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    摘要：工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡化為無線技術在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應用提供了基礎和可能。在一些工業(yè)控制網(wǎng)絡中，無線通信技術已獲得了應用。如德國菲尼克斯電氣在Profinet的控制網(wǎng)絡中結合無線以太網(wǎng)技術，使控制網(wǎng)絡具有了無線通信功能。由于無線網(wǎng)絡無可比擬的優(yōu)越性，它可以免去大量的線路連接，節(jié)省系統(tǒng)的構建費用和維護成本，還可以滿足一些特殊場合的需要，與此同時，大大增強了系統(tǒng)構成的靈活性。加之無線通信技術自身的不斷改進，無線通信技術在工業(yè)控制領域中必將具有廣闊的發(fā)展空間和應用前景。

     上個世紀末802.11標準橫空出世，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正面臨一個快速成長的時代。在IT技術的不斷推動下，WLAN技術取得了深入的發(fā)展，不單單應用于個人局域網(wǎng)部署。同時，也被眾多企業(yè)客戶慧眼識金，利用無線網(wǎng)絡部署，延展有線網(wǎng)絡，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WLAN走向普遍應用。隨著IEEE最終通過了無線網(wǎng)絡標準802.11g，而使得無線標準得到了統(tǒng)一。其中，802.11g和802.11b保持兼容，速度提升至54M。從長遠來看，802.11g一統(tǒng)大局是必然趨勢。

                   

                                                           圖2

     相對于802.11g標準，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的觀點，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的物理連接帶寬實在是沒有什么吸引力。因此在多數(shù)人眼中，WLAN是一個難以提供QOS保證的網(wǎng)絡，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(qū)別

    家庭用戶以及SOHO對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)，目的就達到了。這樣的需求很好滿足，如可以去購買一個AP（無線接入點）和若干無線網(wǎng)卡就可以輕松實現(xiàn)。目前隨著價格的下降，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(guī)模地部署無線網(wǎng)，把WLAN融合到企業(yè)內部現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡中，形成一個有機的共同體，達到提高生產(chǎn)效率的目的。

    無線網(wǎng)和有線網(wǎng)的一個最明顯的區(qū)別就是，無線網(wǎng)的信號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，而調制在無線電波上的信息，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。對于家庭和娛樂應用來說，這可能不算什么，但是對于企業(yè)來說，則是關系到商業(yè)機密的大事，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)用戶擔心不已。由于無線信號的無處不在，企業(yè)普遍擔心企業(yè)內部網(wǎng)的信息會被無線局域網(wǎng)傳播出去，或者由于未授權的訪問導致的企業(yè)信息泄露等。

     其次，對于網(wǎng)絡的接入，由于無線網(wǎng)的融入，企業(yè)網(wǎng)好像變成了一個隨時可以擴充的氣球。雖然方便了使用，但是需要防止那些非授權用戶的使用。因為只要有一個帶有無線網(wǎng)卡的筆記本電腦在無線接入點附近，就有從那里接入企業(yè)網(wǎng)的可能。這就需要無線接入點對接入客戶進行認證，避免非法接入。

     當然，工廠應用的安裝環(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，采用直序擴頻技術的WLAN設備，在工業(yè)現(xiàn)場表現(xiàn)如何，還需要真實環(huán)境下的檢驗。

    安全是走向企業(yè)應用的前提

    IEEE標準委員會經(jīng)過漫長的爭論后終于批準了802.11i標準。802.11i就是為了解決Wi-Fi無線網(wǎng)絡安全而提出的一個標準，業(yè)界有人干脆稱其為Wi-Fi安全標準。

     在802.11i標準之前，其實Wi-Fi也有安全方面的考慮：WEP——無線加強等效保密協(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遭到廣泛的質疑后，緊接著，Wi-Fi聯(lián)盟推出了Wi-Fi保護接入?yún)f(xié)議（WPA）。WPA實質上只是新型安全規(guī)范802.11i的一個子集，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(tǒng)硬件相匹配的TKIP（臨時密鑰完整性協(xié)議）加密機制時存在的缺陷。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，能實現(xiàn)802.11數(shù)據(jù)幀加密，以及復雜完善的認證和動態(tài)密鑰分配機制。它的密鑰可以支持128位、192位、甚至256位。同時符合聯(lián)邦信息處理標準140-2認證，進一步加強了對敏感信息的保護。新的標準還在Wi-Fi無線網(wǎng)卡中加入了兩層安全保護，充分保障了企業(yè)局域網(wǎng)內部的無線接入安全。

    快速傳輸和QoS保障無線視頻

    視頻信號對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QoS控制，這樣才能在WLAN上順暢實現(xiàn)無線視頻應用。

    首先，對于傳輸速度的問題。目前的802.11g標準最高的數(shù)據(jù)傳輸速率是54Mbps，但是實際速率一般不超過20Mbps。盡管這個數(shù)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，實現(xiàn)超過100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。此標準還允許在100米或更遠距離上的無線設備間能進行高速互聯(lián)。

    要在WLAN上實現(xiàn)語音和視頻等多媒體通訊，就需要在傳輸數(shù)據(jù)的時候，對數(shù)據(jù)進行傳輸優(yōu)先級分類。一般的數(shù)據(jù)傳輸由于對時延不很敏感，所以可以把優(yōu)先級別降低；對于語音和視頻數(shù)據(jù)，則需要提高它們的優(yōu)先級，這就是QoS的基本思路。在無線網(wǎng)絡中實現(xiàn)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)包之間的時間間隔。這就為語音和視頻的傳輸開了綠燈。

     WLAN的QoS應當根據(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。服務級特性（Class-of-Service）對流量進行分類，而QoS特性則對傳輸?shù)牧髁吭O置優(yōu)先級。隨著語音和視頻應用的增多，QoS在無線LAN中的作用也變得越來越重要。QoS可以使網(wǎng)絡管理員更方便地管理WLAN的帶寬，而WLAN帶寬常常會被語音和多媒體應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

    一些大集團公司在不斷發(fā)展壯大過程中，覆蓋范圍不斷擴大。在發(fā)展過程中逐步建立起來很多培訓中心、物業(yè)、研究所、倉庫等。這些機構位置分散，如果采用傳統(tǒng)的光纜施工，不僅施工困難、費時也費力；而且由于其中有些建筑之間的連接可能要跨過交通要道，動工鋪設光纜需要報批，手續(xù)很復雜，而且不易批準。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)大顯身手的時候。

    安徽江淮汽車工廠的底漆生產(chǎn)線改造中就應用了WLAN技術來取代老的滑觸線系統(tǒng)，不僅節(jié)省費用，還大大提高了生產(chǎn)效率，產(chǎn)能提升近30%。整個項目采用了IP65高防護等級的FL WLAN 24 AP 802-11進行冗余部署，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。遵循802.11i最高加密128位，更是滿足了系統(tǒng)可靠性穩(wěn)定性的技術要求。

                      

                                                                圖5

    WLAN無線定位成為新亮點

    WLAN的技術特點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，最簡單也是最常用的是通過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，來完成基于信號強度的跟蹤。通常這意味著一旦監(jiān)控系統(tǒng)識別了最近的AP（接入點），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。有時其它AP的RSSI也會被標示出來協(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)可以采用三角測量法來定位，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。

     來自冶金行業(yè)的智能掛牌檢修系統(tǒng)就是無線定位應用的最佳案例，某鋼廠每年都要進行類似大小修的設備維護和保養(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。工程技術人員，采用了全廠WLAN布局，在全廠室內和室外分別架設IP20和IP67保護等級的無線以太網(wǎng)接入點（AP），維護人員通過手持設備可以在任意角落訪問檢修系統(tǒng)界面，通過無線網(wǎng)絡，與服務器端通訊，實現(xiàn)電子確認，并記錄操作工號及相關權限，實現(xiàn)了電子化流程，事件記錄可查，解決了歷史問題。

                    

                                                 圖6


    結束語

     隨著科學技術的不斷發(fā)展，IT技術所驅動的無線網(wǎng)絡越來越受到關注。當然工業(yè)現(xiàn)場所需的技術不單單是802.11 WLAN，還包括藍牙、Zigbee、GSM/GPRS、數(shù)傳電臺等等，如何選取適合您的工業(yè)無線網(wǎng)絡，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，來自德國的工業(yè)無線專家，全球領先的無線科技和應用方案，必有一款適合您的應用！