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應(yīng)用設(shè)計

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工業(yè)自動化無線控制與I/O應(yīng)用的關(guān)鍵因素

工業(yè)自動化無線控制與I/O應(yīng)用的關(guān)鍵因素

工業(yè)自動化與無線
  工業(yè)自動化領(lǐng)域越來越意識到無線的優(yōu)越性,主要因為:
  運(yùn)行有線網(wǎng)絡(luò)需耗費(fèi)大量的人力物力,而無線則更為經(jīng)濟(jì)。
  無線為遠(yuǎn)程區(qū)域或無法使用有線的區(qū)域提供了連通性。
  無線控制器和無線I/O能管理設(shè)備及過程控制,即使在難以接近的區(qū)域或網(wǎng)絡(luò)布線困難及難以安裝的地區(qū)。
  無線可以在產(chǎn)生有線網(wǎng)絡(luò)花銷之前為一個新項目提供概念驗證。
  基于以上原因使得自動化工程師正開始為其部分或全部應(yīng)用使用無線解決方案(尤其是WLAN,無線以太網(wǎng)或WiFi)。
  盡管使用無線有諸多好處,但是無線仍存在一些問題,包括安全性、網(wǎng)絡(luò)性能、可靠性、有效性、I/O組件成本和必需預(yù)先在有線和無線間做出取舍。

安全性
  無線網(wǎng)絡(luò)的安全性一直在被質(zhì)疑。站在公寓大樓外面,用筆記本檢查無線網(wǎng)絡(luò)是否可用,多少人無需密碼就可以連上?但是盡管個人無線網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常存在不安全因素,在過去的幾年中,已開發(fā)出了許多商業(yè)、工業(yè)和政府應(yīng)用的安全標(biāo)準(zhǔn),并且被多數(shù)機(jī)構(gòu)予以采用。
  其中,較早的WEP(有線等效保密)安全運(yùn)算法被查出有較嚴(yán)重的漏洞,現(xiàn)已被更強(qiáng)大
更安全的傳輸算法所取代。
  WiFi保護(hù)訪問(WPA)包括臨時密鑰完整性協(xié)議(TKIP)代替了2003年的WEP算法。2004年提出的WPA2使用了更安全的高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)802.11i運(yùn)算法則。
  由政府機(jī)構(gòu)和大型公司提出,WPA2的AES運(yùn)法服從國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)委員會(NITS)FIPS 140-2規(guī)范。這些標(biāo)準(zhǔn)可以保證一個魯棒的通訊系統(tǒng)。
  出于安全通信,如今WPA2的兼容產(chǎn)品應(yīng)被用于工業(yè)無線實施上。

網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性
  無線網(wǎng)絡(luò)的可靠性取決于許多方面包括網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、物理環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量及負(fù)荷程度、其他設(shè)備的干擾。
  對于小型全無線網(wǎng)絡(luò),設(shè)備可能在hoc模式下(點對點)表現(xiàn)出色,其中每個設(shè)備都可以對范圍內(nèi)的任何類似配置的設(shè)備進(jìn)行檢測、發(fā)生通訊。這種模式在網(wǎng)絡(luò)硬件上無需很大支出。而對于大型網(wǎng)絡(luò),基礎(chǔ)模式通常更合適。基礎(chǔ)模式的通信線路是通過一個或多個無線接入點( AP )架設(shè)的 。
  由于無線通訊是基于無線信號在空氣中的傳播,而物理環(huán)境又對網(wǎng)絡(luò)性能起到?jīng)Q定性作用。任何障礙物—木頭、金屬、水泥—都會阻礙信號的傳送。解決辦法即有策略地布局接入點,無線路由和無線中繼器等,以覆蓋整個需要無線傳輸?shù)膮^(qū)域。
  網(wǎng)絡(luò)的可靠性也取決于網(wǎng)絡(luò)用戶的數(shù)量和用戶使用種類。單一的數(shù)據(jù)傳輸一般不占帶寬;高負(fù)荷使用,如傳輸大文件或使用多媒體都會一定程度堵塞網(wǎng)絡(luò)。使用802.11a或g標(biāo)準(zhǔn)(最大54 Mbps)比使用802.11b(最大11 Mbps)能獲得更快的速度。
  RF(無線電)頻率干擾和EMC(電磁兼容性)問題降低網(wǎng)絡(luò)可靠性,其他設(shè)備如無繩電話、藍(lán)牙設(shè)備、甚至微波爐都會干擾無線信號接收。
  降低其他設(shè)備的干擾可能涉及在一定范圍內(nèi)改變信道頻率或轉(zhuǎn)移至其他較空閑頻率。例如與802.11b 和g標(biāo)準(zhǔn)兼容無線網(wǎng)絡(luò),使用2.4GHz頻率,為許多設(shè)備共享的頻率。轉(zhuǎn)換到802.11a兼容的系統(tǒng),該系統(tǒng)使用5GHz,雖然通信范圍會小些,但是干擾較少。
  無線標(biāo)準(zhǔn)取決于所允許的不重疊信道數(shù)量:802.11b和g允許3信道, 當(dāng)同一個系統(tǒng)中有多于3個AP,頻率必須重復(fù)使用。而802.11a中有更多信道。

有效性和I/O組件成本
  一般所有無線網(wǎng)用戶都會關(guān)心無線的安全和性能,但網(wǎng)絡(luò)的有效性和I/O組件卻是自動化行業(yè)關(guān)注的焦點。
  現(xiàn)在,大多數(shù)無線產(chǎn)品自動化生產(chǎn)商供應(yīng)的產(chǎn)品和他們常規(guī)產(chǎn)品有很大的不同。
  無線的解決方案可能會被采購商收購或由獨(dú)立部門進(jìn)行開發(fā)。常規(guī)產(chǎn)品線的子產(chǎn)品能應(yīng)用于模塊載體或類似設(shè)備的無線使用上。
  然而,這些解決方案可能會引發(fā)一些問題。
  作為單獨(dú)的無線或常規(guī)產(chǎn)品的子產(chǎn)品,無線I/O可能不包括應(yīng)用上的需求特點,或者易于設(shè)計的特點,如戶外設(shè)備布線的簡便方法。例如,如果應(yīng)用需要特定的信號輸入或通道間隔離,無線I/O產(chǎn)品線就可能不能提供這些功能。供應(yīng)的不足意味著較高代價的權(quán)變措施,甚至于可能取消無線的應(yīng)用。
  為了建立起來各種尺寸的無線網(wǎng)絡(luò),自動化工程師都認(rèn)為他們必須要買特殊的無線組件。例如模塊載體,I/O模塊、底板和終端。幾乎所有的案例中,客戶為自動化安裝無線網(wǎng)絡(luò),除了有線系統(tǒng)中要求的,還必須包含一個獨(dú)立的無線模塊備件清單,。特殊的組件和附加的備件增加了無線系統(tǒng)的成本。
  最好的解決方案是尋找一個制造商,其無線能包括大量的I/O,且無需附加組件。理想的情況下,制造商的I/O線能獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)類型。

預(yù)先選擇解決方案的必要性

  自動化工程師在使用無線技術(shù)時遇到的另一個困擾來自于剛談?wù)摰降挠行院统杀締栴}:若供應(yīng)商產(chǎn)品的是否包含無線功能的類型不同,工程師必須在項目初期就確定到底是使用無線還是有線通訊。他們必須事先指定組件并確定下聯(lián)網(wǎng)方式。
  在項目成型期,系統(tǒng)設(shè)計之初就必須確定下網(wǎng)絡(luò)類型,從整體的方法到各方面的連接細(xì)節(jié)。
  若所選方式存在問題,再去做出改變就意味著大量的時間和支出包括購買、安裝、配置新組件還有重新設(shè)計等等。
  這些額外的支出不僅包括I/O和網(wǎng)絡(luò)硬件組件,還有用于授權(quán)、培訓(xùn)、編寫無線I/O程序的軟件成本。
  理想情況下,自動化制造商設(shè)計的無線I/O更像傳統(tǒng)意義上的筆記本電腦,兼具了有線和無線的功能,并適應(yīng)無線和有線網(wǎng)絡(luò),提供同樣的功能同時使用相同的軟件。購買電腦之后,你可以根據(jù)環(huán)境任意選擇有線或無線的網(wǎng)絡(luò)類型。

解決無線的困擾
  自動化制造商若能完成以下4點,或許能幫助工程師大大解決無線的問題:
 包括對無線標(biāo)準(zhǔn)的寬度支持—不僅僅是802.11b—給予工程師選擇權(quán)改善獨(dú)立系統(tǒng)的可靠性
 包括支持現(xiàn)有的最佳安全標(biāo)準(zhǔn)
 提供全系列的無線I/O,(理想情況下,同一產(chǎn)品同時可用于有線網(wǎng)絡(luò))減少用于無線安裝的額外組件或適配器的數(shù)量
 根據(jù)需要,設(shè)計能與有線及無線以太網(wǎng)通訊的控制器和I/O

廣泛支持無線標(biāo)準(zhǔn)


  包括廣泛支持無線標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi),制造商能超越802.11b,并給予自動化工程師附加的選擇去解決各獨(dú)立的無線應(yīng)用。
  若支持囊括所有如今3種最常用的無線標(biāo)準(zhǔn)—IEEE-802.11a、 b和 g—工程師可以使用任何廠商的無線接入點,路由器和中繼來構(gòu)筑他們自己的無線網(wǎng)絡(luò)。
  根據(jù)系統(tǒng)需要,他們可以選擇更高的5GHz頻段來避免其他設(shè)備的干擾,或者選擇一個更快的標(biāo)準(zhǔn)用于更大的數(shù)據(jù)量,也可以在特別和基本模式中做出選擇來適配網(wǎng)絡(luò)的大小和設(shè)計。

支持現(xiàn)行最好的安全模式

  對于系統(tǒng)的安全,WEP已不再足夠,即使WPA也不夠理想。WPA2加密算法使用802.11i AES為工業(yè)無線應(yīng)用提供了有力的保護(hù)。
  然而,由于有些應(yīng)用可能會用到舊標(biāo)準(zhǔn)或用不到高度安全傳輸,那么就需要支持所有3種標(biāo)準(zhǔn)—WEP, WPA, WPA2—并且向后兼容。

全系列無線I/O和減少無線組件數(shù)量

  從自動化工程師的觀點來看,單獨(dú)的無線產(chǎn)品線—或者常規(guī)有線產(chǎn)品線的子產(chǎn)品—很難協(xié)調(diào)使用。但是同時在有線和無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下使用同一I/O組件能在設(shè)計、執(zhí)行和使用階段節(jié)約時間和成本。
  在設(shè)計階段,工程師能指定I/O,使用任意I/O運(yùn)用于任一網(wǎng)絡(luò)
  在執(zhí)行期間,相同的I/O安裝和戶外設(shè)備布線方法及成本可應(yīng)用于2種網(wǎng)絡(luò);于是無需對技術(shù)人員進(jìn)行再培訓(xùn)。若項目中的通訊在任意時段由有線轉(zhuǎn)換為無線,無需增加I/O或現(xiàn)場布線的成本
  在系統(tǒng)使用階段,只需一套備件用于維護(hù)就足夠,即使無線和有線I/O都在使用。
  除此,若制造商無需很多無線組件,無線可能會更有吸引力。初始系統(tǒng)成本和購買備件的成本也將降低

控制器和I/O中有線和無線的支持

  靈活性是指,無線控制器和I/O需要既能支持有線也能支持無線通訊,就像計算機(jī)。若控制器和I/O既可用于有線也可用于無線—或者更好,能同時進(jìn)行—類似困難的決定無需在項目初期就下決定。若工程師使用無線技術(shù)設(shè)計一個項目,然后繼續(xù)開發(fā)一個有線網(wǎng)絡(luò),但仍沿用相同的硬件。

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六大理由

 
 
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關(guān)于SNAP PAC系統(tǒng)
SNAP PAC系統(tǒng)是Opto 22公司出品,軟硬件集成的系統(tǒng),用于工業(yè)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等應(yīng)用。簡化了對自動化系統(tǒng)了解、選擇和采購的復(fù)雜過程,SNAP PAC系統(tǒng)由以下四部分組成:
 
PAC Project 軟件套件----簡單易用的基于流程圖的編程方式、HMI人機(jī)界面)、可選的OPC客戶端以及數(shù)據(jù)庫連接軟件。
 
SNAP PAC控制器----獨(dú)立式和基于機(jī)架式的工業(yè)控制器;有線/無線模塊可選。
 
SNAP PAC智能處理器----智能I/O處理器,用于分布式控制。也可選擇有線/無線模塊。
 
SNAP I/O----模擬量、數(shù)字量、串口量、特殊功能I/O模塊,可與現(xiàn)場設(shè)備、儀器、傳感器相連接。所有I/O模塊可交替與標(biāo)準(zhǔn)的以及有線/無線智能處理器一同工作。
 
這四個簡單,又具有很大靈活性的系統(tǒng)組成部件,可處理任何情況,從最基本的設(shè)備監(jiān)控到完整的工廠自動化。
 
 
 
 
通訊網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議
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由于SNAP PAC系統(tǒng)運(yùn)行于標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet網(wǎng)絡(luò),可直接與計算機(jī)、基于Ethernet的設(shè)備相互通訊,使用標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議包括TCP/IP、UDP/IP、郵件傳輸協(xié)議SMTP、網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議SNMPModbus/TCP、及用于Allen-Bradley PLC系統(tǒng)的EtherNet/IP等。
 
 
 
 
關(guān)于OPTO 22
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