無線通信在汽車制造現(xiàn)場的典型應(yīng)用

傅敏

（上汽通用汽車有限公司整車制造工程部,上海 201206）

近年來，隨著國家“中國制造2025”戰(zhàn)略的提出及不斷推進(jìn)，在制造行業(yè)內(nèi)，一線生產(chǎn)設(shè)備正逐步從自動(dòng)化向更高端的智能化要求升級。尤其是在早已實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化的汽車制造行業(yè)，大量的智能化前沿技術(shù)正不斷地被應(yīng)用于實(shí)際現(xiàn)場。其中最典型的一個(gè)案例就是無線通信技術(shù)。借助于無線技術(shù)布局靈活，空間占用少，移動(dòng)性高等特點(diǎn)，它已成為了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、交換、上傳、監(jiān)控的首選方式，并且隨著近幾年無線技術(shù)自身的迅猛發(fā)展，先前一直被人們詬病及顧慮的穩(wěn)定性與可靠性等性能也大大提高。因此比之布局較為固定死板的有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，更能滿足目前汽車制造行業(yè)的實(shí)際現(xiàn)場需求。

1 無線技術(shù)

1.1 概述

依靠電磁波或紅外線等作為載體在空氣這一介質(zhì)來傳播信號。由于利用的是不可見的介質(zhì)，外界干擾更容易對其產(chǎn)生影響，且人為防護(hù)措施較難有效實(shí)施，所以信號的損耗是相對有線來說更不可控些。

因此對于穩(wěn)定性和可靠性要求非常高的工業(yè)場合，在21世紀(jì)之前，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的情況非常少，網(wǎng)絡(luò)通信依靠的還是長長的有線。近幾年，由于工業(yè)環(huán)境智能化水平的深入，現(xiàn)場對終端設(shè)備布局靈活性的需求不斷增多，無線網(wǎng)絡(luò)靈活的優(yōu)勢大大凸顯了出來。另外根據(jù)工業(yè)環(huán)境對穩(wěn)定性和可靠性方面的考量，幾種特殊的無線技術(shù)方式通過研究與相關(guān)測試成為了成熟的應(yīng)用與產(chǎn)品解決方案，被各國工程師接受。其穩(wěn)定性與可靠性也不再是人們擔(dān)心的問題。

1.2 分類

目前常見的工業(yè)級無線通信技術(shù)根據(jù)頻率不同分為2.4GHz與5GHz兩種，其與我們?nèi)粘＝佑|的民用無線以太網(wǎng)通信技術(shù)是類似的。

其中C：光速、f：頻率、λ：波長。

從上述公式中可以看出光速一定，信號頻率與波長成反比關(guān)系，頻率越高，波長越多，波動(dòng)特性就越不明顯，波的干涉與衍射能力就越差。穿透障礙物后頻率越高的波信號衰減得越厲害。因此在網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度要求相同的情況下，2.4GHz網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍要比5GHz更廣，相等面積的環(huán)境需求中，2.4GHz網(wǎng)絡(luò)所需的固定信號源相對較少，使用成本也相對低廉，是目前汽車行業(yè)主流的使用方案。當(dāng)然一些高信號強(qiáng)度或者實(shí)時(shí)性要求比較高的場合，5GHz會(huì)是一個(gè)更好的方案。

2.4GHz網(wǎng)絡(luò)信道分布如圖1。

圖1

圖2

2.4G義上的頻率并不是落在2.4GHz這個(gè)點(diǎn)上，而是從2.412～2.484GHz，共分為14個(gè)信道。信道，也稱作頻道、通道，是以無線信號作為傳輸載體的數(shù)據(jù)信號傳輸通道。每個(gè)信道的有效寬度是20MHz。從上圖中可以每隔5個(gè)信道都是獨(dú)立互不交叉的，故習(xí)慣上取1,6,11三個(gè)互不重疊的信道做為2.4GHz的信道進(jìn)行架設(shè)。5GHz由于在國際上形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)較晚，屬于一種新的協(xié)議，所以各個(gè)國家都使用不同的信道。每個(gè)信道的有效寬度也分為20MHz、40MHz、80MHz及160MHz，其互不干擾的信道較多，故不在這里詳細(xì)描述特性了。

以下將重點(diǎn)介紹三種目前在汽車行業(yè)中使用最多的無線Wi-Fi通信技術(shù)。

2 傳統(tǒng)開放式Wi-Fi

2.1 技術(shù)原理概述

在汽車制造車間內(nèi)，由一臺或多臺的無線AP(Access Point接入點(diǎn))作為信號的固定發(fā)射端和接收端組成一個(gè)基本的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，無線客戶端安裝在最終用戶設(shè)備上，往往是移動(dòng)的。同一網(wǎng)絡(luò)使用同一SSID號，移動(dòng)的無線客戶端在若干個(gè)無線AP中通過漫游的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)切換。

2.2 優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟簡單，協(xié)議開放，初期投資成本低廉，并且調(diào)整改造靈活。

缺點(diǎn)：容易受到外界干擾。無論是2.4GHz還是5GHz 開放式Wi-Fi，其傳播介質(zhì)都是空氣，處于開放的狀態(tài)，容易受到環(huán)境因素（溫度、濕度及電磁信號）的干擾。且工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，存在很多障礙物會(huì)阻擋到無線信號的傳播。因此在無線網(wǎng)絡(luò)架設(shè)的前期規(guī)劃中需要考慮各方面的因素，并且在正式使用前還需要經(jīng)過很多次的調(diào)試與修正方能達(dá)到最佳的效果。

2.3 典型應(yīng)用案例

Wi-Fi布局簡單，無其他輔助安裝工程量，適合于大范圍無線網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)。目前汽車行業(yè)內(nèi)，最典型的應(yīng)用案例是車間內(nèi)無人物流運(yùn)輸小車AGC的應(yīng)用。

3 波導(dǎo)通信

波導(dǎo)通信是一種較新穎的無線通信方式。其有別于我們常見的Wi-Fi模式，是一種專門應(yīng)用在特殊傳播環(huán)境下的無線通信方式。

3.1 技術(shù)原理概述

波導(dǎo)通信的電磁波信號在一特殊的導(dǎo)軌中傳播，信號頻率在5-6GHz之間，由于是在特制環(huán)境中傳播，所以不易受到外部其他無線信號的干擾，大大提高了穩(wěn)定性和可靠性。

上文所述的特殊導(dǎo)軌專業(yè)名稱為Slotted rail即狹窄導(dǎo)軌(見圖2所示)，在波導(dǎo)通信中作為信號的傳播途徑。在導(dǎo)軌的一端或者某處，接入一個(gè)5GHz的信號源，信號只會(huì)在這一狹窄導(dǎo)軌中進(jìn)行傳播，不會(huì)擴(kuò)散至這一導(dǎo)軌以外的區(qū)域中。這樣既不會(huì)干擾其他信號也不會(huì)被其他信號干擾。

Communication antenna即通信天線，是接收信號的一個(gè)載體，內(nèi)部由一些信號回路組成，它安裝在實(shí)際移動(dòng)的物體中，通過伸入slotted rail中，將導(dǎo)軌中的信號接收下來，傳遞給移動(dòng)物體中的控制器中，從而實(shí)現(xiàn)無線通信。

3.2 優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：信號抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)少，適合應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性要求高的場合。

缺點(diǎn)：當(dāng)然波導(dǎo)通信也有其明顯的缺點(diǎn)——需要安裝狹窄導(dǎo)軌，如此就會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)設(shè)備只能在固定的路徑中移動(dòng)，靈活性大大的降低。所以一旦由于生產(chǎn)需要，變化路徑，那工程就比較復(fù)雜，周期也會(huì)延長，且核心技術(shù)都掌握在外國公司手中，成本相對開放式Wi-Fi來說較高。另外狹窄導(dǎo)軌還增加了不少的安裝空間，對于在地面移動(dòng)的設(shè)備來說并不十分適合。因此，另一種新的無線通信方式應(yīng)允而生，很好地彌補(bǔ)了這兩個(gè)短板，它就是漏波電纜。

3.3 典型應(yīng)用案例

波導(dǎo)通信最大的特點(diǎn)就是無線信號在狹窄導(dǎo)軌內(nèi)傳播，這也決定了該技術(shù)只能應(yīng)用在移動(dòng)路徑固定的設(shè)備上，并且是在非地面區(qū)域。目前汽車生產(chǎn)環(huán)境中應(yīng)用該技術(shù)最多的就是空中吊具EMS系統(tǒng)。

4 漏波電纜

漏波電纜同波導(dǎo)通信一樣也是一種有別于傳統(tǒng)Wi-Fi樣式的通信方式，目前市場上運(yùn)用的最多的是由德國西門子公司開發(fā)的RCoax系列產(chǎn)品。近幾年正逐步成為一種首選的主流無線通信方式。

4.1 技術(shù)原理概述

如圖3所示，在特殊電纜中等距開出若干條縫隙，無線信號就從縫隙中泄漏出來，通過空氣向外傳播。若干條縫隙就好比幾根天線，信號強(qiáng)度會(huì)隨著距離的增大而衰減，接收端離電纜越遠(yuǎn)，接收到的信號也越差。一般5GHz漏波電纜穩(wěn)定的信號覆蓋范圍在30米左右的距離，信號最遠(yuǎn)可以到50米。安裝在移動(dòng)端上的接收設(shè)備在掃過這些電纜敷設(shè)的范圍時(shí)，采集到這些泄漏出來的無線信號，將信號傳送到控制器中，從而完成整個(gè)移動(dòng)無線通信過程。

4.2 優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：信號強(qiáng)度穩(wěn)定可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。

缺點(diǎn)：受限電纜長度的原因，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋空間范圍較小，只能應(yīng)用于活動(dòng)范圍固定且區(qū)域小的場合。由于漏波電纜不能被碾壓，所以一般采取埋地使用的方式。這就需要做開槽等一系列工作，成本較高。且一旦敷設(shè)完成，更改起來比較復(fù)雜，也不容易維護(hù)。

4.3 典型應(yīng)用案例

漏波電纜在技術(shù)原理和形式上介于無線Wi-Fi和波導(dǎo)通信之間，因此其在應(yīng)用方面可以與其他兩種形式形成良好的互補(bǔ)。在汽車生產(chǎn)現(xiàn)場，目前應(yīng)用的最典型的就是底盤拼裝AGV移動(dòng)小車區(qū)域。

5 三種無線通信方式性能對比

圖4表現(xiàn)的是以上所介紹的3種無線通信方式的信號強(qiáng)度與信號源距離變化之間的關(guān)系曲線圖。綠色代表是直線狹窄導(dǎo)軌中的波導(dǎo)通信信號，藍(lán)色是漏波電纜，棕紅色則是傳統(tǒng)開放式Wi-Fi。由圖可見，波導(dǎo)通信在50米的范圍內(nèi)信號很穩(wěn)定，波動(dòng)很小。漏波和Wi-Fi信號波動(dòng)很明顯。波導(dǎo)在距離發(fā)射端50米的距離，信號強(qiáng)度只產(chǎn)生了很少的衰減，約5db。漏波和Wi-Fi都會(huì)隨著距離的變大而產(chǎn)生明顯的衰減。其中傳統(tǒng)開放式Wi-Fi衰減得更厲害?？梢姀姆€(wěn)定性及可靠性來說。波導(dǎo)通信更勝于其他兩種方式。因此漏波電纜長度基本不超過50米。而傳統(tǒng)開放式Wi-Fi則會(huì)布局多個(gè)信號源在網(wǎng)絡(luò)中，防止信號衰減。

圖3

圖4

6 結(jié)語

本文給出了3種汽車行業(yè)典型無線應(yīng)用技術(shù)的原理，優(yōu)缺點(diǎn)及典型應(yīng)用案例的介紹?？梢娫谧詣?dòng)化往智能化轉(zhuǎn)型的時(shí)代背景下，無線技術(shù)已經(jīng)成為新種類設(shè)備用于通信的首選。其有著無可比擬的靈活及智能特性。隨著無線穩(wěn)定性及可靠性的不斷提升，性能更加優(yōu)良的無線技術(shù)會(huì)越來越多的應(yīng)用于汽車行業(yè)。現(xiàn)場的傳感器，動(dòng)力設(shè)備等等越來越多的數(shù)據(jù)會(huì)上傳到上層系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控與診斷，甚至一些安全類設(shè)備，安全類信號會(huì)采用無線的形式。毫無疑問，汽車工業(yè)的“無線時(shí)代”已然來臨。