摘要：中国研究制定的工业无线网络WIA-FA技术标准于2017年6月成为IEC正式国际标准，这是FA工厂自动化的第一份国际标准。高速工业无线WIA-FA是工业物联网的核心技术，将助推制造业转型升级。本文首先简要介绍了工业无线网络WIA-FA技术的背景、工厂自动化对工业无线网络的需求、WIA-FA无线网络设备类型和架构，然后重点列举了工业无线网络WIA-FA技术示范性的应用。
关键词：工业无线网络 工厂自动化 WIA-FA 应用
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
【中图分类号】TQ056.8 【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2019）11-0042-04
1 概述
中科院沈阳自动化所是国内最早开展工业自动化无线网络通信技术研究的科研机构，工业自动化包括过程自动化和工厂自动化，根据应用的难易程度，无线通信技术首先应用于过程自动化。由中科院沈阳自动化所牵头首先完成了WIA-PA（Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation，工业过程自动化的无线网络）国家标准的制定，2011年经IEC国际电工委员会工业过程测量、控制与自动化技术委员会批准成为正式IEC国际标准，从而使WIA-PA国际标准成为现今工业过程自动化无线领域三大主流国际标准之一。
2017年6月，经IEC国际电工委员会投票，由中国科学院机器人与智能制造创新研究院（筹）牵头研究制定的工业无线网络WIA-FA（Wireless Networks for Industrial Automation-Factory Automation，工厂自动化工业无线网络）技术标准提案，最终以100%赞成票，成为IEC正式国际标准，这是FA工厂自动化的第一份国际标准。WIA-FA是工业物联网的核心技术，是工厂自动化生产线实现在线可重构的重要使能技术，对推进制造业由传统的低成本大批量生产模式向高端高附加值的个性化生产模式转变，助推制造业的转型升级具有重要意义。在制造业竞争激烈的今天，WIA-FA成为IEC正式标准，标志着我国自主研发的离散制造业高速工业无线技术已得到国际自动化领域的普遍认可。在2017年年底世界智能制造大会上，“工业无线网络WIA-FA技术及标准”被列入中国科协智能制造学会联合体发布的2017年“中国智能制造十大科技进展”中。
面向工厂自动化的WIA-FA技术标准与面向过程自动化的WIA-PA技术标准共同构成了覆盖流程工业和离散制造业的工业物联网基础技术体系，是我国在工业物联网技术领域的重大研究成果。
2015年，鉴于中科院沈阳自动化研究所梁炜在WIA-FA技术和标准上的贡献，国际电工委员会授予梁炜研究员2015年年度IEC1906奖。2016年9月24日，在第54届国际自动化学会（International Society of Automation，ISA）年度表彰和颁奖盛会上，鉴于中科院沈阳自动化研究所所长于海斌在WIA-FA技术和标准上的贡献，授予于海斌研究员年度卓越技术创新奖。
自2011年起，在中科院先导项目和国家“863计划”的支持下，针对工厂自动化网络面临的高布线与维护成本、移动性与灵活性差等问题，中科院沈阳自动化研究所科研团队经过多年的集智攻关，突破了高精度时间同步、基于OFDM的频域轮询、基于信道认知的动态TDMA接入、多模式可靠重传等技术，解决了无线技术工业应用所面临的高并发、抗干扰、硬实时等挑战性难题，研发了基于WIA-FA的工业自动化系统。
目前，中科院沈阳自动化研究所已推出包括网关设备、接入设备、现场设备等在内的符合WIA-FA协议标准的产品和针对不同应用的解决方案，并已在多个典型应用场景实现了示范应用。
2 工厂自动化对工业无线网络的需求
相对于过程自动化来说，工厂自动化更多地是指离散制造自动化，具体应用场合主要有自动化生产线和装配线，如汽车、机床、电子设备、包装机器、食品和饮料包装、物流运送等，工厂自动化的生产过程不连续，这是与过程自动化的连续性生产最大的区别。
在工厂自动化无线通信网络里，要完成传感器或执行器与网关之间的数据通信，这对无线网络的通信提出了以下技术要求：
参与控制——工厂自动化不仅仅是采集生产过程的数据，更重要的是要实现机械或设备的控制，比如启停、正反转等控制动作。
高可靠性——要参与控制过程，就要求非常高的无线通信可靠性，如果信息丢失，可能导致生产线的停车，影响生产。相比过程自动化的无线通信，对可靠性提出了更高的要求，据介绍，工厂自动化对无线通信应达到与有线传输相当的可靠性指标，即丢包率要小于10-9。
高速、低延迟——工厂自动化的控制要求通信速度快，以在工厂自动化的控制中常用的PLC来说，扫描周期一般为5~50ms，典型值为20ms，因此，一般要求无线通信的传输时延小于10ms。
测控点数多、测控点密度大——在过程自动化中，无线网络的测点类型模拟量占比较大，相互间的间距较大，分布较散，密度小，占据较大的地理空间；在工厂自动化中，无线网络的测点类型开关量占比较大，相互间的间距较小，分布较集中，密度大，占据较小的地理空间。
工厂自动化与过程自动化无线通信网络的性能比较见表1。
表1 工厂自动化与过程自动化的比较
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性 能
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过程自动化
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工厂自动化
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适用无线标准
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WIA-PA
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WIA-FA
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拓扑结构
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星型、Mesh、星型+Mesh
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星型
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参与控制
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较少
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多
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信号时延
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较长
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短
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网关容量
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较小（可支持百点规模）
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较大（可支持千点规模）
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可靠性
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较高（如99%）
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高（如99.99%）
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3 WIA-FA无线网络设备类型和架构
3.1 设备类型
WIA-FA无线网络定义了5种设备类型：
（1）主控计算机：负责网络配置、组态和数据显示功能。
（2）网关设备：连接WIA-FA网络与其他网络，并负责整个WIA-FA网络的安全管理和系统管理，支持同一网络千点规模的网络容量，当网络容量在百点规模时，数据时延在10ms以内。
（3）接入设备：连接现场设备和网关设备的中间设备，可通过扩展卡支持双信道冗余通信，可通过扩展卡支持国密认证算法加密无线报文。
（4）现场设备：安装在工业现场，连接传感器或执行器，可通过扩展卡支持双信道冗余通信，可通过扩展卡支持国密认证算法加密无线报文。
（5）手持设备：配置网络和固件更新的手持便携设备。
3.2 架构
WIA-FA无线网络架构见图1。
图1 WIA-FA无线网络架构
为了提高网络的可靠性，WIA-FA网络中允许存在备用的网关设备作为运行网关设备的热备份，允许存在多个接入设备并行工作。图1所示WIA-FA无线网络架构为增强星型拓扑结构，包括一个中心及若干现场设备。中心由一个网关设备（可存在冗余网关设备）及1或多个接入设备组成。与带接入设备的过程自动化两层无线网络对比可看出WIA-FA工厂自动化无线网络架构的两个特点：一是底层现场设备与接入点之间采用星型拓扑，过程自动化两层无线网络的底层多采用Mesh网状拓扑；二是上层接入点与网关采用有线直接相连，而过程自动化两层无线网络的上层多采用WiFi无线网络连接。这两个特点都是为了保证无线信号传输的高可靠性和高速、低时延性能。
4 案例1：新松公司“数字化工厂”生产线
在中科院沈阳自动化研究所新松公司“数字化工厂”生产线上，SR系列机器人装配对象会不定期更换，因此需要通过远程主控制柜对生产线上的机器人进行动作信息的远程配置。各台机器人也将不间断发送自身的状态信息，主控制柜收到状态信息后对各个机器人进行故障诊断，并最终将数据汇总到服务器，这样就要求在工业现场铺设无线通信网络以保证服务器与机器人间的实时数据交互。
4.1 需求特征
（1）速率：机器人与主控制柜间的通信（站间通信），包括信息统计与故障诊断，通常数据量较大，要求机器人与控制柜的平均负载达到100kByte/s。
（2）实时性：动作控制与状态监测的无线网络接入性能做到高实时，以确保机器人的可靠运行，通常要求无线网络的实时性小于50ms。
（3）可靠性：可靠性是工厂自动化的关键指标之一，要求无线网络的可靠性达到99.99%以上。
（4）机器数量：要求一个主控制柜可至少与10个机器人通信。
（5）通信距离：新松厂房面积约20000m2，要求通信距离达到150m以上。
4.2 网络布局
整个厂区分南北两个区域，每个区域有一个主控制柜和10个机器人调试工位，安放一个接入点，它占用一个信道接入10个现场设备节点，每个现场设备节点下挂一个机器人控制柜控制一个机器人运行，分别参见图2、图3所示。
图2 机器人无线网络控制系统示意图
图3 机器人无线网络控制系统现场
系统采用具有高实时与高可靠接入性能的WIA-FA无线网络，每台机器人的控制柜通过接入设备与主控制柜进行数据交互，主控制柜又通过接入设备与连接网关设备的服务器进行数据交互，交互的数据信息主要用于对机器人进行动作控制、信息统计、状态监测以及故障诊断，并在主控制柜端的监控界面上显示。
示范系统验证了WIA-FA高速无线网络在工业机器人生产线上的技术可用性，这一方案可降低布线和维护成本，另一方面能满足移动性、灵活性的要求，优势明显；还改变了原有工业机器人生产线纯粹单机控制的现状，实现了工业机器人联网，为工业机器人的远程监测和控制、故障诊断和维护提供了技术及系统支撑。
5 案例2：啤酒灌装生产线
啤酒灌装生产线是典型的离散制造系统，在生产线上要实现洗瓶、灌装、压盖三大功能，系统工作时主要包括进瓶、洗瓶、抽气、灌装、激沫、充气、压盖、出瓶等八大工序，设备上的传感器主要是光电开关和接近开关，加上后续增加的温度检测、振动检测、倒瓶检测等其他附属传感器，整个系统有40个数据采集点，需要接入40个无线节点，配上2个接入点和一个网关，共同构成无线网络系统。
啤酒灌装生产线对实时性和可靠性都有比较高的要求，其最大灌装速度可达3800瓶/h，循环周期为0.95s。系统节点数量多，并发性高，此外网关数据最终需要送给PLC，PLC对传感器也有较高的实时性要求。
WIA-FA系统具有较高的实时性，100点循环周期10ms，已经小于PLC的循环周期（典型值30ms），本系统40点且采用2个接入点双信道工作，实时性满足要求，为保证可靠性，系统协议采用5次重传机制，保证系统即使在最高速度运转时丢包率也远小于0.01%。此系统经过长期测试运行，证实WIA-FA无线网络系统可以满足啤酒灌装生产线对实时性和可靠性的要求。
6 案例3：快递公司智能物料分拣系统
云南昆船物流公司采用WIA-FA设备与为快递公司研制的智能化AGV指挥调度系统，负责现场AGV与调度服务器之间的无线数据通信，主要用于解决大量AGV在有限空间密集工作、常规无线网络出现掉线、丢包等严重的技术问题。快递公司的智能化AGV指挥调度系统对于无线通信要求是：在有限空间内为200台AGV自动导引运小车、每台AGV每秒提供20次收发数据。现场长70m、宽20m，整个系统布置1个网关设备、2个接入设备和40台AGV（见图4）。2017年9月系统按设计要求安装完成至2017年12月经过该公司内部调试，系统长期稳定运行，近4个月没有出现技术问题，各项指标满足现场使用要求。昆船物流公司在“应用证明”中说：“WIA-FA技术装置与以往常用的无线通信方式如WiFi产品比较，漫游切换速度更快（微秒级），可靠性更高（99.99%以上），通信时延更短（小于10ms），最为重要的是应用现场大量AGV设备在有限空间密集工作时，AGV能够稳定接入网络不脱网、不丢包，保证AGV管理调度安全可靠，能充分发挥AGV系统性能。较现阶段传统无线解决方案有较大优势，为我公司AGV产品进入更多应用领域带来可能性和便利性，增强了我公司产品的市场竞争力”。
图4 昆船物流公司的智能化AGV指挥调度系统
7 结束语——启迪和联想
数年之前，接触了过程自动化的无线通信技术，如WIA-PA、WirelessHART、ISA100/11a国际标准，印象是主要用于数据采集，通信时延较长，不太适用于控制回路的应用。但当初步了解工厂自动化目前唯一的国际标准WIA-FA后，关于无线通信技术好多印象全都颠覆了，如通信时延可短到10ms、如可用于数据采集，但更重要的是可以用于开关量的控制，如上述应用例中的机器人和AGV小车。
短到10ms的时延，的确与PLC不相上下，就这一点来说，过程自动化还纠结在无线通信是否适用于控制回路的应用，而就现在了解的工厂自动化WIA-FA无线通信技术，用于开关量控制几乎没有障碍。
目前工厂自动化WIA-FA无线通信技术还处在应用试验阶段，但其突出的优点已经令人动心，今后，让我们大家一起更多关注工厂自动化WIA-FA无线通信技术吧！
参考资料
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作者简介
方原柏（1942-）男，湖北黄冈人，昆明有色冶金设计研究院电气自动化分院教授级高级工程师，昆明仪器仪表学会理事长，中国衡器协会技术专家委员会顾问，衡器、冶金自动化、仪表世界、仪器仪表与自动化等杂志编委，主要从事仪器仪表、控制系统的应用研究，曾出版“电子皮带秤的原理及应用”（1994年，冶金工业出版社）、“电子皮带秤”（2007年，冶金工业出版社）“工业无线通信技术及应用”（2015年化学工业出版社）、“有色金属生产过程自动化”（2015年，人民邮电出版社）四本专著，发表论文330篇。