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无线通信网络在工控领域的应用现状及前景 |
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作者：上海工业自动化仪表研究所 彭瑜 |
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近年来，无线网络成为工控领域中迅速发展的热点之一，也是工业自动化产品未来的新增长点。显而易见，在配置、安装、修改和扩展等方面，无线网络的成本都低于有线网络。特别是通过无线网络可以很方便地接入移动设备，例如在物流过程中的装载和运输如若采用无线网络，将大大提高工作人员的工作效率和精确性。
实际上，作为一类针对某些特定应用、采用专用通信协议的无线传输方案早已投用，也起到良好效果。而当前发展的目标是追求无线传输在工控领域的普遍应用或成规模应用必须解决的主要问题，即传输的确定性、可互操作性、网络安全和网络投用的适应性等，而决非个别的解决方案。因此，发展的方向首先是通信协议的标准化。对于可用于现场设备层的无线短程网，采用的主流协议是才问世两三年的IEEE 802.15.4/ZigBee；而对于适应较大传输覆盖面和较大信息传输量的无线局域网，采用的主流通信协议则是IEEE 802.11系列。
无线介质不像有线介质那样处在一种受保护的传输环境之下。在传输过程中，它常常会衰变、中断和发生各种各样的缺陷，诸如频散，多径时延，干扰，与频率有关的衰减、节点休眠、节点隐蔽和与安全有关的问题等等。不过这些影响无线传输质量的因素，都可以通过在ISO通信7层模型的各层中采用适当的机制加以克服或减轻。要注意的是，并不是所有的机制都可以与其他的机制相兼容；或者说，有可能对关键性能和属性产生负面影响。因此，通信系统必须根据其具体的应用现实环境，对各层所采用的机制进行组合优化，以求得最好的综合通信性能。
在解决了可靠、保密、克服干扰等问题后，又开发了支持这些无线通信协议的物理层和MAC层的收发器芯片，成本也进一步下降。加之近些年来要求设备（包括移动设备）的无线连接的呼声日趋强烈，这也使得无线系统的增长呈指数增长，预示无线通信也实质性地进入工业控制领域。
现场层的无线通信
无线通信迅速进入工控领域的现场设备层，以下是近年来若干有象征意义的行动和产品，其中一个突破口是现场总线和无线通信技术的结合。
（1）2004年Honeywell推出基于ZigBee无线传输协议的无线变送器XYR 5000系列，可精确检测表压力、绝对压力、温度，还有专为能提供4-20mA接口的各种传感器转为无线输出。
（2）OMRON推出无线连接DeviceNet现场总线主站WD30-ME和从站WD30-SE，最多可支持DI/DO各1600点的通信。已成功应用于丰田汽车装配线的控制系统中。
（3）德国schild knecht公司推出的无线Profibus-DP产品DE 3000系列，可在主站与多个从站之间建立无线链接。其使用的载频为2.4GHz，数据包 187.5KB，无线通信协议分别是：IEEE 802.11b(数据传输率11Mbit)，IEEE 802.11(数据传输率1Mbit)，IEEE 802.15.1(数据传输率700Kbit)。
（4）美国ISA学会成立《SP100 用于自动化的无线系统标准》委员会，主要面向现场仪表和设备，着重在三方面制定标准：运用无线技术的环境， 无线通信设备和系统技术的生命周期， 无线技术的应用。据悉将在2006年一季度发表文本草案。
（5）HART通信基金会投资开发新的技术能力和工具，无线HART已成为开发重点，正在制定的新技术规范，要求HART无线通信技术保证支持产品的互操作性，与有线HART仪表的无缝连接，提升HART智能仪表的智能和可连接性。预计在2006年初完成规范草案，并与工业无线组织如ZigBee联盟、SP 100无线委员会协调合作，以确保工作的连续性和均衡性。鉴于HART智能变送器是目前变送器应用的主流（占压力、差压和温度变送器销售的96%），且用户都对HART变送器抱有强烈信心，因此无线HART协议无疑具有极好的技术前景和商业前景。
顺便指出，低功耗、高可靠性的工业级的无线变送器系列，其降低能耗的潜在能力已为美国政府能源部所看好。他们希望利用无线网络技术广泛而实时地跟踪和监测生产过程，主要针对钢铁、电解铝等6个耗能大的行业，减少甚至杜绝跑冒滴漏，以获得显著的节能效果（能耗降低15%）。为此，2004年美国能源部投资一千万美元与Honeywell公司签订一项合同，继续深入开发XYR 5000系列产品。
为了在过程控制的环境下评估使用无线通信的可行性（包括通信的确定性，延长电池供电寿命的技术措施，采样时间，网络的节点数量与拓扑等），ABB利用美国Ember公司和挪威Chipcon公司的无线技术，在瑞典的Boliden加工厂等多个装置中进行了开环控制和闭环控制的试验。对于开环控制试验（如图1），要求是通过无线传输非过程关键数据，短数据包，低平均数据率，低功耗；具体应用范围有：设备管理、状态检测、预防性维护和服务应用。结果证明ZigBee完全满足要求。闭环系统应用的要求是：通过无线通信传输过程关键数据，短数据包，低平均数据率，低功耗，短迟延，数据包传送有保证；应用范围：制造自动化，过程控制。试验证明：
（1）对于实时数据，当节点较少时，通过网状拓扑进行5次接力（hop），运行结果很好，在延迟、稳定性和功耗等方面均符合要求。
（2）节点密度对数据包的传输存在较大影响（如图2 ）。节点在50个以内，数据包时间间隔在30s以上丢包率1%以下。这表明如何让节点密度、数据包间隔时间满足应用的要求，对ZigBee无线传输成功应用于现场层设备是一个巨大挑战。需要进一步研究开发的问题有：在多跳网络中保证合理的延迟，稳健的控制算法（如为减少功耗，让节点保持同步休眠的网络同步算法）。
在现场层无线网络中，同样属于无线短程网的IEC 802.15.4/ZigBee要比IEC 802.15.1/蓝牙更具广泛的应用前景。这主要是基于以下三个原因：ZigBee的应用开发门槛远低于蓝牙，其最复杂的网络协调器节点的软件开发工作量仅为蓝牙节点开发的10%，其最简单的RFD节点的软件开发工作量仅为蓝牙的2%；ZigBee的功耗远低于蓝牙，这是因为就发射的频宽比来讲，ZigBee为0.01，蓝牙为0.99，即ZigBee的发射时间只占其周期的1%，而蓝牙却占99%；ZigBee的网络节点容量远多于蓝牙。
目前能够提供的收发器并可装载IEEE 802.15.4/ZigBee协议的芯片的主要有：美国的Freescale（MC13192，MC13193）、Ember（EM2420，EM250内含16位微控制器内核），挪威的Chipcon（CC2420、CC2430内含8位51系列微控制器内核）等。
综上所述，我们可以描绘这样一个无线传输在现场设备层开发应用的全景，即从协议到芯片、从芯片到开发系统、从开发系统到样机或产品开发、从样机到无线传输系统、再从无线传输系统到工业应用试验，一切都在积极有序地推进着。
用于工业控制领域的无线局域网WLAN
一如以往所有的IT技术移植到工控应用中来所采取的方法一样，用于工业控制领域的无线局域网的基础是IT行业的无线局域网标准。但必须在此基础上充分考虑在工控应用中的特别要求，开发满足这些要求的技术、规范和行规。
WLAN标准IEEE 802.11系列还在发展中，已完成的有：
除此而外，还有涉及安全的：802.11i 安全扩展；涉及性能增强的：802.11e MAC层的QoS扩展，802.11r快速漫游，802.11n 极高吞吐能力方式，802.11s 网状联网； 涉及投用和管理的： 802.11k 射频资源管理，802.11t 无线性能预测，802.11v 无线网络管理。
考虑到无线局域网在工业企业中的安全性和适用性问题，制造业的企业一度暂时放缓了建立无线局域网的步伐。2004年10月美国IDG公司的市场调研人员发现，在美国流程工业中53%的企业、离散型制造业中39%的企业程度不等地应用了无线局域网技术。在这些应用中很多是集中于物流的仓储、运输和装卸。估计在安全性问题很好解决后，在制造业领域中无线局域网的应用将会迎来一个高潮。
工业WLAN比一般企业办公和家庭应用环境用的WLAN要求要高许多，可归纳如下：
（1）严格的延迟要求：用于现场设备要求延迟不大于10ms，用于运动控制不大于1ms，对于周期性的控制通信，使延迟时间的波动减至最小也是很重要的指标。
（2） 确定性性能的保证：保证确定性是对任务执行有严格保证的工业通信系统必备的特性。即使设备处于漫游状态也有此要求，否则会丧失实时性能。
（3）支持大量设备挂网，并容许挂网设备的接入数量可随机变化：工业WLAN的接入点约为数百个的数量级。若节点过多和接入的节点数有变化，有可能导致IEEE 802.11的MAC协议层效率太低。
（4）网络安全的保证：满足安全保密法规是工业WLAN的基本要求。包括防止黑客用户的侵入及对这些接入点的检测等。
（5）网络投用的保证：由于运行故障是不可接受的，因此对于有几百个设备节点的WLAN来讲，要求网络具有自投用功能，并能执行无线配置和辅助节点位置的自动搜索。
IEEE 802.11在技术上并不能提供确定性的保证，但在802.11e 中给出了在MAC层支持多传输介质应用及保证通信质量QoS的扩展。一方面解决了在MAC层的优先级服务，另方面又通过轮询规约（polling protocol）实现多介质的通信调度。由于轮询在本质上具有确定性，因而可以避免由802.11的信道争用和指数补偿而造成的延迟。为了防止轮询可能带来的不良问题（如在需要发送的数据尚未形成之前轮询信号已到，那么该数据的发送则不得不再等待一个轮询周期），需要通过自适应轮询算法保证现场设备同步。
由此可见，虽然工业WLAN的市场容量相对较小，但性能要求却很高。工业WLAN的产品应灵活地通过软件模块实现802.11的分标准。如Siemens已问世的产品SCALANCE-W，就可提供工业QoS和快速漫游的解决方案。
无线信息传输主干网
由于ZigBee是短程网，不可能覆盖整个厂区，加之原有的现场总线也很有效，所以设计了一种无线信息主干网系统。通过建立发射功率较大的无线信息主干网（WIB，Wireless Information Backbones），可将ZigBee传感器的信息传输给各种挂在以太网、现场总线上的物理设备（如图3）。
图3 通过无线信息主干网将无线现场短程网和有线现场总线、以太网组合
WIB的节点一方面是无线网络上的一个节点，另一方面又起着无线通信协议和其他有线通信协议的转换作用。实践证明，采用1W的发射功率，WIB就可穿透多数的工厂和成套设备。这样，ZigBee因其发射功率小、易受钢结构所衰减、传输距离短等固有问题，完全可以通过WIB予以解决（参见图4和图5）。而其低功耗、低成本、传输可靠性高、简便实用等优越性又可以充分被利用。
图4 典型工厂的ZigBee无线传感器覆盖范围
图5 典型工厂的无线信息骨干网覆盖范围
采取这样的技术路线，不但可将无线通信应用于有线通信布线困难的场合，还可在一定程度上替代有线通信，以期在节省安装成本和运行成本方面收到可观效果，还可提高检测系统和控制系统配置的灵活性。
概述性的结论
（1）无线传输进入工业控制领域的趋势无可置疑。有人估计再过四五年，即2010年前，大多数仪表和自动化产品都将嵌入无线传输的功能。由于无线现场仪表的优点一定要体现在用电池长期供电上，所以一般来说无线传输不适用于高速控制的场合。但是实践证明对大多数监控和慢速控制场合，它足够可靠；也就是说可以用在将近80%的自动化和过程控制场合。
（2）无线技术首先会用在楼宇自动化、自动抄表、事故响应、设备监控SCADA系统、设备资产管理、诊断维护等。当前较适宜应用的行业可能有：物流过程（装运状态监控）、汽车制造、食品加工、制药和流程行业（设备资产跟踪、监控、管理）等。
（3）用于工业控制的无线技术主要集中在无线局域网和无线短程网两个方向。它们都具有相当牢固和成熟的技术基础，但为了适应工业控制要求和环境，还需要专门的开发研究。
（4）现有现场总线的无线传输的可行性正在评估。基于CAN的DeviceNet实现无线通信的确定性相对要容易，因为其数据包长度相当小。现已有产品问世，但尚未见正式规范。因此只能认为这仅仅是个别的解决方案。相对而言，Profibus-DP的数据包长度相当长（187KB），若要实现无线通信，只能通过IEEE 802.11(其带宽为1Mb/s)、IEEE 802.11b（其带宽为11Mb/s）或 IEEE 802.15.1（其带宽为1～3Mb/s）而不能采用IEEE 802.15.4（其带宽仅为20～250Kb/s），因而要保证传输的确定性确有其难度。
（5）HART基金会已成立无线HART工作组，要求2006年初拿出规范草案，确定通过ZigBee实现HART的可行性。鉴于采用HART协议传输的仪表市场占有率高，绝对数量巨大，此动向极为吸引业界关注。
（6）适应各种不同应用类型和要求的无线通信的标准，有的已经颁布并被市场接受，有的还在制订过程中，其发展和市场开发值得我们重视。
（7）应该把无线通信看成是现有有线通信系统的一种发展和重要补充，决非一种替代。(end)
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(3/9/2006) |
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