适合的才是最好的——如何为控制系统添加匹配的无线网络
如果考虑在控制应用中使用无线网络，那么在系统设计的初期就加以考虑，可以避免在安装过程中或安装后出现意外的“惊吓”。
自动化在整个工业领域的应用变得越来越普遍。用户致力于最大限度地提升过程的效率和降低成本。随着技术的进步，工程师们努力寻找新的方法，来测试和使用自动化技术和产品，以便实现其最大价值。
在控制生产过程领域，自动化仍然是快速增长的催化剂，影响力与日俱增，有很多新的技术被应用到控制系统中。例如，在过去十年间，无线技术作为自动化技术的一部分，已经逐步成熟起来。尽管在初期无线网络并不被认为适用于控制，但是无线网络已经快速的从仅适用于传感器方面的应用，发展到现在的适用于闭环控制。
不管控制系统的架构是：集中式、分布式、或是闭环控制，无线系统都可以成为控制系统不可分割的一部分。但是，在将无线引入到控制应用之前，必须充分了解无线技术的差异，以及它们是如何影响控制应用的。
1 在设计系统时就考虑
在设计系统时，这是需要考虑的一个基本点。如果在项目的设计阶段考虑了这个问题，那一般来讲，它就不会成为一个问题。如果延迟问题被忽视，那么在启动系统时，就会发生问题。
无线生产制造商一般会在延迟方面为用户提供帮助。对于特定的应用，系统设计工决定在项目的控制应用中使用无线网络之前，花点时间思考一下哪些事项可以提前预防。例如，对无线网络的期望，应用的关键程度，以及如何根据不同应用明智的选择无线系统。
期望：在考虑将无线网络应用于控制时，非常重要的一点是要了解对无线网络的期望是什么？并根据期望来规划系统。无线产品正变得越来越快，越来越可靠。很多用户希望无线产品，能够像标准的有线产品一样工作，但事实是，在无线网络系统中，总有一些延迟因素，而有线网络则不存在这种情况。
程师必须确定延迟是否可以接受。典型情况下，延迟不会太大，但是在部署无线系统时，必须予以考虑。
关键程度：即使都应用于控制，无线系统也有不同的使用情况，通常可将它们分成两组——关键组和便利组。
对于关键应用，无线连接被用于传输关键的实时数据。通常情况下，如果它们是时间敏感的，那这些数据就被视为“关键”。不论何种原因，如果网络连接出现延迟或者中断，应用过程就会被中断。
如果无线网络的功用主要在与提供控制过程的效率，但是其对应用本身并不是十分关键的，那这就是便利型应用。这方面的一个例子就是：对于远程可编程控制器（PLC）或者控制设备，以前都是派人每天数次亲自去现场读数据或记录。无线系统则可以消除这种需求，但是如果连接断开，就地控制仍然保持运行。
无线技术的选择：当为应用增加无线技术时，非常重要的一点是要知道没有任何一种无线技术可以适用于每种应用。尽管某些技术可以在不同的应用场合中使用，但这是因为它们有不同的属性使其可以很好的适应不同的应用场合。
在确定哪种类型的射频（RF）技术适合于特定应用时，主要依靠三个标准来考察：环境、连接介质和数据流量。在考察环境时，必须考虑障碍物、在该区域的其它射频源和距离。根据经验，频率越低，经由空气传播的RF损耗的能量越小。因此，频率相对较低的射频，可以传播更远的距离，可以更好的穿透障碍物。所使用的频率也会影响数据传输速率。在低频段，被用于传输信息的信道比较窄。这样数据传输速率就会降低到千比特/秒(kbps）。
相反，在高频段，信道较宽，可以传输更多的数据，一般情况下达到兆比特/秒（Mbps）。随着无线距离的增加，可能需要降低运行频率。这反过来就会降低传输速率。这种变化会影响系统或应用的设计。
最后还要考虑系统设备和无线模块之间的连接介质。并不是所有的无线设备都适用于所有类型的连接介质，这点非常重要。有些与离散类型的输入/输出（I/O）连接，而其它则与串口或以太网连接，也有一些则可能两者兼而有之。在为特定应用选择无线产品之前，非常重要的一点就是要确认目标产品具有期望的连接性能。
通过上述标准，可以帮助用户确认无线技术是否适用于自己的应用项目。一旦上述三个问题得到解决，下一步就是确定控制系统如何工作。根据不同的控制架构，可以选择最适用的无线技术。
对于所有的控制架构，通讯仍然必须通过某种形式的介质传输。以前，短距离的连接，使用不同类型的电缆组合，通过电缆槽连结至集中控制点。电缆车的概念被用于电缆无法敷设的长距离传输。根据安装类型和人力资源需求，这两种类型的网络可能会变得耗费大量时间和费用。
随着电线电缆的价格持续增长，并且公司也在试图使其工艺过程效率更高，新型的系统网络连接方式正在研发中。在控制应用领域，不断增长的趋势就是无线通讯。利用无线通讯，公司在将设备、区域和信息通过网络链接起来的时候，能够减少安装费用和时间，而在以前这是无法实现的。
2 根据不同的控制结构选型
通常，可以将控制结构分成三种类型：分布式、集中式和闭环回路。不过，在应用时有可能包括上述几种的组合，这可能会让某些应用变得更复杂。
分布式控制：当应用中的多台计算机分别控制不同的对象或设备，各自构成子系统，各子系统间有通信或网络互连关系时，通常称之为为分布式控制系统。在某些情况下，无线连接仅被用于向就地控制设备发送更新。在这种方式下，它只是周期性的提交报告，所有的控制都由就地的控制系统完成。如果无线系统的响应有某种程度的延迟或者出现周期性的中断，就地的控制系统仍然可以继续控制工艺过程，在无线连接恢复之后，重新发出更新数据。
这是非常流行的无线通讯应用，如果使用某种无线技术，比如900MHZ跳频扩频或者许可的超高频段，通过无线网络连接起来的设备之间的距离可达数千英尺、甚至几英里远。这些技术主要用于长距离、低速通讯领域，一般情况下为千比特的范围。它们具有鲁棒性和可靠性，有助于解决距离和障碍问题。有了这种类型的无线连接，就不必定期派人到现场去监视和控制设备了。
集中式控制：如果控制应用中存在一个集中控制设备，比如PLC或PC，来发送指令给远程设备，告诉它执行何种操作，那它就是所谓的集中式控制应用。一般情况，这些终端设备靠近主控设备，距离从几英尺到数千英尺不等。由于距离较近，而且很多类型的无线技术都可用于这种距离较短的应用场合，这样就为无线通信带来了机会。较短的距离就可以使用较高的频率和较宽的带宽。很多无线技术，诸如无线局域网（WLAN 或 Wi-Fi）、蓝牙、ZigBee等，都适用于短距离传输，可以具有较宽的带宽，数据传输率也在Mbps量级。
利用这些较宽的带宽，更多的设备可以通过网络连接到一起，消除了对电缆以及电缆槽的需求，降低了安装费用。这种类型的应用，对于关键程度的把握是重点。因为一般情况下，虽然终端设备没有智能化,但它们仍然需要与控制系统实时通讯，以便发送信息和接收指令。如果无线连接因为任何原因中断，都会造成系统停机或故障。
闭环控制：闭环控制是介于集中和分布式控制的混合体，增加了从传感器过来的反馈回路，从而可以将其与控制器的读数比较。像集中控制系统一样，由于控制系统中所做比较的数量以及时间要求，通讯的响应必须可靠、具有鲁棒性。
以家用烘干机为例。当选择某一温度来烘干衣物时，烘干机就加热到预先设定的温度并将烘干机的开状态保持一定的时间。在一个标准化、集中化的控制系统中，温度可能是正确的，但是无从了解这些，因为没有任何报告来显示烘干机内的实际温度。而在闭环控制系统中，在烘干机中配置有传感器来监视实际温度，并将这些数据回传给主控制器作比较，并作必要的调整。这就在系统内就可以实现更具针对性、更精确的测量。
为闭环系统增加无线网络时，首先要关注的就是远程传感器必须从主控制器中读取信息的重要性和频率。在某些应用中，反馈回路对于维持温度、流量和液位十分关键。好产品和不好产品的差别有时可能就差一个丢失的数据包（参见图1）。对于有些重要性一般的应用，如果在数秒或数分钟内，反馈回路没有采集数据，可能不会影响整个过程。这取决于实际应用。
图1：在关键的控制回路中，丢失一个数据包，就有可能生产出不合格产品。每个回路可能会需要通过其专用网络连接到控制器，也就是拥有专用路径。WLAN、蓝牙、ZigBee是最受欢迎的选择，尤其是在短距离传输场合，比如工厂车间。本文所有图片来源：菲尼克斯电气
对于非常关键的反馈回路，比如集中控制系统，WLAN、蓝牙、ZigBee是最受欢迎的无线技术，因为它们的传输量比较大（图2）。根据反馈回路关键程度的不同，每个回路可能会需要通过自己的网络连接到控制器，也就是说它拥有专用路径。
图2：WLAN 或Wi-Fi 的通讯速率最高可达300Mbps，使其成为重要反馈回路的最优选择。
闭环系统也适应于长距离应用场合。反馈回路不必靠近主控制器。然而，非常重要的一点是要明白从反馈回路到控制器所花的时间可能比较长（也许是数秒而不是毫秒）。只要在设计阶段已经考虑并且标准可以接受，那就没有理由不能做。
3 无线设计要素
以前，大多数控制类型的应用，使用的都是有线连接方式。随着无线技术接受度的不断提高，以及经验证的可靠性，越来越多的正在实施的控制系统使用无线技术（见图３）。为应用增加无线功能，可以帮助减少接线、维护安装和手动监测的成本。
图3：安装在车间的无线模块，需要忍受非常恶劣的环境。IP65保护，DIN导轨安装，以及范围广泛的温度探头等特性，可以确保严酷环境下的可靠性。
对于工厂内、短距离的应用，技术变得更具灵活性，所以增加多个专用无线连接所产生的费用，并不像以前那样价额高昂。有时候，距离比较短，但是铺设电缆的物理路径并不可行。其它情况下，虽然铺设电缆从技术上是可行的，但是费用高昂，这就意味着无线系统是最佳选择。
在控制应用中考虑无线网络时，非常重要的一点是，尽早将其设计到系统中，这样才不至于在安装期间或安装后给你地带来意外的“惊吓”。明确构建无线网络的目标，需求的意义，并确保所选择的产品能够按照期望的功能发挥作用。
在改造环境下增加无线网络时，建议无线系统与现有系统并列运行作为测试。
在改造环境下增加无线网络时，建议无线系统与现有系统并列运行作为测试。这样就给出了系统工作的基准，并留足时间确定该系统是否能正常工作。现在有很多种无线技术可供选择，在决策前与生产制造商联系，讨论应用、需求和可能的障碍，可以提高实施成功的可能性。（作者：Justin Shade）