工业无线网络的部署、优化和最佳运行实践
要解决工业无线网络可靠性方面的故障，需要进行后续频谱分析并揭示新的无线电能量来源。
作者：Richard Kluth
工业无线局域网的部署和最佳运行实践，需要进行全面的现场勘查、生命周期管理、网络安全和协作。您的工厂如何优化现有工业无线网络？
自1997 年 IEEE 802.11（Wi-Fi）标准问世以来，大多数现代工业企业，在实施某些运营活动时，都用到了工业无线局域网（WLAN）。实际上，它们是工业 4.0 生产和物流模型及其采用的工业物联网（IIoT）概念和技术的通信基础。
与用于家庭、办公室和公共场所的 Wi-Fi 不同，工业 WLAN 的性能要求更高，其中包括低延迟、高确定性、超高可靠性、高度安全和能适应复杂的射频（RF）环境等因素。毕竟，如果工厂的网络出问题，可能会导致产量下降、机械或设备损坏，甚至对人员健康和安全都带来威胁。如果应用涉及巡回的车辆或机器人，则工业 WLAN 会变得更复杂。
这就是为什么工业 WLAN 需要清楚了解应用要求，然后仔细进行 RF 工程设计，以满足这些要求。尽管关于正确部署工业 WLAN 所需的知识有整本书可读，但下文中列举的 4 个建议可以为工业企业提供一个广泛的框架，确保其充分利用工业 WLAN 的优势，从而获得期望的投资回报。
一
全面的现场勘查
工业环境通常具有各种 RF 干扰、反射和吸收源，它们可能会导致不同程度的衰减和不规则的无线电波型。其中包括 ：附近办公室的 WLAN、相邻的工业 WLAN 和 RFID 系统 ；金属机械、管道系统、机架和门 ；以及厚厚的混凝土墙、液体甚至人。这就是为什么进行全面的现场勘查，对于成功部署和运营工业 WLAN 至关重要的原因。
现场勘查的目标是优化无线接入点（AP）的布置，选择合适的信道以及 AP 与客户端设备之间的最佳信噪比，确保目标设施和应用有足够的信号覆盖范围。
为进行现场勘查，需要设施平面图、数据传输速率要求以及用于测量 SNR 和检测其它 RF 源的工具，例如无线现场勘查软件和 RF 频谱分析仪。在这一阶段，如果没有这些工具，那具有专业软件和丰富现场调查经验的专家，也可以协助工业 WLAN 的设计。
由于原始结构设计可能已经经过重大修改了，因此下一步就是对设施进行目视检查，以验证平面图，确定独立放置的任何可能的衰减源，例如仓库或设备架、机械和库存。还应利用适当的工具进行频谱分析。
▎图 1 ：该图模拟了设施中无线的覆盖范围和衰减情况，指出了无线覆盖可靠和不可靠的地方。本文图片来源 ：西门子
此时，可以确定、配置和测试 AP 的初始位置。高点是理想的位置，例如建筑柱（室内）或立柱（室外）、椽子和天花板。具有多个和全向天线的 AP 设备，可以提供最佳的 RF 覆盖范围，并且最好与 POE（以太网供电）电缆连接。
最初，在配置 AP 和客户端设备时，只需彼此“通讯”即可。在布置时，应使无线电波的覆盖范围稍有重叠，确保没有信号间隙或通道重叠。
无线连接建立后，可逐一启用更高级别的功能，例如安全性和漫游功能，以便在必要时对每个功能进行故障排除。调整连接也是如此，例如调整发射功率或漫游策略，并且不要忘记记录所有内容。
二
工业 WLAN 的生命周期管理
正确设计、工程实施和配置工业 WLAN 可能是一项艰巨的任务。如果内部没有 RF 工程专家，通常需要外聘。尽管可以利用自己动手、随学随用的方法进行配置，但是这样做可能会占用大量熟练的信息技术 / 运营技术（IT/OT）资源，否则的话这些资源可以在其它地方发挥作用。对工业企业而言，这比雇用专家进行短期合作要花费更多的时间和精力。
无论哪种方式，一旦按计划安装工业WLAN 并开始正常工作，“设置并忘记”的无线网络操作的倾向可能是一个错误。像任何生产设备一样，工业 WLAN 是宝贵的工厂资产，需要在整个生命周期中对其进行管理。
此外，重新审视一下现场勘查也是一个好主意。为什么？因为随着时间的流逝，设施的楼层布局可能会发生重大变化。例如，如果新安装了机器或金属机架，甚至是墙壁或隔板，这可能会或多或少的改变生产环境的 RF 特性。如果改变的很多，工业 WLAN 可能会完全停止工作。如果改变的很少，则 工业 WLAN 的性能可能无法达到最佳状态， 并会增加通信故障风险，从而导致停机或其它损失。
作为定期现场勘查的一部分，还应再次进行频谱分析。内部新系统甚至邻近的建筑物都将使用 Wi-Fi 进行调试。在原始频谱分析中不存在的这些新系统，可能会干扰无线频谱或增加无线频谱的密度，从而损害现有的无线解决方案。需要记住的是，频谱分析只是某个时间的快照，因此应定期进行监控。如果在新频谱分析中，发现影响现有无线系统的重大变化，则应对新系统或现有系统进行调整，以便所有系统可以共存并以最佳状态运行。
除了楼层布局的变化，现有的工业 WLAN 和无线技术将不可避免地随着时间的推移而发展，就像 IEEE 802.11 的发展，以及 5G 无线技术的兴起。使用旧的 Wi-Fi 技术的工厂可能会产生机会成本，因为较新的无线技术可以提供更多的功能，而且通常成本更低。
三
工业无线网络安全
工业企业，尤其是关键基础设施，例如发电厂、石油和天然气企业运营及运输等，是网络威胁的主要目标。以勒索软件为例，它可以对运营机器或过程所需的代码或数据进行加密，并要求付款以对其进行解密。黑客越来越多地将目标对准大型工业企业，因为大企业给的钱可能比个人或中小型企业多得多。
好消息是工业 WLAN 硬件具有内置的安全功能，例如防火墙、加密和设备身份验证。附加硬件可以提供虚拟专用网功能。在某些组件中，在部署时就应配置这些功能，如果忽略这一步骤，就会使工业 WLAN 容 易受到入侵。
关于工业 WLAN 网络安全的其它建议 包括 ：
1
限制物理和虚拟访问
服务器、路由器、接入点（如果位置没有抬高且无法触及）和客户端设备应安装在机笼中并落锁，以防篡改。每个连接到工业 WLAN 的设备都有 一个媒体访问控制（MAC）地址，可以而且应该限制对它的访问。连接到工业 WLAN 的每个设备，都有一个媒体访问控制（MAC） 地址，可以并且应该限制对该地址的访问。
2
隐藏工业 WLAN 的 SSID
所有 Wi-Fi 路由器都有服务集标识符（SSID）用于广播， 但这种广播可以被禁用，从而使黑客很难找到网络。
3
使用身份验证和最强的加密
Wi-Fi 保护访问（WPA）和 WPA2 身份验证，应 使用预共享密钥或 Radius 服务器进行。应该要求客户端使用关键字进行身份验证，并且还要求指定加密方法，该方法比开放式身份验证或弱方法（例如 WEP）更安全。此外，还可以使用强加密密码，例如 TKIP 或 AES。
4
将OT工业WLAN与ITWLAN分段并将其隔离
在工业企业的 OT 端，将 OT 工 业 WLAN 划分为子网是一种很好的方式，这样即使黑客进入工业 WLAN 的某一部分，其余部分也不会被利用。此外，将 OT 工业 WLAN 与 IT WLAN 隔离，可以防止后者对前者的入侵。
四
IT 与 OT 的深入协作
为了在工业 4.0 时代能够繁荣发展，工业企业需要 OT 和 IT 团队进行深入、跨职能、积极的协作，结合各自的专业知识和经验，以实现生产和物流环境的完全数字化。工业 WLAN 是一个完美的例子。IT/OT 团队需要了解所有网络环境的独特术语和设计要求，在网络作为全数字工业企业的战略骨干网的情况下更是如此。
多年前，OT 的控制和 SCADA 系统网络，通常与企业 IT 网络在物理上是隔离的。但是随着新兴的工业 4.0 和 IIoT 模型的出现，尤其是在已部署工业 WLAN 的情况下，这种差距已经在缩小。不幸的是，在很多情况下，OT 和 IT 团队由于背景和观点的不同，在连接 OT 和 IT 网络的理解上产生了差距。
例如，OT 网络与外部入侵的物理隔离，可能使 OT 工程师过去不必担心网络安全，但现在他们必须考虑这些问题。另一方面， IT 专业人员之前可能不必担心其企业 WLAN （最初用于提供一般 Wi-Fi 覆盖）可能会使无线频谱和可用信道变得过饱和。
举一个跨部门的沟通会议，让两个团队成员坐在一起，分享各自的背景和对他们特定职责的关注，有助于弥合 IT/OT 理解上的 鸿沟。这些活动包括白板演练，以识别强化合作的机会，例如对工业网络和运营进行联合无线频谱监督，并制定相关的行动计划。该领域的一个最佳做法是至少每半年（如果不是每季度一次的话）定期召开 IT/OT 团队会议。
提高现有工业 WLAN 的可靠性
您的工业 WLAN 是否正常运行？如今，对于大多数工业 4.0 企业而言，工业 WLAN 已成为通信骨干网的重要组成部分。然而， 许多人可能正在使用过时的 IEEE 802.11 技 术。或者，他们的安全功能在今天并不理想， 存在应该被识别和消除的漏洞。另外，您 的 OT 和 IT 团队是否协作，以确保您的工业 WLAN 是经过充分保护并以最佳状态运行的资产？
如果这些情况描述了您的工业 WLAN 环 境，那可能是时候更新现有现场勘查结果或重新进行现场勘查了。必须像使用昂贵的、必不可少的设备一样，将生命周期管理实践应用于工业 WLAN，这一点很重要。