工厂:有线还是无线

有望提供1.3Gb/s的下一代无线标准IEEE 802.11ac预计将在2014年初获得批准，许多人可能会认为有线与无线之争已经成为历史了。尽管吉比特Wi-Fi必然会巩固无线作为家庭应用事实上的选择这一地位，而且会支持更多企业领域的标准商业应用，但是，在决定是部署无线或有线解决方案时，特别是在工业环境中，仍然有几项因素需要加以考虑。

固有的顾虑仍然存在

随着移动设备的爆炸式增长以及自带设备办公（BYOD）政策的实行，目前几乎所有的商业公司都提供无线网络。毫无疑问，无线接入是当今工作场所的绝对必需品，它使得雇员在办公室走来走去或陪伴来访者时能自由地保持在线。

尽管公司都希望增加Wi-Fi速率，而即将到来的802.11ac的容量将减少无线网络目前的压力，但无线距离成为标准规范还有很长的路要走。很少有商业环境仅依赖于无线，而那些确实这样做的通常都是小企业，它们只有很少的用户和简单的低带宽应用。目前有大量遗留的有线基础设施可用，它们为各种各样的终端设备（比如电话，视频监控摄像头和接入控制设备）提供吉比特速率和以太网供电（PoE）支持，无线将与有线网络共存数十年。此外，无线将继续给IT工作人员带来大量令人头痛的难题。

从一开始，无线就被安全顾虑所困扰。尽管身份验证、加密和入侵检测技术已经完成大量改进，将无线变得几乎与有线同样安全，但大多数企业仍然不愿意通过无线网络来传输其核心企业数据。

有关无线的另一项真正的顾虑是性能。有线连接所支持的传输速率至少要比无线快10倍（即10Gbits/s和1Gbit/s的对比），而且，就可靠性而言，无线更加不可预知。无论技术如何进步，无线仍然是一种共享介质，具有固有的带宽限制，有受到干扰的可能，并且有各种其他的性能影响因素（见图1）。

因为无线是共享介质，所以传输速度取决于用户的数量。其性能也可能会受到这些用户所用技术的影响。例如，即将到来的802.11ac际准有希望实现的吉比特无线速率将取决于用户的数量以及系统中是否存在其他更低速率的802.11a和802.1ln用户。尽管与802.1la及802.11n兼容，但802.11ac工作在更宽的80MHz信道上，而802.11a使用20MHz信道传输，802.11n使用20或40MHz信道传输。因此，由于存在遗留的802.11a或802.11n用户，802.11ac必须降低速率来适应他们更低的速率，从而会降低性能并减少所有用户的带宽。

尽管一些更新的无线接入点（WAP）提供了比上一代WAP更宽的范围，但无线始终存在一些限制：当设备远离接入点时，信号能传输多远以及会衰减多少。因此，多个无线接入点必须进行战略部署，以确保全面、可靠的覆盖，这会增加无线系统的实现成本。

即使进行了战略部署，当设备移出一个WAP的范围并移入另一个WAP的范围时，就会发生漫游。在设备从一个WAP断开并重新关联到另一个WAP的换手过程中，当设备扫描新wAP时会有短暂的延时。接着，设备需要向新wAP发送身份验证请求并等待响应。只要出现换手过程，就存在丢失数据包和出现延时的风险。市场上更新的控制器已经成功地显著提高了换手过程的速度，但这些解决方案都有很高的价格，且需要更为复杂的安装和配置。

尽管新的无线解决方案能够提供与以前相比更好的穿透办公室隔问和墙壁的能力，但干扰仍然是一项顾虑。在思科公司所调查的超过600位中间市场和企业客户中，78%认为其无线网络是关键业务，但54%指出射频（RF）干扰仍然是个问题。RF信号仍然会被非常大的物体、金属或混凝土反弹，而其他RF设备在频谱重叠时会对无线系统产生干扰。大型电机和重型设备所发射的噪声也可能会干扰无线系统并可能导致数据包丢失。如图2所示，有着300个wAP的网络平均每个月会出现15次RF干扰事件，预计将影响180个用户。随着w AP数量的增加，干扰事件和受影响用户的数量也会随之增加。

工厂的限制

尽管以太网的可靠性和性能使其作为一种工业应用标准协议越来越受欢迎，代替了许多传统的现场总线协议，但这并不等于说无线也能够适用于所有的工业环境。

像工厂和食品加工厂这样的工业场所存在许多恶劣的环境，其中几项因素不同于商业场所。在这些场所中，MICE方法被用于对各种区域分级，并定义用于建立工业通信网络所需的材料需求。MICE代表了机械、入口、气候/化学物和电磁，基于环境恶劣程度有3种分级用来定义分类――1级用于办公室，2级用于轻工业，3级用于工业（见图3）。在具有强电磁等级的环境中（即E3），无线通信非常容易受到更多的干扰。

工业环境中的许多系统还需要实时传输数据或I/O信号，不能容忍延时。尽管在只是发送办公室问的电子邮件的时候，因干扰、漫游或无线网络上的多用户所引起的数据包丢失通常不会被注意到，但这些事件很容易造成工业设备停止工作。许多类型的工业设备比如机械手都采用了自动防故障设计，当时间敏感的命令出现延时或中断时就会停机，以防止安全事故或生产错误。这会造成高成本的生产延迟。此外，随着数据传输速率的增加，网络越来越容易受丢包和故障的影响。例如，随着无线网络从100Mb/s提高到1000Mb/s（即1Gb/s），通信中断所清除的数据量可能是此前的十倍。因此，在更高的网络速率下，对于干扰和其他可能造成延迟和数据包丢失的因素的抵抗力变得前所未有地重要。

随着以太网继续在工业环境中发挥作用，无线通信的另一项限制因素是它不支持以太网供电。在工业环境中，以太网供电已经用于给安全摄像头、电话、时钟、时间和考勤系统、楼宇自动化设备及航运信息系统供电。一些工业以太网交换机目前也启用了以太网供电，预期该项技术将继续出现在其他工业设备中，比如传感器、探测器和人机界面（HMI）。有几种工业设备仍然需要特殊电缆、线束和协议，而许多设备制造商刚刚开始实现以太网，顺理成章的下一步应该是在所有有条件的地方部署以太网供电。不仅设备制造商在大多数工业设备中实施无线通信的成本只能带来很少的增值，而且无线也会让最终部署以太网供电成为空谈。

不过，工业环境中的某些系统可以从无线通信和移动性中得到好处。例如，用于在仓库或包装区域中跟踪产品的射频识别（RFID）系统可以与手持扫描设备实现无线对接。无线也可以用于其他非关键的工业应用，例如只有简单数据交换而不影响运转的数据采集。

随着抗扰性、延迟、吞吐容量和范围的改善，在不利用以太网供电的前提下，更多非关键的工业系统和传感器也许能够转而采用无线I/O控制。但是，对于需要可靠的实时控制的关键工业系统而言，有线还无法被取代。

着眼于未来，我们看到有线和无线的结合将继续是商业和工业环境中的标准规范――无线将满足移动工作者和非关键移动应用的需求，而有线将继续提供以太网供电，并确保满足许多应用和环境所亟需的安全、容量、性能和可靠性需求。