很明顯廠商們并不關心這一點，而且擴頻信號在最小所需速率上即將功率推到可調整極限。這些擴頻速率有時在數據傳輸速率以下使用，這意味著它們并沒有多大的過程增益，而且易受頻帶內所有干擾的影響。過程增益類似于寬帶調頻信號的靜止效應，且用戶需要在實施無線系統以前將它搞清楚。
為避免出現上述及其他潛在問題，無線支持者們說，用戶必須對其應用及設施中的無線解決方案進行試驗與評估，因為每一種解決方案都有其各自的特點，且大多數無線廠商都會很高興讓用戶來試用它們的解決方案。
“無線還意味著用戶不必破壞或更換他們現有的網路。他們可以進行逐步地實施，使他們現有的網絡就好像只增加了一層以前沒有的移動性”，Wonderware公司可視化產品經理Renee Robinson說。 更好的SCADA及更少的布線
為幫助伊利諾依州Normal市的市政供水部門更換它過時的基于RTU的SCADA系統，SCADAware公司的系統集成工程師Rick Caldwell最近為其實施了一套由PC驅動的新型FHSS解決方案。Normal目前在其水處理廠中使用主、輔服務器來實現HMI及基于PC的控制。這些計算機通過Locus無線串行網并在57.6 kbps的速率上（舊系統的數據速率僅為0.3 kbps）采集并監視來自Normal所有水井、儲水罐及提升站上的數據。
與此同時，Wago I/O可編程現場耦合器使工廠技術人員能在其系統中進行調整和控制。同時，Sixnet的以太網至串行（Ethernet-to-Serial）轉換器也被用來將輸入串行數據轉換到以太網上，這樣就能從工廠局域網上訪問數據。SCADAware公司的軟件具有簡單易用的圖形用戶界面，因此很容易實現對數據的即時訪問及對可能問題的視覺指示。這些改進減少了供水部門的驅動及響應時間，并且還有助于SCADA及水分配系統的診斷、維護及擴展。
Akzo Nobel Surface Chemistry LLC公司也取得了類似的成本節省，它最近需要增加6個溫度變送器來監視及跟蹤儲罐中的原材料。但儲罐位置使得如果不切實增加成本及實施時間就不可能將布線路由到變送器上。事實上，據Akzo公司控制系統專家Marc Ayala估計，用于準備傳統4~20 mA線纜的成本大約為無線變送器/接收機組成本的10倍。
因此Akzo公司選擇了無線方案來抵達儲料罐，并在幾天時間內即將無線與Emerson Process Management公司的DeltaV系統進行了集成，而如果安裝用于布線的管道則需用兩周的時間。迄今為止，Akzo公司已經安裝了大約10部這種接收機/變送器組合，并將其用于另一應用中，以執行對慢變化溫控回路的閉環控制。 將來會出現擁塞及標準化？
可靠性、安全性及可擴展性，是人們對過程設備上無線I/O的3個主要關注點，但無線電頻譜擁塞可能是一件將來最讓人頭疼的事情。之所以迄今尚未變成一個問題，只是因為還沒有足夠多的用戶來造成擁塞。但Moss卻說，無線設備膨脹速度如此之快，以至于將來擁塞肯定會成為一個問題，工業無線產品也會遇到同樣的情況。
例如，據Moss稱，擁有10個或數個無線應用（如無線I/O或與PLC相連的無線調制解調器等）的工廠到2010年底預計將達到100至200家，而且問題還會由于無線傳輸不會局限于工廠范圍的四周而變得更加惡化。用不了多久，僅在同一工廠，每一部無線發射機就不得不與其他設備進行競爭，還不用說與鄰近工廠中的其他設備。
幸運的是，開發商正在尋求基于以下事實的解決方案，即：無線通信常常采用與PLC一樣的輪詢及定時更新消息傳送機制。Moss補充說，無線開發商通過使用更加智能的消息傳送協議可緩解擁塞，但使用輪詢及定時更新的困難是，必須連續發送消息以獲得良好的時間響應。通過改變異常報告（只在有改變時才發送消息），可將大多數無線系統的總流量密度降低50至100倍。當然，這種改動又帶來了新的網絡控制問題，因為每一個節點都必須能充當網絡控制節點。
此外，預計今后5至10年內將出現可減少專用無線電設備間潛在非兼容性的無線開放標準。同樣，所增加的標準化可通過用蜂窩電話及互聯網協議（IP）來傳輸數據而適當地用無線廣域網（WWLAN）來代替射頻，Opto22公司技術營銷總監的Benson Hougland說，“這有助于我們記住：無線只不過是另一種意義上網絡或有線網絡的擴展”，他說。 使用網格網絡來使無線更加可靠 當蜂窩電話經常掉線時，您如何能使工廠老牌的控制工程師相信射頻（RF）通信可靠？Ember公司的主席兼首席技術官（CTO）Robert Poor說，答案就是使用網格網絡。
“譬如，假設安裝在工廠內的溫度傳感器每分鐘發送一次讀數，并且我們決定用Ember公司實現的無線鏈路來從傳感器上為控制器收集數據”，Poor說，“以極為保守的假設--無線鏈路只有90%的可靠性，這表示將有1/10的讀數會丟失，而實際上可靠性可能比這要高出很多。以被IEEE 802.11采納的星形拓撲為例，這意味著每10分鐘即丟失一個讀數”。
“但以2個相鄰無線節點通信為例--比如在網格網絡中，其可靠性即可高達99%，或者說每100分鐘才丟失一個讀數；同樣，以4個相鄰無線節點通信為例，其網絡可靠性更可高達99.99%，或者說每1周才會丟失一個讀數；依此類推，6個相鄰節點通信可擁有高達99.9999%的可靠性，或者說每2.6年才丟失一個數據包！”
為計算這一可靠性，Poor補充說，可令“P”表示數據包傳輸成功概率，其中0 = 沒有任何數據包傳輸成功；1.0 = 每次傳輸都很完美；0.5 = 有一半數據包丟失。然后再令“N”表示進行數據包中繼的相鄰節點數，這樣總的傳輸成功率即可用等式1-(1-p)^N來計算。“隨著N的增加，網絡可靠性也隨之迅速增加”，Poor說，“當p= 0.9或90%時，你每增加一個相鄰節點，其小數點后面就會‘增加一個9’，以更為真實的起始鏈路可靠性95%計算，其可靠性概率將會更佳甚至增加更快”。
確保無線網絡的安全性
用戶可以使無線網絡像它們所希望的那樣安全，就像有線網絡一樣。
他們可以先利用無線接入點（wireless Access Point，AP）的基本內建安全特性來保護連接，然后再用虛擬專網（Virtual Private Networks，VPN）等更加成熟的技術來進一步增加安全。Invensys Wonderware公司最新公布的白皮書“工業自動化應用中的平板電腦”提出了如下無線網絡安全建議：
■ 規劃您的AP覆蓋，當可能時，將您感興趣的覆蓋范圍從AP延展至工廠外墻及窗戶；但靠近工廠外墻布置AP可能會將覆蓋范圍延展至工廠以外，從而可能使陌生人進入您的網絡；
■ 從默認上來改變服務組標識符（SSID）；
■ 禁用SSID廣播；廣播會擴散您網絡的存在；可以用名稱來加以識別；但過于顯眼的名字會使您的網絡比其他網絡更易成為攻擊的目標；
■ 從默認上改變管理員的口令，這能防止入侵者竄改您的設置；
■ 啟用有線等效專用（WEP）安全，盡管并不完美，但它幾乎能阻止最專業的黑客攻擊；
■ 使用您AP中最高等級的WEP加密，最好用128位加密（而不是64位）；
■ 定期更改密鑰；
■ 限制連接數量；譬如如果您僅需要在一個AP上支持5臺機器，則將最大連接數設為5；如果您試圖連接但被拒絕，這表示有非授權計算機已經接入您的Wi-Fi網絡；
■ 禁用DHCP并使用固定IP地址，通過不能自動提供IP地址來增加潛在入侵者接入您網絡的難度；
■ 使用介質訪問控制（Media Access Control，MAC）地址過濾；這能將AP配置成只接受從MAC地址屬于地址表中的設備上進行的連接；但只適用于僅有少數幾臺無線設備的網絡。
實施無線方案以前的4項任務 除了讓供應商針對您的特定應用來試驗及評估其無線解決方案以外，據Phoenix 3Contact公司儀表及無線產品市場經理Davis Mathews稱，用戶在嘗試實施無線I/O或其他無線網絡以前需完成以下4項任務：
■ 確信在不會造成重大故障的非關鍵應用中開始試驗任何新的、首次采用的無線網絡；
■ 確定任何你以前總是想從A點至B點通信中獲得、但對于傳統解決方案來說又總是過于昂貴的信號；
■ 進行一次總的站點檢查，并重點檢查你準備安裝無線設備的站點；
■ 為你的首次無線網絡應用尋找一個相對緩慢且可能實施的過程。 相關更多信息，請訪問下列網站或進入www.cechinamag/freeinfo輸入咨詢編號查詢
Accutech
 www.accutech.com 235
ARC Advisory Group
www.arcweb.com 236
Elpro Technologies
www.elpro.com 237
Emerson Process Management
www.emersonprocess.com 238
Honeywell
www.honeywell.com/imc 239
Locus
www.locus.com 240
Omnex Control Systems
www.omnexcontrols.com 241
Opto 22
www.Opto22.com 242
Phoenix Contact
www.phoenixcon.com 243
Sixnet
www.sixnet.com 244
Wago
www.wago.com 245
Wonderware
www.wonderware.com 246
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