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无线通信对工业4.0不可或缺,从两端解决可靠性问题

时间:2019-03-26 作者:ADI 阅读:
工业 4.0向工程师提出了挑战,需要开发切实可行的解决方案以实现工业新一代互联智能设备的可靠连接。确保鲁棒、可靠的通信是推动互联世界发展以满足物联网和工业4.0构想服务需求的关键……

科技和工业的发展不断将人类进步推向新的高度。技术发展历史上的巨大飞跃(或里程碑)称之为工业革命。现在,我们已经迈入一个新阶段:工业4.0。第二次和第三次工业革命分别带来蒸汽动力和水力生产、大规模电气化生产以及计算机技术,第四次革命的重点则转向了数字自动化工厂。企业全面广泛运用数字自动化技术,通过自动控制提高效率,不仅可实现预测性维护,还可以提高产量和供货效率。通过完全联网的操作,可以更好地规划供应路线,降低仓储成本,确保提高利用率。

在需求不断上升的工业4.0时代,机器停机的代价非常高昂。联网控制工厂有利于规划,从而有助于预防生产中断。工业4.0的基础是可靠的通信基础设施。决策者通过基础设施从机器、工厂和现场设备中提取数据。正如工业4.0工作组的最终版报告所指出的那样,网络化是“现实世界和虚拟世界以信息-物理系统的形式融合”,并且“可靠、全面、高品质的通信网络是工业4.0的关键要求。”

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图1:无线连接大量充斥工业4.0应用场景。

工业4.0时代,更依赖可靠无线连接

我们面对的新一代工业革命是传感网络、通信和大数据处理等这些被视为工业4.0基石的关键技术的融合,从工厂生产到客户使用产品,通过增加嵌入式系统的连接性,并实时提取数据,利用这些数据不仅可以优化制造流程,而且有助于做出更优的业务决策,开辟新业务领域。

当前的Sub-1GHz无线连接技术已经实现了自动化计量和遥感技术,如结构监控。通常由电池供电的无线设备使用传感器来测量和量化现实世界,并将这些数据发送到集中器或网关,并由此发送到云端进行整合和处理。无线解决方案正步入工厂自动化领域,预计无线设备的出货量将不断增加以满足市政工程、农业和环境以及能源生产与分配的需求。

工程师在设计无线系统时需要考虑很多因素。每个工程师都会利用弗里斯传输方程式,通过改变一些参数来增加传输距离,例如提高发射功率或接收灵敏度,或同时提高这两参数。然而,法规限定了最大发射功率,而且高功率天线和外部LNA等组件可能会大幅增加系统成本。因此,在选择无线接收器时,工程师首先需要关注的是接收灵敏度。然而,灵敏度本身并不能说明整个情况。

对于工业生态系统内的连接来说,可靠的无线连接至关重要。在日益恶劣的RF环境中保持可靠通信将是一个挑战,尤其是在工业领域中。在ISM无线电频段已经中部署了数以亿计的有源设备,这些无线电必须面对多个潜在的干扰源,从无意RF辐射器到可能工作于相同频段的其它有源RF设备,通常都使用专有协议。干扰会严重降低通信范围。更大、更密集的网络也意味着更多的近距离节点传输,因此需要更好的接收性能。迫切需要更强的抗干扰能力。它可以减少所需的中继器节点数量并使每个网关可支持更多端点。这使得网络覆盖更可靠且盲点更少。借助可靠的无线电连接,数据包的丢失更少,从而可减少数据包的重新传输量并提高系统整体效率。

从组网技术端解决可靠性问题

ADI成功收购Linear公司从而获得该公司卓越的无线网络技术——SmartMesh 嵌入式产品上业界功耗最低并且最可靠的基于标准的无线传感器网络 (WSN) 产品。SmartMesh 无线网状网络可在苛刻的射频环境中实现 >99.999% 的数据安全性,这对于可靠性至关重要的工业4.0解决方案提供商来说充满了诱惑,它可以多年可靠地传输关键传感器和控制数据而不需要干预。

在ADI在该公司自己的硅谷半导体晶圆工厂使用了SmartMesh IP 无线传感器网络简化制造操作 — 监控气瓶液位以便主动安排补充并确保不间断供应,安装了一个 SmartMesh IP 无线网状网络以监控气瓶的使用情况并将实时读数中继至工厂管理软件。利用此数据可以快速准确地估计气体使用量,确保及时补充,从而减少了停机时间和气体浪费。记录并使用数据点来辅助进行容量规划。按照ADI的公开信息,SmartMesh已在 120 个国家/地区部署了超过 76,000 个客户网络。

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图2:以无线方式监视机场加油系统,使维护团队能够识别并消除潜在的灾难性油泵。

SmartMesh无线传感器网络获得广泛采纳的原因有很多,而无疑在工业环境中关键还在于运用时间同步化网格协议以提供网络灵活性、可靠性和可扩展性,即使在最严苛的环境中也不失稳定性,高达99.99%的稳定性其为一种完整的网格网络解决方案。当然,其他几个特点也很重要:支持可自动形成和易于扩展的大型、密集、多跳网格网络,它还提供了安全管理、用于优化传感器布局的详细网络统计数据、确定性的节点电源管理,并可凭借内置的网络状态监控功能实施动态的网络优化;易于部署和配置简单;低功耗,单颗电池可以实现数年持续供电。SmartMesh 网络为苛刻、难以布电源线的工业环境提供了轻松组网的新选择。

从无线信号端解决可靠性问题

对于无线电接收机来说,RF选择性是指将期望信号源与其他信道中传输的干扰信号源区分开来的能力。获得良好的阻塞和选择性参数对接收机来说非常关键,而影响这两者的一个要素是降低RF系统中的相位噪声。相位噪声是信号中的短期相位波动引起的噪声,它可以看作是从频域中的目标信号扩散出来的边带。相位噪声通常相对于载波测量,以dBc/Hz为单位,定义为在间隔载波的某一给定偏移频率处1Hz带宽内的噪声功率。

接收器的前端线性度会影响对附近高功率干扰信号的抗干扰能力。对于低于1 GHz的无线电网络,这类干扰信号可能是LTE。我们通过输入三阶交调截点(IIP3)来测量接收机的线性度。通过在接收链中插入两个信号音频,并测量以输入音频的三倍频率间隔出现的三阶交调产物来实现。

诸如ADI两年前推出的新型收发器ADF7030-1能够实现工业应用的更加可靠的无线连接,减少重试次数和数据包丢失,还能延长电池寿命,从而应对可靠连接这一挑战。ADF7030-1是一款sub-GHz完全集成式无线电收发器。它适合在ISM、SRD以及169.4 MHz至169.6 MHz、426 MHz至470 MHz和863 MHz至960 MHz许可频段范围内工作的应用。它支持IEEE802.15.4g等基于标准的协议,同时还灵活地支持众多专有协议。高度可配置的低中频(IF)接收器支持2.6 kHz至738 kHz范围内的各种接收器信道带宽。因此ADF7030-1支持超窄带、窄带和宽带通道间隔。它提供同类最佳阻塞性能并提供出色的灵敏度。

ADF7030-1的高性能、低功耗模拟前端(AFE) 采用高动态范围ADC、带QEC的模拟复杂抗混叠滤波和数字通道滤波技术,以消除接收链中的无用信号。利用这些技术,ADF7030-1能够在±20 MHz偏移时实现高达102 dB的阻塞和高达66 dB的邻道抑制。为了在所有支持的信号带宽和频段内保持高接收性能,ADF7030-1采用具有双频LO路径的可重构VLIF接收机架构。因而ADF7030-1支持广泛的应用。

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图3:ADF7030-1 ACR与竞争对手产品比较。

本文总结

工业 4.0向工程师提出了挑战,需要开发切实可行的解决方案以实现工业新一代互联智能设备的可靠连接。确保鲁棒、可靠的通信是推动互联世界发展以满足物联网和工业4.0构想服务需求的关键,而新一代的创新网络连接解决方案和高性能低功耗模拟前端芯片技术是满足高可靠无线通信的重要保障。

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