汽车制造现场无线通信典型应用

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摘要：本文通过有线网络和无线网络的技术对比，阐明无线技术比之有线技术的技术优势及推广意义。并以目前在汽车制造现场应用的最为典型的三种无线通信形式（蜂窝Wi-Fi，波导通信，漏波电缆）为对象，重点阐述了各自不同的原理、硬件介质、适合的应用设备场景及不同的优缺点等技术特性，论证了无线网络比之有线网络更适应于目前智能化灵活生产的实际需求。

关键词：Wi-Fi；波导通信；漏波电缆

近年来，随着国家“中国制造2025”战略的提出及不断推进，在制造行业内，一线生产设备正逐步从自动化向更高端的智能化要求升级。尤其是在早已实现高度自动化的汽车制造行业，大量的智能化前沿技术正不断地被应用于实际现场。其中最典型的一个案例就是无线通信技术。借助于无线技术布局灵活，空间占用少，移动性高等特点，它已成为了现场数据采集、交换、上传、监控的首选方式，并且随着近几年无线技术自身的迅猛发展，先前一直被人们诟病及顾虑的稳定性与可靠性等性能也大大提高。因此比之布局较为固定死板的有线网络技术，更能满足目前汽车制造行业的实际现场需求。

1无线技术

1.1概述

依靠电磁波或红外线等作为载体在空气这一介质来传播信号。由于利用的是不可见的介质，外界干扰更容易对其产生影响，且人为防护措施较难有效实施，所以信号的损耗是相对有线来说更不可控些。因此对于稳定性和可靠性要求非常高的工业场合，在21世纪之前，无线网络技术应用的情况非常少，网络通信依靠的还是长长的有线。近几年，由于工业环境智能化水平的深入，现场对终端设备布局灵活性的需求不断增多，无线网络灵活的优势大大凸显了出来。另外根据工业环境对稳定性和可靠性方面的考量，几种特殊的无线技术方式通过研究与相关测试成为了成熟的应用与产品解决方案，被各国工程师接受。其稳定性与可靠性也不再是人们担心的问题。 

1.2分类

目前常见的工业级无线通信技术根据频率不同分为2.4GHz与5GHz两种，其与我们日常接触的民用无线以太网通信技术是类似的。C=λ*f其中C：光速、f：频率、λ：波长。从上述公式中可以看出光速一定，信号频率与波长成反比关系，频率越高，波长越多，波动特性就越不明显，波的干涉与衍射能力就越差。穿透障碍物后频率越高的波信号衰减得越厉害。因此在网络强度要求相同的情况下，2.4GHz网络覆盖范围要比5GHz更广，相等面积的环境需求中，2.4GHz网络所需的固定信号源相对较少，使用成本也相对低廉，是目前汽车行业主流的使用方案。当然一些高信号强度或者实时性要求比较高的场合，5GHz会是一个更好的方案。2.4GHz网络信道分布如图1。2.4G义上的频率并不是落在2.4GHz这个点上，而是从2.412~2.484GHz，共分为14个信道。信道，也称作频道、通道，是以无线信号作为传输载体的数据信号传输通道。每个信道的有效宽度是20MHz。从上图中可以每隔5个信道都是独立互不交叉的，故习惯上取1,6,11三个互不重叠的信道做为2.4GHz的信道进行架设。5GHz由于在国际上形成统一的标准较晚，属于一种新的协议，所以各个国家都使用不同的信道。每个信道的有效宽度也分为20MHz、40MHz、80MHz及160MHz，其互不干扰的信道较多，故不在这里详细描述特性了。以下将重点介绍三种目前在汽车行业中使用最多的无线Wi-Fi通信技术。

2传统开放式Wi-Fi

2.1技术原理概述

在汽车制造车间内，由一台或多台的无线AP(Access Point接入点)作为信号的固定发射端和接收端组成一个基本的无线网络架构，无线客户端安装在最终用户设备上，往往是移动的。同一网络使用同一SSID号，移动的无线客户端在若干个无线AP中通过漫游的方式进行数据切换。

2.2优点及缺点

优点：技术成熟简单，协议开放，初期投资成本低廉，并且调整改造灵活。缺点：容易受到外界干扰。无论是2.4GHz还是5GHz 开放式Wi-Fi，其传播介质都是空气，处于开放的状态，容易受到环境因素（温度、湿度及电磁信号）的干扰。且工业现场环境复杂，存在很多障碍物会阻挡到无线信号的传播。因此在无线网络架设的前期规划中需要考虑各方面的因素，并且在正式使用前还需要经过很多次的调试与修正方能达到最佳的效果。2.3典型应用案例Wi-Fi布局简单，无其他辅助安装工程量，适合于大范围无线网络的架设。目前汽车行业内，最典型的应用案例是车间内无人物流运输小车AGC的应用。

3波导通信

波导通信是一种较新颖的无线通信方式。其有别于我们常见的Wi-Fi模式，是一种专门应用在特殊传播环境下的无线通信方式。

3.1技术原理概述

波导通信的电磁波信号在一特殊的导轨中传播，信号频率在5-6GHz之间，由于是在特制环境中传播，所以不易受到外部其他无线信号的干扰，大大提高了稳定性和可靠性。上文所述的特殊导轨专业名称为Slotted rail即狭窄导轨(见图2所示)，在波导通信中作为信号的传播途径。在导轨的一端或者某处，接入一个5GHz的信号源，信号只会在这一狭窄导轨中进行传播，不会扩散至这一导轨以外的区域中。这样既不会干扰其他信号也不会被其他信号干扰。Communication antenna即通信天线，是接收信号的一个载体，内部由一些信号回路组成，它安装在实际移动的物体中，通过伸入slotted rail中，将导轨中的信号接收下来，传递给移动物体中的控制器中，从而实现无线通信。

3.2优点及缺点

优点：信号抗干扰能力强，稳定，网络延时少，适合应用于网络实时性要求高的场合。缺点：当然波导通信也有其明显的缺点——需要安装狭窄导轨，如此就会导致移动设备只能在固定的路径中移动，灵活性大大的降低。所以一旦由于生产需要，变化路径，那工程就比较复杂，周期也会延长，且核心技术都掌握在外国公司手中，成本相对开放式Wi-Fi来说较高。另外狭窄导轨还增加了不少的安装空间，对于在地面移动的设备来说并不十分适合。因此，另一种新的无线通信方式应允而生，很好地弥补了这两个短板，它就是漏波电缆。

3.3典型应用案例

波导通信最大的特点就是无线信号在狭窄导轨内传播，这也决定了该技术只能应用在移动路径固定的设备上，并且是在非地面区域。目前汽车生产环境中应用该技术最多的就是空中吊具EMS系统。

4漏波电缆

漏波电缆同波导通信一样也是一种有别于传统Wi-Fi样式的通信方式，目前市场上运用的最多的是由德国西门子公司开发的RCoax系列产品。近几年正逐步成为一种首选的主流无线通信方式。

4.1技术原理概述

如图3所示，在特殊电缆中等距开出若干条缝隙，无线信号就从缝隙中泄漏出来，通过空气向外传播。若干条缝隙就好比几根天线，信号强度会随着距离的增大而衰减，接收端离电缆越远，接收到的信号也越差。一般5GHz漏波电缆稳定的信号覆盖范围在30米左右的距离，信号最远可以到50米。安装在移动端上的接收设备在扫过这些电缆敷设的范围时，采集到这些泄漏出来的无线信号，将信号传送到控制器中，从而完成整个移动无线通信过程。

4.2优点及缺点

优点：信号强度稳定可靠性高，抗干扰能力强。缺点：受限电缆长度的原因，网络的覆盖空间范围较小，只能应用于活动范围固定且区域小的场合。由于漏波电缆不能被碾压，所以一般采取埋地使用的方式。这就需要做开槽等一系列工作，成本较高。且一旦敷设完成，更改起来比较复杂，也不容易维护。

4.3典型应用案例

漏波电缆在技术原理和形式上介于无线Wi-Fi和波导通信之间，因此其在应用方面可以与其他两种形式形成良好的互补。在汽车生产现场，目前应用的最典型的就是底盘拼装AGV移动小车区域。

5三种无线通信方式性能对比

图4表现的是以上所介绍的3种无线通信方式的信号强度与信号源距离变化之间的关系曲线图。绿色代表是直线狭窄导轨中的波导通信信号，蓝色是漏波电缆，棕红色则是传统开放式Wi-Fi。由图可见，波导通信在50米的范围内信号很稳定，波动很小。漏波和Wi-Fi信号波动很明显。波导在距离发射端50米的距离，信号强度只产生了很少的衰减，约5db。漏波和Wi-Fi都会随着距离的变大而产生明显的衰减。其中传统开放式Wi-Fi衰减得更厉害。可见从稳定性及可靠性来说。波导通信更胜于其他两种方式。因此漏波电缆长度基本不超过50米。而传统开放式Wi-Fi则会布局多个信号源在网络中，防止信号衰减。

6结语

本文给出了3种汽车行业典型无线应用技术的原理，优缺点及典型应用案例的介绍。可见在自动化往智能化转型的时代背景下，无线技术已经成为新种类设备用于通信的首选。其有着无可比拟的灵活及智能特性。随着无线稳定性及可靠性的不断提升，性能更加优良的无线技术会越来越多的应用于汽车行业。现场的传感器，动力设备等等越来越多的数据会上传到上层系统进行监控与诊断，甚至一些安全类设备，安全类信号会采用无线的形式。毫无疑问，汽车工业的“无线时代”已然来临。

参考文献：

[1]《SEW波导通信技术概述》SEW.

[2]《西门子漏波电缆技术管理及相关产品手册》.SIEMENS.

作者：傅敏 单位：上汽通用汽车有限公司整车制造工程部