無線通信網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展分析

近年來，無線網(wǎng)絡(luò)成為工控領(lǐng)域中迅速發(fā)展的熱點(diǎn)之一，也是工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品未來的新增長點(diǎn)。顯而易見，在配置、安裝、修改和擴(kuò)展等方面，無線網(wǎng)絡(luò)的成本都低于有線網(wǎng)絡(luò)。特別是通過無線網(wǎng)絡(luò)可以很方便地接入移動(dòng)設(shè)備，例如在物流過程中的裝載和運(yùn)輸如若采用無線網(wǎng)絡(luò)，將大大提高工作人員的工作效率和精確性。

實(shí)際上，作為一類針對某些特定應(yīng)用、采用專用通信協(xié)議的無線傳輸方案早已投用，也起到良好效果。而當(dāng)前發(fā)展的目標(biāo)是追求無線傳輸在工控領(lǐng)域的普遍應(yīng)用或成規(guī)模應(yīng)用必須解決的主要問題，即傳輸?shù)拇_定性、可互操作性、網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)投用的適應(yīng)性等，而決非個(gè)別的解決方案。因此，發(fā)展的方向首先是通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化。對于可用于現(xiàn)場設(shè)備層的無線短程網(wǎng)，采用的主流協(xié)議是才問世兩三年的IEEE 802.15.4/ZigBee；而對于適應(yīng)較大傳輸覆蓋面和較大信息傳輸量的無線局域網(wǎng)，采用的主流通信協(xié)議則是IEEE 802.11系列。

無線介質(zhì)不像有線介質(zhì)那樣處在一種受保護(hù)的傳輸環(huán)境之下。在傳輸過程中，它常常會(huì)衰變、中斷和發(fā)生各種各樣的缺陷，諸如頻散，多徑時(shí)延，干擾，與頻率有關(guān)的衰減、節(jié)點(diǎn)休眠、節(jié)點(diǎn)隱蔽和與安全有關(guān)的問題等等。不過這些影響無線傳輸質(zhì)量的因素，都可以通過在ISO通信7層模型的各層中采用適當(dāng)?shù)臋C(jī)制加以克服或減輕。要注意的是，并不是所有的機(jī)制都可以與其他的機(jī)制相兼容；或者說，有可能對關(guān)鍵性能和屬性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，通信系統(tǒng)必須根據(jù)其具體的應(yīng)用現(xiàn)實(shí)環(huán)境，對各層所采用的機(jī)制進(jìn)行組合優(yōu)化，以求得最好的綜合通信性能。

在解決了可靠、保密、克服干擾等問題后，又開發(fā)了支持這些無線通信協(xié)議的物理層和MAC層的收發(fā)器芯片，成本也進(jìn)一步下降。加之近些年來要求設(shè)備（包括移動(dòng)設(shè)備）的無線連接的呼聲日趨強(qiáng)烈，這也使得無線系統(tǒng)的增長呈指數(shù)增長，預(yù)示無線通信也實(shí)質(zhì)性地進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域。

現(xiàn)場層的無線通信

無線通信迅速進(jìn)入工控領(lǐng)域的現(xiàn)場設(shè)備層，以下是近年來若干有象征意義的行動(dòng)和產(chǎn)品，其中一個(gè)突破口是現(xiàn)場總線和無線通信技術(shù)的結(jié)合。

（1）2004年Honeywell推出基于ZigBee無線傳輸協(xié)議的無線變送器XYR 5000系列，可精確檢測表壓力、絕對壓力、溫度，還有專為能提供4-20mA接口的各種傳感器轉(zhuǎn)為無線輸出。

（2）OMRON推出無線連接DeviceNet現(xiàn)場總線主站W(wǎng)D30-ME和從站W(wǎng)D30-SE，最多可支持DI/DO各1600點(diǎn)的通信。已成功應(yīng)用于豐田汽車裝配線的控制系統(tǒng)中。

（3）德國schild knecht公司推出的無線Profibus-DP產(chǎn)品DE 3000系列，可在主站與多個(gè)從站之間建立無線鏈接。其使用的載頻為2.4GHz，數(shù)據(jù)包 187.5KB，無線通信協(xié)議分別是：IEEE 802.11b（數(shù)據(jù)傳輸率11Mbit），IEEE 802.11（數(shù)據(jù)傳輸率1Mbit），IEEE 802.15.1（數(shù)據(jù)傳輸率700Kbit）。

（4）美國ISA學(xué)會(huì)成立《SP100 用于自動(dòng)化的無線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》委員會(huì)，主要面向現(xiàn)場儀表和設(shè)備，著重在三方面制定標(biāo)準(zhǔn)：運(yùn)用無線技術(shù)的環(huán)境， 無線通信設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)的生命周期， 無線技術(shù)的應(yīng)用。據(jù)悉將在2006年一季度發(fā)表文本草案。

（5）HART通信基金會(huì)投資開發(fā)新的技術(shù)能力和工具，無線HART已成為開發(fā)重點(diǎn)，正在制定的新技術(shù)規(guī)范，要求HART無線通信技術(shù)保證支持產(chǎn)品的互操作性，與有線HART儀表的無縫連接，提升HART智能儀表的智能和可連接性。預(yù)計(jì)在2006年初完成規(guī)范草案，并與工業(yè)無線組織如ZigBee聯(lián)盟、SP 100無線委員會(huì)協(xié)調(diào)合作，以確保工作的連續(xù)性和均衡性。鑒于HART智能變送器是目前變送器應(yīng)用的主流（占壓力、差壓和溫度變送器銷售的96%），且用戶都對HART變送器抱有強(qiáng)烈信心，因此無線HART協(xié)議無疑具有極好的技術(shù)前景和商業(yè)前景。

順便指出，低功耗、高可靠性的工業(yè)級的無線變送器系列，其降低能耗的潛在能力已為美國政府能源部所看好。他們希望利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛而實(shí)時(shí)地跟蹤和監(jiān)測生產(chǎn)過程，主要針對鋼鐵、電解鋁等6個(gè)耗能大的行業(yè)，減少甚至杜絕跑冒滴漏，以獲得顯著的節(jié)能效果（能耗降低15%）。為此，2004年美國能源部投資一千萬美元與Honeywell公司簽訂一項(xiàng)合同，繼續(xù)深入開發(fā)XYR 5000系列產(chǎn)品。

為了在過程控制的環(huán)境下評估使用無線通信的可行性（包括通信的確定性，延長電池供電壽命的技術(shù)措施，采樣時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量與拓?fù)涞龋?，ABB利用美國Ember公司和挪威Chipcon公司的無線技術(shù)，在瑞典的Boliden加工廠等多個(gè)裝置中進(jìn)行了開環(huán)控制和閉環(huán)控制的試驗(yàn)。對于開環(huán)控制試驗(yàn)（如圖1），要求是通過無線傳輸非過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)，短數(shù)據(jù)包，低平均數(shù)據(jù)率，低功耗；具體應(yīng)用范圍有：設(shè)備管理、狀態(tài)檢測、預(yù)防性維護(hù)和服務(wù)應(yīng)用。結(jié)果證明ZigBee完全滿足要求。閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用的要求是：通過無線通信傳輸過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)，短數(shù)據(jù)包，低平均數(shù)據(jù)率，低功耗，短遲延，數(shù)據(jù)包傳送有保證；應(yīng)用范圍：制造自動(dòng)化，過程控制。試驗(yàn)證明：

（1）對于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)較少時(shí)，通過網(wǎng)狀拓?fù)溥M(jìn)行5次接力（hop），運(yùn)行結(jié)果很好，在延遲、穩(wěn)定性和功耗等方面均符合要求。

（2）節(jié)點(diǎn)密度對數(shù)據(jù)包的傳輸存在較大影響（如圖2 ）。節(jié)點(diǎn)在50個(gè)以內(nèi)，數(shù)據(jù)包時(shí)間間隔在30s以上丟包率1%以下。這表明如何讓節(jié)點(diǎn)密度、數(shù)據(jù)包間隔時(shí)間滿足應(yīng)用的要求，對ZigBee無線傳輸成功應(yīng)用于現(xiàn)場層設(shè)備是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。需要進(jìn)一步研究開發(fā)的問題有：在多跳網(wǎng)絡(luò)中保證合理的延遲，穩(wěn)健的控制算法（如為減少功耗，讓節(jié)點(diǎn)保持同步休眠的網(wǎng)絡(luò)同步算法）。

在現(xiàn)場層無線網(wǎng)絡(luò)中，同樣屬于無線短程網(wǎng)的IEC 802.15.4/ZigBee要比IEC 802.15.1/藍(lán)牙更具廣泛的應(yīng)用前景。這主要是基于以下三個(gè)原因：ZigBee的應(yīng)用開發(fā)門檻遠(yuǎn)低于藍(lán)牙，其最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件開發(fā)工作量僅為藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)開發(fā)的10%，其最簡單的RFD節(jié)點(diǎn)的軟件開發(fā)工作量僅為藍(lán)牙的2%；ZigBee的功耗遠(yuǎn)低于藍(lán)牙，這是因?yàn)榫桶l(fā)射的頻寬比來講，ZigBee為0.01，藍(lán)牙為0.99，即ZigBee的發(fā)射時(shí)間只占其周期的1%，而藍(lán)牙卻占99%；ZigBee的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量遠(yuǎn)多于藍(lán)牙。

目前能夠提供的收發(fā)器并可裝載IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議的芯片的主要有：美國的Freescale（MC13192，MC13193）、Ember（EM2420，EM250內(nèi)含16位微控制器內(nèi)核），挪威的Chipcon（CC2420、CC2430內(nèi)含8位51系列微控制器內(nèi)核）等。

綜上所述，我們可以描繪這樣一個(gè)無線傳輸在現(xiàn)場設(shè)備層開發(fā)應(yīng)用的全景，即從協(xié)議到芯片、從芯片到開發(fā)系統(tǒng)、從開發(fā)系統(tǒng)到樣機(jī)或產(chǎn)品開發(fā)、從樣機(jī)到無線傳輸系統(tǒng)、再從無線傳輸系統(tǒng)到工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)，一切都在積極有序地推進(jìn)著。

用于工業(yè)控制領(lǐng)域的無線局域網(wǎng)WLAN

一如以往所有的IT技術(shù)移植到工控應(yīng)用中來所采取的方法一樣，用于工業(yè)控制領(lǐng)域的無線局域網(wǎng)的基礎(chǔ)是IT行業(yè)的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。但必須在此基礎(chǔ)上充分考慮在工控應(yīng)用中的特別要求，開發(fā)滿足這些要求的技術(shù)、規(guī)范和行規(guī)。

WLAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11系列還在發(fā)展中，已完成的有：

除此而外，還有涉及安全的：802.11i 安全擴(kuò)展；涉及性能增強(qiáng)的：802.11e MAC層的QoS擴(kuò)展，802.11r快速漫游，802.11n 極高吞吐能力方式，802.11s 網(wǎng)狀聯(lián)網(wǎng)； 涉及投用和管理的： 802.11k 射頻資源管理，802.11t 無線性能預(yù)測，802.11v 無線網(wǎng)絡(luò)管理。

考慮到無線局域網(wǎng)在工業(yè)企業(yè)中的安全性和適用性問題，制造業(yè)的企業(yè)一度暫時(shí)放緩了建立無線局域網(wǎng)的步伐。2004年10月美國IDG公司的市場調(diào)研人員發(fā)現(xiàn)，在美國流程工業(yè)中53%的企業(yè)、離散型制造業(yè)中39%的企業(yè)程度不等地應(yīng)用了無線局域網(wǎng)技術(shù)。在這些應(yīng)用中很多是集中于物流的倉儲、運(yùn)輸和裝卸。估計(jì)在安全性問題很好解決后，在制造業(yè)領(lǐng)域中無線局域網(wǎng)的應(yīng)用將會(huì)迎來一個(gè)高潮。

工業(yè)WLAN比一般企業(yè)辦公和家庭應(yīng)用環(huán)境用的WLAN要求要高許多，可歸納如下：

（1）嚴(yán)格的延遲要求：用于現(xiàn)場設(shè)備要求延遲不大于10ms，用于運(yùn)動(dòng)控制不大于1ms，對于周期性的控制通信，使延遲時(shí)間的波動(dòng)減

至最小也是很重要的指標(biāo)。

（2） 確定性性能的保證：保證確定性是對任務(wù)執(zhí)行有嚴(yán)格保證的工業(yè)通信系統(tǒng)必備的特性。即使設(shè)備處于漫游狀態(tài)也有此要求，否則會(huì)喪失實(shí)時(shí)性能。

（3）支持大量設(shè)備掛網(wǎng)，并容許掛網(wǎng)設(shè)備的接入數(shù)量可隨機(jī)變化：工業(yè)WLAN的接入點(diǎn)約為數(shù)百個(gè)的數(shù)量級。若節(jié)點(diǎn)過多和接入的節(jié)點(diǎn)數(shù)有變化，有可能導(dǎo)致IEEE 802.11的MAC協(xié)議層效率太低。

（4）網(wǎng)絡(luò)安全的保證：滿足安全保密法規(guī)是工業(yè)WLAN的基本要求。包括防止黑客用戶的侵入及對這些接入點(diǎn)的檢測等。

（5）網(wǎng)絡(luò)投用的保證：由于運(yùn)行故障是不可接受的，因此對于有幾百個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的WLAN來講，要求網(wǎng)絡(luò)具有自投用功能，并能執(zhí)行無線配置和輔助節(jié)點(diǎn)位置的自動(dòng)搜索。

IEEE 802.11在技術(shù)上并不能提供確定性的保證，但在802.11e 中給出了在MAC層支持多傳輸介質(zhì)應(yīng)用及保證通信質(zhì)量QoS的擴(kuò)展。一方面解決了在MAC層的優(yōu)先級服務(wù)，另方面又通過輪詢規(guī)約（polling protocol）實(shí)現(xiàn)多介質(zhì)的通信調(diào)度。由于輪詢在本質(zhì)上具有確定性，因而可以避免由802.11的信道爭用和指數(shù)補(bǔ)償而造成的延遲。為了防止輪詢可能帶來的不良問題（如在需要發(fā)送的數(shù)據(jù)尚未形成之前輪詢信號已到，那么該數(shù)據(jù)的發(fā)送則不得不再等待一個(gè)輪詢周期），需要通過自適應(yīng)輪詢算法保證現(xiàn)場設(shè)備同步。

由此可見，雖然工業(yè)WLAN的市場容量相對較小，但性能要求卻很高。工業(yè)WLAN的產(chǎn)品應(yīng)靈活地通過軟件模塊實(shí)現(xiàn)802.11的分標(biāo)準(zhǔn)。如Siemens已問世的產(chǎn)品SCALANCE-W，就可提供工業(yè)QoS和快速漫游的解決方案。

無線信息傳輸主干網(wǎng)

圖3 通過無線信息主干網(wǎng)將無線現(xiàn)場短程網(wǎng)和有線現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)組合

由于ZigBee是短程網(wǎng)，不可能覆蓋整個(gè)廠區(qū)，加之原有的現(xiàn)場總線也很有效，所以設(shè)計(jì)了一種無線信息主干網(wǎng)系統(tǒng)。通過建立發(fā)射功率較大的無線信息主干網(wǎng)（WIB，Wireless Information Backbones），可將ZigBee傳感器的信息傳輸給各種掛在以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線上的物理設(shè)備（如圖3）。WIB的節(jié)點(diǎn)一方面是無線網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，另一方面又起著無線通信協(xié)議和其他有線通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換作用。實(shí)踐證明，采用1W的發(fā)射功率，WIB就可穿透多數(shù)的工廠和成套設(shè)備。這樣，ZigBee因其發(fā)射功率小、易受鋼結(jié)構(gòu)所衰減、傳輸距離短等固有問題，完全可以通過WIB予以解決（參見圖4和圖5）。而其低功耗、低成本、傳輸可靠性高、簡便實(shí)用等優(yōu)越性又可以充分被利用。

圖4 典型工廠的ZigBee無線傳感器覆蓋范圍

圖5 典型工廠的無線信息骨干網(wǎng)覆蓋范圍

采取這樣的技術(shù)路線，不但可將無線通信應(yīng)用于有線通信布線困難的場合，還可在一定程度上替代有線通信，以期在節(jié)省安裝成本和運(yùn)行成本方面收到可觀效果，還可提高檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)配置的靈活性。

概述性的結(jié)論

（1）無線傳輸進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的趨勢無可置疑。有人估計(jì)再過四五年，即2010年前，大多數(shù)儀表和自動(dòng)化產(chǎn)品都將嵌入無線傳輸?shù)墓δ?。由于無線現(xiàn)場儀表的優(yōu)點(diǎn)一定要體現(xiàn)在用電池長期供電上，所以一般來說無線傳輸不適用于高速控制的場合。但是實(shí)踐證明對大多數(shù)監(jiān)控和慢速控制場合，它足夠可靠；也就是說可以用在將近80%的自動(dòng)化和過程控制場合。

（2）無線技術(shù)首先會(huì)用在樓宇自動(dòng)化、自動(dòng)抄表、事故響應(yīng)、設(shè)備監(jiān)控SCADA系統(tǒng)、設(shè)備資產(chǎn)管理、診斷維護(hù)等。當(dāng)前較適宜應(yīng)用的行業(yè)可能有：物流過程（裝運(yùn)狀態(tài)監(jiān)控）、汽車制造、食品加工、制藥和流程行業(yè)（設(shè)備資產(chǎn)跟蹤、監(jiān)控、管理）等。

（3）用于工業(yè)控制的無線技術(shù)主要集中在無線局域網(wǎng)和無線短程網(wǎng)兩個(gè)方向。它們都具有相當(dāng)牢固和成熟的技術(shù)基礎(chǔ)，但為了適應(yīng)工業(yè)控制要求和環(huán)境，還需要專門的開發(fā)研究。

（4）現(xiàn)有現(xiàn)場總線的無線傳輸?shù)目尚行哉谠u估?；?a target="_blank">CAN的DeviceNet實(shí)現(xiàn)無線通信的確定性相對要容易，因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)包長度相當(dāng)小?，F(xiàn)已有產(chǎn)品問世，但尚未見正式規(guī)范。因此只能認(rèn)為這僅僅是個(gè)別的解決方案。相對而言，Profibus-DP的數(shù)據(jù)包長度相當(dāng)長（187KB），若要實(shí)現(xiàn)無線通信，只能通過IEEE 802.11（其帶寬為1Mb/s）、IEEE 802.11b（其帶寬為11Mb/s）或 IEEE 802.15.1（其帶寬為1～3Mb/s）而不能采用IEEE 802.15.4（其帶寬僅為20～250Kb/s），因而要保證傳輸?shù)拇_定性確有其難度。

（5）HART基金會(huì)已成立無線HART工作組，要求2006年初拿出規(guī)范草案，確定通過ZigBee實(shí)現(xiàn)HART的可行性。鑒于采用HART協(xié)議傳輸?shù)膬x表市場占有率高，絕對數(shù)量巨大，此動(dòng)向極為吸引業(yè)界關(guān)注。

（6）適應(yīng)各種不同應(yīng)用類型和要求的無線通信的標(biāo)準(zhǔn)，有的已經(jīng)頒布并被市場接受，有的還在制訂過程中，其發(fā)展和市場開發(fā)值得我們重視。

（7）應(yīng)該把無線通信看成是現(xiàn)有有線通信系統(tǒng)的一種發(fā)展和重要補(bǔ)充，決非一種替代。

責(zé)任編輯：gt