摘要：中國研究制定的工業無線網絡WIA-FA技術標準于2017年6月成為IEC正式國際標準，這是FA工廠自動化的第一份國際標準。高速工業無線WIA-FA是工業物聯網的核心技術，將助推制造業轉型升級。本文首先簡要介紹了工業無線網絡WIA-FA技術的背景、工廠自動化對工業無線網絡的需求、WIA-FA無線網絡設備類型和架構，然后重點列舉了工業無線網絡WIA-FA技術示范性的應用。
關鍵詞：工業無線網絡 工廠自動化 WIA-FA 應用
Abstract: The WIA-FA technical standard for industrial wireless network developed by China became the formal IEC international standard in June 2017, which is the first international standard for FA factory automation. High-speed industrial wireless WIA-FA is the core technology of industrial Internet of Things, which will promote the transformation and upgrading of manufacturing industry. Firstly, this paper briefly introduces the background of WIA-FA technology of industrial wireless network, the requirement of factory automation for industrial wireless network, the type and architecture of WIA-FA wireless network equipment, and then focuses on the demonstration application of WIA-FA technology of industrial wireless network.
Key words: Industrial wireless network Factory automation WIA-FA Application
【中圖分類號】TQ056.8 【文獻標識碼】B 文章編號1606-5123（2019）11-0042-04
1 概述
中科院沈陽自動化所是國內最早開展工業自動化無線網絡通信技術研究的科研機構，工業自動化包括過程自動化和工廠自動化，根據應用的難易程度，無線通信技術首先應用于過程自動化。由中科院沈陽自動化所牽頭首先完成了WIA-PA（Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation，工業過程自動化的無線網絡）國家標準的制定，2011年經IEC國際電工委員會工業過程測量、控制與自動化技術委員會批準成為正式IEC國際標準，從而使WIA-PA國際標準成為現今工業過程自動化無線領域三大主流國際標準之一。
2017年6月，經IEC國際電工委員會投票，由中國科學院機器人與智能制造創新研究院（籌）牽頭研究制定的工業無線網絡WIA-FA（Wireless Networks for Industrial Automation-Factory Automation，工廠自動化工業無線網絡）技術標準提案，最終以100%贊成票，成為IEC正式國際標準，這是FA工廠自動化的第一份國際標準。WIA-FA是工業物聯網的核心技術，是工廠自動化生產線實現在線可重構的重要使能技術，對推進制造業由傳統的低成本大批量生產模式向高端高附加值的個性化生產模式轉變，助推制造業的轉型升級具有重要意義。在制造業競爭激烈的今天，WIA-FA成為IEC正式標準，標志著我國自主研發的離散制造業高速工業無線技術已得到國際自動化領域的普遍認可。在2017年年底世界智能制造大會上，“工業無線網絡WIA-FA技術及標準”被列入中國科協智能制造學會聯合體發布的2017年“中國智能制造十大科技進展”中。
面向工廠自動化的WIA-FA技術標準與面向過程自動化的WIA-PA技術標準共同構成了覆蓋流程工業和離散制造業的工業物聯網基礎技術體系，是我國在工業物聯網技術領域的重大研究成果。
2015年，鑒于中科院沈陽自動化研究所梁煒在WIA-FA技術和標準上的貢獻，國際電工委員會授予梁煒研究員2015年年度IEC1906獎。2016年9月24日，在第54屆國際自動化學會（International Society of Automation，ISA）年度表彰和頒獎盛會上，鑒于中科院沈陽自動化研究所所長于海斌在WIA-FA技術和標準上的貢獻，授予于海斌研究員年度卓越技術創新獎。
自2011年起，在中科院先導項目和國家“863計劃”的支持下，針對工廠自動化網絡面臨的高布線與維護成本、移動性與靈活性差等問題，中科院沈陽自動化研究所科研團隊經過多年的集智攻關，突破了高精度時間同步、基于OFDM的頻域輪詢、基于信道認知的動態TDMA接入、多模式可靠重傳等技術，解決了無線技術工業應用所面臨的高并發、抗干擾、硬實時等挑戰性難題，研發了基于WIA-FA的工業自動化系統。
目前，中科院沈陽自動化研究所已推出包括網關設備、接入設備、現場設備等在內的符合WIA-FA協議標準的產品和針對不同應用的解決方案，并已在多個典型應用場景實現了示范應用。
2 工廠自動化對工業無線網絡的需求
相對于過程自動化來說，工廠自動化更多地是指離散制造自動化，具體應用場合主要有自動化生產線和裝配線，如汽車、機床、電子設備、包裝機器、食品和飲料包裝、物流運送等，工廠自動化的生產過程不連續，這是與過程自動化的連續性生產最大的區別。
在工廠自動化無線通信網絡里，要完成傳感器或執行器與網關之間的數據通信，這對無線網絡的通信提出了以下技術要求：
參與控制——工廠自動化不僅僅是采集生產過程的數據，更重要的是要實現機械或設備的控制，比如啟停、正反轉等控制動作。
高可靠性——要參與控制過程，就要求非常高的無線通信可靠性，如果信息丟失，可能導致生產線的停車，影響生產。相比過程自動化的無線通信，對可靠性提出了更高的要求，據介紹，工廠自動化對無線通信應達到與有線傳輸相當的可靠性指標，即丟包率要小于10-9。
高速、低延遲——工廠自動化的控制要求通信速度快，以在工廠自動化的控制中常用的PLC來說，掃描周期一般為5~50ms，典型值為20ms，因此，一般要求無線通信的傳輸時延小于10ms。
測控點數多、測控點密度大——在過程自動化中，無線網絡的測點類型模擬量占比較大，相互間的間距較大，分布較散，密度小，占據較大的地理空間；在工廠自動化中，無線網絡的測點類型開關量占比較大，相互間的間距較小，分布較集中，密度大，占據較小的地理空間。
工廠自動化與過程自動化無線通信網絡的性能比較見表1。
表1 工廠自動化與過程自動化的比較
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性 能
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過程自動化
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工廠自動化
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適用無線標準
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WIA-PA
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WIA-FA
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拓撲結構
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星型、Mesh、星型+Mesh
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星型
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參與控制
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較少
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多
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信號時延
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較長
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短
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網關容量
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較小（可支持百點規模）
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較大（可支持千點規模）
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可靠性
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較高（如99%）
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高（如99.99%）
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3 WIA-FA無線網絡設備類型和架構
3.1 設備類型
WIA-FA無線網絡定義了5種設備類型：
（1）主控計算機：負責網絡配置、組態和數據顯示功能。
（2）網關設備：連接WIA-FA網絡與其他網絡，并負責整個WIA-FA網絡的安全管理和系統管理，支持同一網絡千點規模的網絡容量，當網絡容量在百點規模時，數據時延在10ms以內。
（3）接入設備：連接現場設備和網關設備的中間設備，可通過擴展卡支持雙信道冗余通信，可通過擴展卡支持國密認證算法加密無線報文。
（4）現場設備：安裝在工業現場，連接傳感器或執行器，可通過擴展卡支持雙信道冗余通信，可通過擴展卡支持國密認證算法加密無線報文。
（5）手持設備：配置網絡和固件更新的手持便攜設備。
3.2 架構
WIA-FA無線網絡架構見圖1。
圖1 WIA-FA無線網絡架構
為了提高網絡的可靠性，WIA-FA網絡中允許存在備用的網關設備作為運行網關設備的熱備份，允許存在多個接入設備并行工作。圖1所示WIA-FA無線網絡架構為增強星型拓撲結構，包括一個中心及若干現場設備。中心由一個網關設備（可存在冗余網關設備）及1或多個接入設備組成。與帶接入設備的過程自動化兩層無線網絡對比可看出WIA-FA工廠自動化無線網絡架構的兩個特點：一是底層現場設備與接入點之間采用星型拓撲，過程自動化兩層無線網絡的底層多采用Mesh網狀拓撲；二是上層接入點與網關采用有線直接相連，而過程自動化兩層無線網絡的上層多采用WiFi無線網絡連接。這兩個特點都是為了保證無線信號傳輸的高可靠性和高速、低時延性能。
4 案例1：新松公司“數字化工廠”生產線
在中科院沈陽自動化研究所新松公司“數字化工廠”生產線上，SR系列機器人裝配對象會不定期更換，因此需要通過遠程主控制柜對生產線上的機器人進行動作信息的遠程配置。各臺機器人也將不間斷發送自身的狀態信息，主控制柜收到狀態信息后對各個機器人進行故障診斷，并最終將數據匯總到服務器，這樣就要求在工業現場鋪設無線通信網絡以保證服務器與機器人間的實時數據交互。
4.1 需求特征
（1）速率：機器人與主控制柜間的通信（站間通信），包括信息統計與故障診斷，通常數據量較大，要求機器人與控制柜的平均負載達到100kByte/s。
（2）實時性：動作控制與狀態監測的無線網絡接入性能做到高實時，以確保機器人的可靠運行，通常要求無線網絡的實時性小于50ms。
（3）可靠性：可靠性是工廠自動化的關鍵指標之一，要求無線網絡的可靠性達到99.99%以上。
（4）機器數量：要求一個主控制柜可至少與10個機器人通信。
（5）通信距離：新松廠房面積約20000m2，要求通信距離達到150m以上。
4.2 網絡布局
整個廠區分南北兩個區域，每個區域有一個主控制柜和10個機器人調試工位，安放一個接入點，它占用一個信道接入10個現場設備節點，每個現場設備節點下掛一個機器人控制柜控制一個機器人運行，分別參見圖2、圖3所示。
圖2 機器人無線網絡控制系統示意圖
圖3 機器人無線網絡控制系統現場
系統采用具有高實時與高可靠接入性能的WIA-FA無線網絡，每臺機器人的控制柜通過接入設備與主控制柜進行數據交互，主控制柜又通過接入設備與連接網關設備的服務器進行數據交互，交互的數據信息主要用于對機器人進行動作控制、信息統計、狀態監測以及故障診斷，并在主控制柜端的監控界面上顯示。
示范系統驗證了WIA-FA高速無線網絡在工業機器人生產線上的技術可用性，這一方案可降低布線和維護成本，另一方面能滿足移動性、靈活性的要求，優勢明顯；還改變了原有工業機器人生產線純粹單機控制的現狀，實現了工業機器人聯網，為工業機器人的遠程監測和控制、故障診斷和維護提供了技術及系統支撐。
5 案例2：啤酒灌裝生產線
啤酒灌裝生產線是典型的離散制造系統，在生產線上要實現洗瓶、灌裝、壓蓋三大功能，系統工作時主要包括進瓶、洗瓶、抽氣、灌裝、激沫、充氣、壓蓋、出瓶等八大工序，設備上的傳感器主要是光電開關和接近開關，加上后續增加的溫度檢測、振動檢測、倒瓶檢測等其他附屬傳感器，整個系統有40個數據采集點，需要接入40個無線節點，配上2個接入點和一個網關，共同構成無線網絡系統。
啤酒灌裝生產線對實時性和可靠性都有比較高的要求，其最大灌裝速度可達3800瓶/h，循環周期為0.95s。系統節點數量多，并發性高，此外網關數據最終需要送給PLC，PLC對傳感器也有較高的實時性要求。
WIA-FA系統具有較高的實時性，100點循環周期10ms，已經小于PLC的循環周期（典型值30ms），本系統40點且采用2個接入點雙信道工作，實時性滿足要求，為保證可靠性，系統協議采用5次重傳機制，保證系統即使在最高速度運轉時丟包率也遠小于0.01%。此系統經過長期測試運行，證實WIA-FA無線網絡系統可以滿足啤酒灌裝生產線對實時性和可靠性的要求。
6 案例3：快遞公司智能物料分揀系統
云南昆船物流公司采用WIA-FA設備與為快遞公司研制的智能化AGV指揮調度系統，負責現場AGV與調度服務器之間的無線數據通信，主要用于解決大量AGV在有限空間密集工作、常規無線網絡出現掉線、丟包等嚴重的技術問題。快遞公司的智能化AGV指揮調度系統對于無線通信要求是：在有限空間內為200臺AGV自動導引運小車、每臺AGV每秒提供20次收發數據。現場長70m、寬20m，整個系統布置1個網關設備、2個接入設備和40臺AGV（見圖4）。2017年9月系統按設計要求安裝完成至2017年12月經過該公司內部調試，系統長期穩定運行，近4個月沒有出現技術問題，各項指標滿足現場使用要求。昆船物流公司在“應用證明”中說：“WIA-FA技術裝置與以往常用的無線通信方式如WiFi產品比較，漫游切換速度更快（微秒級），可靠性更高（99.99%以上），通信時延更短（小于10ms），最為重要的是應用現場大量AGV設備在有限空間密集工作時，AGV能夠穩定接入網絡不脫網、不丟包，保證AGV管理調度安全可靠，能充分發揮AGV系統性能。較現階段傳統無線解決方案有較大優勢，為我公司AGV產品進入更多應用領域帶來可能性和便利性，增強了我公司產品的市場競爭力”。
圖4 昆船物流公司的智能化AGV指揮調度系統
7 結束語——啟迪和聯想
數年之前，接觸了過程自動化的無線通信技術，如WIA-PA、WirelessHART、ISA100/11a國際標準，印象是主要用于數據采集，通信時延較長，不太適用于控制回路的應用。但當初步了解工廠自動化目前唯一的國際標準WIA-FA后，關于無線通信技術好多印象全都顛覆了，如通信時延可短到10ms、如可用于數據采集，但更重要的是可以用于開關量的控制，如上述應用例中的機器人和AGV小車。
短到10ms的時延，的確與PLC不相上下，就這一點來說，過程自動化還糾結在無線通信是否適用于控制回路的應用，而就現在了解的工廠自動化WIA-FA無線通信技術，用于開關量控制幾乎沒有障礙。
目前工廠自動化WIA-FA無線通信技術還處在應用試驗階段，但其突出的優點已經令人動心，今后，讓我們大家一起更多關注工廠自動化WIA-FA無線通信技術吧！
參考資料
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作者簡介
方原柏（1942-）男，湖北黃岡人，昆明有色冶金設計研究院電氣自動化分院教授級高級工程師，昆明儀器儀表學會理事長，中國衡器協會技術專家委員會顧問，衡器、冶金自動化、儀表世界、儀器儀表與自動化等雜志編委，主要從事儀器儀表、控制系統的應用研究，曾出版“電子皮帶秤的原理及應用”（1994年，冶金工業出版社）、“電子皮帶秤”（2007年，冶金工業出版社）“工業無線通信技術及應用”（2015年化學工業出版社）、“有色金屬生產過程自動化”（2015年，人民郵電出版社）四本專著，發表論文330篇。