无线的

工业无线选择与实现

工业无线网络需要大量的规划和准备,因为有许多因素会阻碍或干扰制造操作。
作者: 丹尼尔 · 卡帕诺 2020年1月8日
礼貌: 丹尼尔 · 卡帕诺

工业环境有许多共同的属性: 它们是肮脏的、电噪声的,并对射频传播造成许多阻碍或干扰。消费级无线设备的使用将无法长期使用。设备必须根据其运行环境进行调整 -- 工业安装不符合设计的标准规则。实地调查是有用的,但是电噪声和移动设备、大型金属结构甚至工业过程中水的存在将对信号传播产生巨大影响。

工业无线接入点

工业安装比办公室安装需要更多的无线接入点,因为存在大量的信号干扰器。由于工业设施的拓扑结构,使用定向天线也可能成为必要。例如,仓库需要使用定向天线将射频 (RF) 引导到金属架子之间的狭窄通道中,可能填充有金属或一些能吸收 RF 的材料。

一个机器车间充满了马达和移动物体,如叉车和桥式起重机。一些制造设备需要液体冷却剂,这些冷却剂会产生蒸汽、喷雾或飞溅,从而破坏传播或将无线设备覆盖在油脂或水中。一些工艺需要电弧焊,这产生了强大的广谱噪声信号,可以干扰许多射频信号。

要考虑的第一个参数是工作环境。考虑到上述情况,最明显的关注是设备外壳。选择正确的外壳是第一个也是最基本的规格,可以保护接入点免受环境因素的损坏。

NEMA 定义的或使用 IP 分类系统的工业外壳简化了设计规范,但它要求设备安装的特定区域由设施工程部分分类。猜测适当的外壳不是正确的方法,并且会导致系统的早期和意外的故障。所有的工业环境都是不同的,需要根据具体情况进行评估。

另一种选择是将无线设备放置在恶劣环境之外,并安装分布式天线系统 (DAS) 以向所需区域提供射频; 然而, 这通常是不切实际的,并且会增加安装成本。DAS 需要对通过 DAS 的信号传播有透彻的理解,并通过布线和定向信号分配器或耦合器系统进行操作,其设计可能令人望而生畏。

由单一接入点驱动的单一天线是另一种选择,但它要求在每个受控过程中在整个设施中使用多个接入点。对于小商店来说,这可能是一个不错的选择,但对于大商店来说,这将是一个问题。DAS 是经济的,因为一个发射器可以驱动多个天线,但是必须注意确保 DAS 有足够的功率。主要的衰减因素是电缆 (长度) 和定向分离器,它们本质上呈现定向衰减。

天线是工业无线网络设计的关键因素。在办公室环境中,简单的偶极子天线,如家庭无线路由器上的天线,足以向该区域传播。举一个例子,比如仓库环境,我们可以看到合适天线的选择和放置对网络的可靠运行至关重要。除了考虑带宽和容量,传播是这里的主要考虑因素。

仓库有大型储物架,有长长的过道和移动设备。货架上的库存将根据材料吸收并反映射频; 例如,一个装瓶设施可能会有装满瓶装水的托盘储存在金属架子上。这是最坏的情况,因为瓶子里的水会衰减信号,而金属架子会反射信号。移动设备,如叉车或拾荒者,可以在船上安装无线设备。然而,一个常见的接收问题是由保护操作者的金属笼引起的。金属笼会严重衰减射频信号; 为了获得最佳性能,建议在笼外安装天线。工业强化接入点价格昂贵,但它们是为在这些应用中使用而设计的,并将完成工作。

定向天线有几种配置,最重要的参数是波束宽度和放大。波束宽度是射频从天线传播的角度,显示在极坐标图上。例如,八木天线的波束宽度很窄,在传输方向上是定向的; 这是在极线图上的-3dB 点测量的。

放大决定了信号在给定频率下的传播距离。定向天线还通过将射频聚焦在特定区域来避免衰减或破坏源,并且,由于天线性能是倒数的, 来自聚焦区域的信号接收也将改善并固有地拒绝周围的电磁干扰源 (EMI)。

这两个因素都可以用来确定适合应用的天线。条形码阅读器需要一个稳定且连续的连接,以将库存信息正确地传输回设备的服务器。为了避免带宽问题, 一般的经验法则是在通道的每一端安装定向天线,以确保通道的整个长度具有足够的覆盖范围,并逐步调整功率电平,以提供定义良好的锥形传播而不产生干扰。然而,这是一种过于简单化的做法,因为所有设施的配置和库存都不同。

电噪声对信号的影响

在制造环境中,电噪声和移动设备是传播信号的主要干扰物。从社会意义上来说,使用无线技术来监控设备是非常超前的思维和颠覆性的。整个设施可以无人操作,就像有线网络技术一样,无线技术在设备放置方面提供了更大的灵活性,并降低了实施成本。

电噪声,取决于所使用的频率,将对信号中断产生或多或少的影响。在更高的频率 (GHz) 下,电磁干扰将产生微不足道的影响,除非噪声是宽带噪声发生器的结果,如电弧产生设备, 在很宽的范围内产生电磁干扰。

低频段 (甚高频和超高频) 更容易受到电机、螺线管等产生的噪声以及产生的谐波的影响。屏蔽坏罪犯是一种在孤立情况下有效的技术。如果没有观察到适当的分离,一个满是弧焊机或变频驱动 (VFD) 电机的房间会对有线和无线网络造成严重破坏。其他设备,如线路电抗器,可以并且将会磁性地耦合到天线电缆上,并对传输设备造成真正的损坏。与无线集成商讨论他们的设备如何处理噪声以及噪声抑制方法。

接入点或天线的适当放置,例如在包含受控或监控设备的制造区域上方,将射频聚焦到该区域。这种布置将避免来自叉车或其他设备的信号反射的干扰。当然,将接入点 (AP) 放置在设备的本地是一个很好的选择,并且避免了布线成本。对于关键过程,可以在处理区域 (或 EMI 源) 周围放置法拉第笼以及无线接入点。

在恶劣环境之外安装分布式天线系统 (DAS) 以向所需区域提供射频 (RF) 是一种选择,但其高成本可能是一个障碍。礼貌: 丹尼尔 · 卡帕诺

在恶劣环境之外安装分布式天线系统 (DAS) 以向所需区域提供射频 (RF) 是一种选择,但其高成本可能是一个障碍。礼貌: 丹尼尔 · 卡帕诺

该区域将与周围设施电磁隔离,无线连接将是稳定和连续的。然而,这是一个昂贵的选择,并且只用于关键过程和传统网络布线不切实际的地方。

网络安全问题

针对工业情况的实施前设施调查不符合办公室调查的规则。在办公室调查中,目标是提供覆盖范围和容量,同时确定衰减的区域和来源,如混凝土电梯井和微波炉。非法或流氓 APs 也是主要和后续调查的主要原因。工业现场调查的重点是覆盖范围和容量,但也确定了电磁干扰的潜在来源,电磁干扰可能导致信号中断、周期性中断和移动设备以及特定工艺材料的反射, 液体和加工设备的移动也必须被识别,以便围绕它们进行设计。

应注意将工业无线网络与公司网络分开。网络安全和适当的网络卫生是整个系统设计的重要组成部分。使用强大的防火墙来提供受控访问,将允许授权人员升级设备或将新程序加载到机床或扫描仪中。

入侵检测系统 (IDS),无论是集成的还是覆盖的,对于自动化或网络化的设施来说都是一个很好的投资。基于训练、设备选择和监控的防御层将为设施提供充分的保护,使其免受攻击。然而,这不能替代监视和警惕。

随着无线技术变得更加强大和便宜,它的使用将变得更加普遍。消除布线提供了巨大的机会: 灵活性、效率、改进的底线 -- 这些都是使用无线网络的可能。可以移动机器或生产设备,而不用担心网络布线,并且可以以更高效、节省空间的方式进行分组。

一个强大的和稳定的无线网络可以安装和运行在其他敌对环境的基础上进行适当的调查与知情的设计决策。从可靠性和责任的角度来看,使用经过培训和认证的无线专业人员是必不可少的。一个重要过程的中断可能会导致大量的、意想不到的费用和材料损失。花时间彻底了解工业环境,并将无线设备与该环境适当匹配,是成功实施的公式。

丹尼尔 · 卡帕诺是高级项目经理,Gannett Fleming 工程师和建筑师,并在yabo2009编辑顾问委员会。由副主编 Chris Vavra 编辑,yabo2009,CFE 媒体和技术,Cvavra@cfemedia.com

更多答案:

关键词:网络安全、工业网络、射频

第一个参数选择无线网络时要考虑的是工作环境。

天线需要在设计工业无线网络时要正确放置,这样信号才不会被干扰。

网络安全和适当的网络卫生是整个工业网络系统设计的重要组成部分。

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丹尼尔 · 卡帕诺
作者简历:Daniel E.Capano 是高级项目经理,Gannett Fleming 工程师和建筑师,p.C.和控制工程编辑顾问委员会成员