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工业无线网络技术助力工业机器人智能互联——访中国科学院沈阳自动化研究所研究员梁炜


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走进中国科学院沈阳自动化研究所(以下简称“沈阳自动化所”)的科技成果展厅,“一面墙”立刻吸引了记者的目光,上面是研究所取得的机器人领域科技成果的奖状和证书,仿佛在告诉记者——这里是“中国机器人的摇篮”。
沈阳自动化所在中国机器人发展史上留下了浓墨重彩的印记,创造了20多项行业第一。1982年,中国首台工业机器人在沈阳自动化所“呱呱坠地”。海洋机器人、空间机器人、特种机器人、医疗康复机器人、微纳机器人……这些沈阳自动化所研发的机器人在满足国家重大战略需求、服务国民经济建设方面发挥了重要作用。
当上述令人兴奋甚至震撼的机器人应用在各大场景中落地时,其背后无线网络等高新技术的默默支撑功不可没。沈阳自动化所研究员梁炜在接受《中国电子报》记者采访时表示,机器人之间的协作需要“沟通和交流”,无线网络就像机器人的“耳朵和嘴巴”。
为机器人装上“耳朵和嘴巴”
随着越来越多的移动导引车(AGV)、搬运机器人等出现在工厂、车间和仓库里,这些可移动的智能机器人为工业生产增加了灵活性、便利性和高效性。这些机器人之间是如何实现信息传输,保证灵活运行的呢?
在梁炜的指引下,记者参观了工业无线控制技术成果展厅。众多无线控制盒子在墙面上构成复杂却清晰的链路——通过每个盒子的信号收发和智能链接,织造出实时可靠的工业无线网络,为工业自动化保驾护航。
在梁炜看来,工业无线网络就像给机器人装上了“耳朵和嘴巴”,让它们能够彼此识别,互联互通并智能协作。工业无线网络为工业企业提供数据采集、信息传输、现场控制及安全监测等服务。
但工业应用的特殊性要求网络满足高实时、高可靠的要求,也就是嘴巴能在该说话的时候准时说话,说话要清楚,耳朵要灵敏,能够准确接收,如果接收不到,会引发生产和人身事故,后果不堪设想。
“但是,工业环境对于无线网络技术来说比较苛刻,人员和机器的遮挡对于射频技术是不友好的,高温、高湿、高振动的环境,以及机器产生的射频噪声和干扰等,使得无线网络在现场环境下变成了‘哑巴’和‘聋子’,较难实现‘说得好,听得清’”。梁炜指出。
梁炜和团队研发的WIA-FA技术标准就是为了解决这个问题而设计的工业无线网络协议之一,使得面向离散制造业工厂自动化现场中像机器人这样的高并发传感器/执行器能够高实时、高可靠通信。
移动机器人是WIA-FA的“杀手级应用”
WIA-FA技术标准解决了工厂自动化有线网络所面临的布线与维护成本高、移动性与灵活性差等难题,在提升生产效率、提高产品质量、降低生产成本等方面将发挥重要作用,对推进制造业由传统大批量生产模式向工业4.0时代的个性化生产模式转变具有重要意义。
据悉,WIA-FA无线网络已经在很多企业中投入了应用,包括飞机、船舶、机器人、电子、物流、石油等,其中移动机器人是“杀手级应用”,与国内很多移动机器人厂家形成了长期合作关系。
梁炜表示,现阶段,具有移动特点的物流、分拣等移动机器人系统对于无线技术具有硬需求。WIA-FA无线网络技术可以满足这些系统的要求,在网络容量、实时性、可靠性等方面比传统无线系统都具有明显的优势,大大提升了这些系统的效率。
梁炜透露:“我们对WIA-FA的性能和应用效果非常自信。我们的用户大多是在实际中遇到其他技术无法解决的难题后,才找到我们的。”有一家企业的移动机器人采用之前的无线网络技术在实际应用中经常丢包,造成系统经常停机,无法正常运行。“我们针对他们的问题,结合现场实地测量,基于WIA-FA产品,制定了行之有效的解决方案,成功解决了该问题,后来这家公司在研制对性能要求更高的协作型移动机器人时,自然而然地就选用了我们的产品。”梁炜补充道。
我国WIA-FA技术国际领先
当前,工业自动化对于网络的需求比较苛刻。“工厂自动化属于高速控制应用,通常部署于较为狭小的车间内,一个加工单元的传感器/执行器通常为50~300个,密度可达0.2~1个/立方米,且设备可移动,最大速度可达5~6米/秒。无线网络的数据更新周期要小于10ms、可靠性要求高达99.99%以上。”梁炜向记者介绍说。
工业自动化的要求对无线网络提出了严峻的挑战。梁炜带领团队,十年磨一剑,攻克了无线技术面临的高并发接入、高实时通信、高可靠传输等挑战性难题,ABB、德国Pilz、工信部实验室等第三方测试表明WIA-FA达到了工厂自动化的上述指标。
梁炜向记者介绍:“WIA-FA技术是在基础通信技术的基础上,针对应用的特异性开展的专项研究。与5G/6G这种长距离的广域网技术相比,WIA-FA是面向工厂车间控制系统的短距离局域网技术,这项技术目前在满足车间级控制所要求的实时性、可靠性等方面要好于5G网络,整体技术水平国际领先。”
“工业自动化是我们所的主要研究方向之一,早年我国工业自动化领域的发展模式是依靠引进国外的先进技术与产品实现集成应用。由于不掌握核心技术,产业安全存在一定风险。”梁炜回忆道。
梁炜坦言:“标准之争其实是市场之争。谁掌握了标准,就意味着先行拿到市场的入场券,甚至成为行业的定义者。我们当时研究的初衷就是形成我们国家自主的工业无线标准。”
谈及近年来我国在工业无线网络标准化方面取得的成果,梁炜如数家珍。她向记者介绍道,2007年由中国科学院沈阳自动化研究所牵头,联合国内机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、浙江大学、北京科技大学、重庆邮电大学、浙大中控、新松、上自仪、川仪等几十家大学、研究所和公司,成立了中国工业无线联盟,开始了中国工业无线的研发。
“首先我们将目光投向石油、化工等流程工业,这些行业的工业自动化特点是生产过程变化缓慢,自动化系统主要以监视为主,控制过程较慢。2008年,我们制定了WIA-PA标准,这是国际上第二个流程工业的工业无线网络标准,到2011年,WIA-PA已成为国家标准和IEC国际标准,并实现了产业化。2012年,我们开始聚焦机器人、汽车、飞机、电子等离散制造业,其特点就是生产节奏快,以执行和控制为主,当时业界认为是个‘不可能完成的任务’,但是我们做到了,我们制定的WIA-FA标准于2015年成为国际上唯一面向离散制造业高速控制应用的IEC国际标准,表明我们在该领域的技术水平国际领先。”梁炜表示。
WIA-FA技术走出标准化产业化“加速度”
将WIA-FA等工业无线网络技术推向更广阔的市场,有助于工业自动化领域更大规模的应用。“我们作为技术和标准的研制者,这些科研成果就像我们的孩子,我们希望它们在产业革命中大展拳脚,推动产业发展。”说这番话时,梁炜有些动容。
梁炜也坦言,为实现更好的产业化和应用推广,作为核心技术提供者应该为产业链中的设备制造商和系统集成商提供更好的服务,在形成完整的产业生态中发挥作用。“同时,我们作为技术提供者,将进一步演进和迭代我们的研究工作,为产业提供强有力的核心技术支撑。”梁炜说。
不过科研人员也面临挑战。“我们现在最大的难题是还没有自己的芯片,这对产品成本、体积都有影响,也对产业化和产业安全等方面有影响,我们在芯片自研方面还有很长一段路要走。此外,随着应用领域越来越多,无线介质的开放性使得安全问题也极具挑战性,这也是我们后续研究的重点之一。”梁炜说。


责任编辑:谷月


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