《中國電子報》(2023.05.05):工業無線網絡技術助力工業機器人智能互聯——訪中國科學院沈陽自動化研究所研究員梁煒

發布時間:2023-05-06

  
  走進中國科學院沈陽自動化研究所(以下簡稱“沈陽自動化所”)的科技成果展廳,“一面墻”立刻吸引了記者的目光,上面是研究所取得的機器人領域科技成果的獎狀和證書,仿佛在告訴記者——這里是“中國機器人的搖籃”。

  沈陽自動化所在中國機器人發展史上留下了濃墨重彩的印記,創造了20多項行業第一。1982年,中國首臺工業機器人在沈陽自動化所“呱呱墜地”。海洋機器人、空間機器人、特種機器人、醫療康復機器人、微納機器人……這些沈陽自動化所研發的機器人在滿足國家重大戰略需求、服務國民經濟建設方面發揮了重要作用。

  當上述令人興奮甚至震撼的機器人應用在各大場景中落地時,其背后無線網絡等高新技術的默默支撐功不可沒。沈陽自動化所研究員梁煒在接受《中國電子報》記者采訪時表示,機器人之間的協作需要“溝通和交流”,無線網絡就像機器人的“耳朵和嘴巴”。

  為機器人裝上“耳朵和嘴巴”

  隨著越來越多的移動導引車(AGV)、搬運機器人等出現在工廠、車間和倉庫里,這些可移動的智能機器人為工業生產增加了靈活性、便利性和高效性。這些機器人之間是如何實現信息傳輸,保證靈活運行的呢?

  在梁煒的指引下,記者參觀了工業無線控制技術成果展廳。眾多無線控制盒子在墻面上構成復雜卻清晰的鏈路——通過每個盒子的信號收發和智能鏈接,織造出實時可靠的工業無線網絡,為工業自動化保駕護航。

  在梁煒看來,工業無線網絡就像給機器人裝上了“耳朵和嘴巴”,讓它們能夠彼此識別,互聯互通并智能協作。工業無線網絡為工業企業提供數據采集、信息傳輸、現場控制及安全監測等服務。

  但工業應用的特殊性要求網絡滿足高實時、高可靠的要求,也就是嘴巴能在該說話的時候準時說話,說話要清楚,耳朵要靈敏,能夠準確接收,如果接收不到,會引發生產和人身事故,后果不堪設想。

  “但是,工業環境對于無線網絡技術來說比較苛刻,人員和機器的遮擋對于射頻技術是不友好的,高溫、高濕、高振動的環境,以及機器產生的射頻噪聲和干擾等,使得無線網絡在現場環境下變成了‘啞巴’和‘聾子’,較難實現‘說得好,聽得清’”。梁煒指出。

  梁煒和團隊研發的WIA-FA技術標準就是為了解決這個問題而設計的工業無線網絡協議之一,使得面向離散制造業工廠自動化現場中像機器人這樣的高并發傳感器/執行器能夠高實時、高可靠通信。

  移動機器人是WIA-FA的“殺手級應用”

  WIA-FA技術標準解決了工廠自動化有線網絡所面臨的布線與維護成本高、移動性與靈活性差等難題,在提升生產效率、提高產品質量、降低生產成本等方面將發揮重要作用,對推進制造業由傳統大批量生產模式向工業4.0時代的個性化生產模式轉變具有重要意義。

  據悉,WIA-FA無線網絡已經在很多企業中投入了應用,包括飛機、船舶、機器人、電子、物流、石油等,其中移動機器人是“殺手級應用”,與國內很多移動機器人廠家形成了長期合作關系。

  梁煒表示,現階段,具有移動特點的物流、分揀等移動機器人系統對于無線技術具有硬需求。WIA-FA無線網絡技術可以滿足這些系統的要求,在網絡容量、實時性、可靠性等方面比傳統無線系統都具有明顯的優勢,大大提升了這些系統的效率。

  梁煒透露:“我們對WIA-FA的性能和應用效果非常自信。我們的用戶大多是在實際中遇到其他技術無法解決的難題后,才找到我們的?!庇幸患移髽I的移動機器人采用之前的無線網絡技術在實際應用中經常丟包,造成系統經常停機,無法正常運行?!拔覀冡槍λ麄兊膯栴},結合現場實地測量,基于WIA-FA產品,制定了行之有效的解決方案,成功解決了該問題,后來這家公司在研制對性能要求更高的協作型移動機器人時,自然而然地就選用了我們的產品?!绷簾樠a充道。

  我國WIA-FA技術國際領先

  當前,工業自動化對于網絡的需求比較苛刻?!肮S自動化屬于高速控制應用,通常部署于較為狹小的車間內,一個加工單元的傳感器/執行器通常為50~300個,密度可達0.2~1個/立方米,且設備可移動,最大速度可達5~6米/秒。無線網絡的數據更新周期要小于10ms、可靠性要求高達99.99%以上?!绷簾樝蛴浾呓榻B說。

  工業自動化的要求對無線網絡提出了嚴峻的挑戰。梁煒帶領團隊,十年磨一劍,攻克了無線技術面臨的高并發接入、高實時通信、高可靠傳輸等挑戰性難題,ABB、德國Pilz、工信部實驗室等第三方測試表明WIA-FA達到了工廠自動化的上述指標。

  梁煒向記者介紹:“WIA-FA技術是在基礎通信技術的基礎上,針對應用的特異性開展的專項研究。與5G/6G這種長距離的廣域網技術相比,WIA-FA是面向工廠車間控制系統的短距離局域網技術,這項技術目前在滿足車間級控制所要求的實時性、可靠性等方面要好于5G網絡,整體技術水平國際領先?!?/p>

  “工業自動化是我們所的主要研究方向之一,早年我國工業自動化領域的發展模式是依靠引進國外的先進技術與產品實現集成應用。由于不掌握核心技術,產業安全存在一定風險?!绷簾樆貞浀?。

  梁煒坦言:“標準之爭其實是市場之爭。誰掌握了標準,就意味著先行拿到市場的入場券,甚至成為行業的定義者。我們當時研究的初衷就是形成我們國家自主的工業無線標準?!?/p>

  談及近年來我國在工業無線網絡標準化方面取得的成果,梁煒如數家珍。她向記者介紹道,2007年由中國科學院沈陽自動化研究所牽頭,聯合國內機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所、浙江大學、北京科技大學、重慶郵電大學、浙大中控、新松、上自儀、川儀等幾十家大學、研究所和公司,成立了中國工業無線聯盟,開始了中國工業無線的研發。

  “首先我們將目光投向石油、化工等流程工業,這些行業的工業自動化特點是生產過程變化緩慢,自動化系統主要以監視為主,控制過程較慢。2008年,我們制定了WIA-PA標準,這是國際上第二個流程工業的工業無線網絡標準,到2011年,WIA-PA已成為國家標準和IEC國際標準,并實現了產業化。2012年,我們開始聚焦機器人、汽車、飛機、電子等離散制造業,其特點就是生產節奏快,以執行和控制為主,當時業界認為是個‘不可能完成的任務’,但是我們做到了,我們制定的WIA-FA標準于2015年成為國際上唯一面向離散制造業高速控制應用的IEC國際標準,表明我們在該領域的技術水平國際領先?!绷簾槺硎?。

  WIA-FA技術走出標準化產業化“加速度”

  將WIA-FA等工業無線網絡技術推向更廣闊的市場,有助于工業自動化領域更大規模的應用?!拔覀冏鳛榧夹g和標準的研制者,這些科研成果就像我們的孩子,我們希望它們在產業革命中大展拳腳,推動產業發展?!闭f這番話時,梁煒有些動容。

  梁煒也坦言,為實現更好的產業化和應用推廣,作為核心技術提供者應該為產業鏈中的設備制造商和系統集成商提供更好的服務,在形成完整的產業生態中發揮作用?!巴瑫r,我們作為技術提供者,將進一步演進和迭代我們的研究工作,為產業提供強有力的核心技術支撐?!绷簾樥f。

  不過科研人員也面臨挑戰?!拔覀儸F在最大的難題是還沒有自己的芯片,這對產品成本、體積都有影響,也對產業化和產業安全等方面有影響,我們在芯片自研方面還有很長一段路要走。此外,隨著應用領域越來越多,無線介質的開放性使得安全問題也極具挑戰性,這也是我們后續研究的重點之一?!绷簾樥f。

  作者丨盧夢琪

  編輯丨邱江勇

  美編丨馬利亞

  監制丨趙晨


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