無線工控解決方案

　　這次會議，主旨報告較為全面地反映了當前世界工控領(lǐng)域無線通信的一些主要技術(shù)與解決方案，討論也非常熱烈，由于篇幅所限，本文僅從下述3方面反映會議的精彩一角。

一　發(fā)展動向

1. 技術(shù)在發(fā)展

　　無線網(wǎng)絡技術(shù)按距離與標準可分為：WWAN(無線廣域網(wǎng)，IEEE802.22)，WMAA(無線域域網(wǎng)，IEEE802.20，802.16)，WLAN(無線局域網(wǎng)，IEEE802.11)，WPAN(無線個域網(wǎng)/短程網(wǎng)，IEEE802.15)。

　　在我們周圍有哪些無線系統(tǒng)？
　　彭瑜先生介紹，正在發(fā)展的一些無線傳輸技術(shù)有：無線交換技術(shù)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡技術(shù)以及智能天線等。正在發(fā)展的一些無線傳輸標準為：(1)ZigBee(IEEE802.15.4)：它具有特長的電池壽命，很適合工業(yè)自動化、家用電器與傳感器網(wǎng)絡應用；(2)超寬帶(UWB，IEEE802.15.3a，802.15.4a)：美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)為其開放無須申請的自由寬帶頻率范圍為3.1~10.6GHz，無射頻載波，低成本，低功耗，非直線傳輸，在低傳輸速率模式，可用于一個重要的工業(yè)市場----位置感知(2cm~20m范圍內(nèi))；(3)WiMax(IEEE802.16，Intel提出)：適于住宅區(qū)/經(jīng)營性建筑的長距離(≥1km)射頻鏈接，有較高數(shù)據(jù)傳輸率(在20MHz信道約70mb/s)，也可用于大型工業(yè)部署，今年將有商品問世。

　　對于工控界關(guān)注的新技術(shù)ZigBee，凌志誥先生介紹，它是一種低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術(shù)，主要用于近距離的無線連接，理論上可連接的節(jié)點多達65000個，使用頻段有2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段以及美國的915MHz頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個。ZigBee與IEEE802.15.4不完全等同，后者僅處理物理層(PHY)和媒體存取控制(MAL)層協(xié)議，而ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡層和應用層協(xié)議進行了標準化，用戶層由用戶自定義。PHY層采用直接序列擴頻(DSSS)技術(shù)，以化整為零的方式，將一個信號分為多個信號，再經(jīng)由編碼方式傳送信號，以避免干擾。在MAC層方面，主要是沿用WLAN中IEEE802.11系列標準的CSMA/CA方式，以提高系統(tǒng)的兼容性。目前世界上能提供ZigBee軟硬件產(chǎn)品的廠商有：(1)在硬件方面：挪威半導體公司Chipcon推出全球首顆面市并符合802.15.4規(guī)范的2.4GHz射頻收發(fā)器芯片CC2420(搭配AtmelAVR 8 bit微處理器)后，于2005年第三季度又推出一顆型號為CC2430的系統(tǒng)芯片(SOC)，包含RF與微處理、存儲器，大大降低了未來ZigBee相關(guān)產(chǎn)品的成本，并可簡化設計產(chǎn)品周期。Motorola公司的下屬企業(yè)Freescale公司也推出2.4GHz的RF芯片，有3種型號：MC13191、MC13192、MC13193。(2)在軟件方面：國際上已有Ember、AirBee、Figure 8 Wireless(F8W)等公司可提供ZigBee軟件。其中已被chipcon收購的F8W公司的Z-stack是其開發(fā)的ZigBee套裝軟件的重要部分，使得Chipcon成為ZigBee完全解決方案的供應商。Freescale公司也是搭配F8W的Z-stack。這樣，這兩家的ZigBee芯片加Z-stack已成為認證ZigBee產(chǎn)品的黃金平臺。目前，只有具有這類平臺、符合801.15.4協(xié)議、經(jīng)ZigBee聯(lián)盟評定的產(chǎn)品，才能貼上ZigBee產(chǎn)品的標簽。

2. 標準在制定

　　IEEE已針對不同的無線通信技術(shù)制定了一系列涉及到網(wǎng)絡、安全、應用方面的通用軟件協(xié)議?，F(xiàn)在，已有一些國際組織正在考慮制定工業(yè)標準，彭瑜先生介紹，美國儀表、系統(tǒng)和自動化學會(ISA)的ISP SP100標準委員會正在加緊制定自動化和控制環(huán)境下實現(xiàn)無線系統(tǒng)的標準。計劃著重從3方面制定標準：運用無線技術(shù)的環(huán)境，無線通信設備和系統(tǒng)的生命周期，無線技術(shù)的應用。SP100將盡可能應用現(xiàn)有標準(如ISA SP99----信息安全、IEEE1451----智能傳感器、ISO/OSI網(wǎng)絡互連的7層模型等)并有所提高，力爭促進新技術(shù)的發(fā)展和應用、無線網(wǎng)絡節(jié)點的合理部署、保證供應商與用戶受益。

　　彭瑜先生介紹，為了使無線產(chǎn)品供應商有一致的規(guī)范，現(xiàn)在ISA SP100已規(guī)定了自動化和控制環(huán)境下的6類應用：第0類(安全類)：恒為關(guān)鍵的緊急行動，包括安全聯(lián)鎖緊急停車、自動消防控制等；第1類(控制類)：關(guān)鍵的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，一般均為關(guān)鍵回路，如現(xiàn)場執(zhí)行器的直接控制，頻繁的串級控制等；第2類(控制類)：經(jīng)常的非關(guān)鍵閉環(huán)監(jiān)頻控制、多變量控制、優(yōu)化控制等；第3類(控制類)：開環(huán)控制，是指在回路中有人在起著作用；第4類(監(jiān)測監(jiān)控類)：標記產(chǎn)生短期操作結(jié)果，是指通過無線傳輸那些只在短時間內(nèi)產(chǎn)生操作結(jié)果的數(shù)據(jù)的消息；第5類(監(jiān)測監(jiān)控類)：記錄和下載/上載不產(chǎn)生直接的操作結(jié)果，例如歷史數(shù)據(jù)的采集，為預防性維護而必須進行的周期性采集的數(shù)據(jù)，事件順序記錄(SOE)數(shù)據(jù)的上傳等。

　　英國石油公司的首席技術(shù)官指出：實際對這些類別(不包括0類)的應用需求，大致比例為1:2:4:10:10?？梢?，在自動化和控制環(huán)境下，無線通信技術(shù)的應用，大多屬于3~5類。

3. 廠商在努力

　　為了滿足無線工控潛在市場的需求，廠商已經(jīng)做了大量的試驗研究和開發(fā)工作。在這方面彭瑜先生作了詳細的介紹：

(1)歐洲無線工控應用項目(RONES)

　　2004年10月至2005年4月，歐洲集中25個組織(包括大小公司和研究所)制定了一個名為RONES、在未來10內(nèi)無線技術(shù)在工業(yè)控制和自動化方面發(fā)展應用的開發(fā)路線圖。他們認為無線網(wǎng)絡為工業(yè)系統(tǒng)安裝和運行的高度靈活性及成本優(yōu)勢創(chuàng)造了機會，應及時而牢固地抓住機遇不放。其目標是：通過采用無線技術(shù)，到2008年將安裝成本降低50%，運行成本降低30%；到2014年將安裝成本降低80%，運行成本降低50%。

(2)無線HART協(xié)議正在積極開發(fā)

　　據(jù)ARC統(tǒng)計，目前世界上已安裝的現(xiàn)場儀表約4000多萬臺，其中采用4~20mA信號的約48%，采用HART的約26%，采用氣動信號的約13%，采用現(xiàn)場總線的僅1%。因此，HART基金會(HCF)決定開發(fā)無線HART協(xié)議意義重大，現(xiàn)已成立無線工作組正在制定技術(shù)規(guī)范，目標是：無線HART協(xié)議應該具有目前有線HART協(xié)議能夠解決的所有應用，即可滿足SP100規(guī)定的0~5類全部應用要求。工作組曾考慮過采用ZigBee，但在審視了無線HART的全部技術(shù)要求后決定不采用，這是國灰ZigBee的RFD(簡約功能設備)功耗低不能處理網(wǎng)格網(wǎng)絡的路由問題，若要解決這一問題每個節(jié)點必須處于一直工作狀態(tài)不能休眠，這樣功耗大，要實現(xiàn)低功耗難。原計劃今年6月制定出無線HART規(guī)范，目前我們還未收到規(guī)范文件(上海工業(yè)自動化儀表研究所參加HCF)。

(3)Honeywell等公司推出無線工控產(chǎn)品

　　2003年Honeywell推出采用ZigBee無線網(wǎng)絡技術(shù)的XYR5000系列奕送器，它包括精確監(jiān)測壓力、絕對壓力、溫度、超聲波噪聲以及檢測蒸汽和氣體泄漏的設備，該系列產(chǎn)品也有模擬輸入接口，能使有線設備有無線工作的能力，與控制系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集裝置相連的每個基站無線電臺能接收多達50臺變送器傳送來的無線信號。2004年美國能源部(DOE)投資1000萬美元，與Honeywell簽約繼續(xù)開發(fā)XYR5000，DOE希望通過采用這一技術(shù)，在鋼鐵、電解鋁以及其他6個行業(yè)中，減少跑冒滴漏，把能源消耗降低15%，并達到嚴酷的工業(yè)控制應用級別：XYR5000適用于危險區(qū)域、遠方控制、人難以接觸的位置進行自動控制。目前該產(chǎn)品載波頻率為915MHz只適合美國使用，尚無適用于全球使用的2.4GHz產(chǎn)品。

　　OMRON已推出無線鏈接DeviceNet現(xiàn)場總線的主站W(wǎng)D30-ME和從站W(wǎng)D30-SE，最多可支持DI/DO各1600點的通信，已成功應用于本田汽車裝配線的控制系統(tǒng)中。

　　德國SchildKnecht公司推出無線Profibus-DP產(chǎn)品DE3000系列，可在主站與多個從站之間建立無線鏈接，其使用載頻為2.4GHz，數(shù)據(jù)包187.5kB，主站與從站采用的無線通信協(xié)議分別是WLAN(IEEE802.11b、11Mb/s，802.11、1Mb/s)與WPAN(802.15.1, 700kb/s)。

(4)ABB等公司進行現(xiàn)場設備層無線通信實驗

　　ABB公司在瑞典的Boliden加工廠利用Ember的無線技術(shù)進行了無線通信的評估試驗，要求是：通過無線通信傳輸非過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)、短數(shù)據(jù)包，低平均數(shù)據(jù)率，低功耗。具體應用范圍有：設備管理、狀態(tài)檢測、預防性維護和服務應用。結(jié)果證明ZigBee安全滿足開環(huán)系統(tǒng)的應用要求；但ZigBee現(xiàn)有技術(shù)在閉環(huán)控制中應用有問題。

　　英國石油公司(Bp)進行了許多無線應用實驗，結(jié)果證明無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(Motes)能給BP帶來巨大利益。但大部分BP的工業(yè)現(xiàn)場要求本質(zhì)安全等級的設備，而目前世界上不完本質(zhì)安全的無線工控產(chǎn)品。

(5)Invensys宣布其無線通信在工業(yè)應用中的策略

　　該策略是：通過建立獨特而廣泛的管理網(wǎng)絡實現(xiàn)其應用要求，即集中研究對所有無線設備使用共享接入點技術(shù)，并對所有無線頻率和通信協(xié)議使用共用的數(shù)據(jù)和信息安全模型。這種策略的目的是：為所有工業(yè)和企業(yè)的無線應用，提供適當水平的集成、穩(wěn)健性和信息安全的基礎保證。Invensys期望的無線應用解決方案(不考慮SP100的0類與1類應用)包括：過程優(yōu)化、設備管理、實時裝置狀態(tài)監(jiān)控、能源管理、人員跟蹤、企業(yè)管理等。Invensys現(xiàn)正在對北美的幾個大型化工企業(yè)集團做現(xiàn)場調(diào)研，若其研究的無線網(wǎng)絡策略實現(xiàn)，將會使用戶顯著節(jié)省成本，會使通過無線網(wǎng)絡取得的數(shù)據(jù)容易地與資產(chǎn)管理軟件整合，而標準化的安全模型有助于有效管理無線網(wǎng)絡，使它保持在一個適當?shù)男畔踩托阅芩健?/P>

二　應用案例

1. 西門子案例

　　張惠梁先生介紹，西門子無線產(chǎn)品與有線的分布式I/O、Profibus、PROFInet、PCS7系統(tǒng)等產(chǎn)品結(jié)合解決了一些特殊工況的工控問題，如長江向家壩水電站索纜起重機傳輸系統(tǒng)，若用有線傳輸需要在長江上方架設長距離電纜，現(xiàn)在采用無線傳輸系統(tǒng)既方便，成本又低。在中國元寶山煤礦原煤輸送系統(tǒng)、某些立體車庫控制系統(tǒng)、碼頭貨物吊裝系統(tǒng)等場合也應用了西門子的無線工控方案。西門子的無線產(chǎn)品主要有以下幾類：

(1)無線接入點模塊：產(chǎn)品有SCALANCE W788-1/W788-2，相當于交換機，用來搭建無線局域網(wǎng)。(2)無線客戶端模塊：產(chǎn)品有SCALANCE W744-1/746-1/747-1，用于將PLC等設備接入無線局域網(wǎng)。這兩類產(chǎn)品支持WLAN標準IEEE.11a/b/g；運行頻率為2.4GHz或5GHz，數(shù)據(jù)速率高達54Mb/s；因為關(guān)鍵節(jié)點的數(shù)據(jù)速率可得到有效保證，因此具有較高的可靠性；由于采用了WPA和128位編碼的加密技術(shù)(AES)，能防止非法進行，安全性高；通過安全向?qū)Ш驮诰€幫助提供組態(tài)支持；由于采用了可以拆卸的C-plug(組態(tài)插件)，發(fā)生故障時能快速更換。(3)輔件：如定向天線、快速連接器等，其中IWLAN/PB Link PN I/O是一款在工業(yè)無線局域網(wǎng)(IWLAN)和Profibus之間提供緊湊型網(wǎng)絡接口的移動式配件，它作為PROFInet I/O的代理產(chǎn)品，允許通過IWLAN無線通信基礎設施將Profibus-DP從站靈活接到PROFInet I/O控制器，這能確保移動裝置與自動化系統(tǒng)之間的通信，如車輛系統(tǒng)、立體倉庫或小車單軌輸送系統(tǒng)等。(4)軟件：提供各種支持與服務。

　　張惠梁先生還介紹，西門子曾對工業(yè)環(huán)境下使用工業(yè)無線局域網(wǎng)技術(shù)進行了調(diào)研，約有80%的客戶關(guān)心可靠性、堅固性、安全性3大問題，西門子的無線產(chǎn)品符合這3方面的要求。西門子的無線產(chǎn)品還具有其他特色，如具有快速漫游功能，在大型倉庫中應用時，可縮短取貨時間。當工業(yè)現(xiàn)場如車間、倉庫很大，物品很多時，無線通信往往受到干擾與阻擋，此時只設一架天線是活性與覆蓋面不大，采用多架固定天線成本又高，西門子有泄波天線，它可以彎曲，能解決這方面的問題，成本大大降低。

2. 上海通用汽車公司(SGM)案例

　　SGM現(xiàn)有上海金橋、煙臺、沈陽3大生產(chǎn)基地，年產(chǎn)能達48萬輛，在生產(chǎn)和管理中大量采用計算機控制技術(shù)，其中使用的工業(yè)無線技術(shù)主要有：IEEE802.11b、ANSI371.1以及西門子的無線產(chǎn)品等。SGM無線應用系統(tǒng)主要有以下5類：

(1) 射頻-電子搬運系統(tǒng)(RF--EPS)：當現(xiàn)場工人需要物料時，按下無線按鈕發(fā)信號給物料請求指示板，在那里排隊等候任務的鏟車司機到零件倉庫提取物料送到需要的現(xiàn)場。(2)便攜式程序測驗端頭(PPTH)：用于刷新總裝車間生產(chǎn)線整車上的電子控制模塊(ECU)的程序。(3)自動移動小車(AGV)：主PLC收集AGV小車的數(shù)據(jù)及狀態(tài)參數(shù)，進行運算后再將相應命令發(fā)給AGV，后者依據(jù)主PLC命令方向與路線行進。(4)全球客戶評審(GCA)系統(tǒng)：質(zhì)量部員工以客戶打求對制造好的車輛進行質(zhì)量檢查，采用無線手持路端一邊評審一邊向系統(tǒng)輸入評審結(jié)果，為各業(yè)務部門提供需要的質(zhì)量數(shù)據(jù)。(5)自動車輛識別(AVI)系統(tǒng)：能識別和跟蹤車身車間、油染車間和車身分配中心里的車輛，包括數(shù)量、車型、顏色等，所用的MOBY----基于射頻技術(shù)的智能識別系統(tǒng)也是西門子產(chǎn)品。(6)車身分配中心(BDC)。SGM目前正在做的無線工控項目有：廣州等3個備件倉庫進行無線管理。

3. 上海同欣公司案例

　　紀綱先生介紹，上海同欣自動化儀表有限公司在上海某熱電廠熱網(wǎng)在線調(diào)配管理系統(tǒng)、浦東國際機場能源泉中心、江蘇鹽城熱電有限責任公司等工程項目中采用的無線工控方案有下列兩種：

(1)基于SMS的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)：這是用途廣泛的信息系統(tǒng)，它借于移動通信技術(shù)，將計算機和手機同遠方的測量儀表聯(lián)系起來，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控(SCADA)。用手機可對任何地點、任何距離的測量儀表進行抄表和監(jiān)控，遠程的數(shù)據(jù)、報警、狀態(tài)信息可傳送到距離任意遠的N個地方作同步顯示。SMS短信業(yè)務采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制工作，成本低廉，傳輸可靠，適合于實時性要求不高的應用對象。(2)基于GPRS的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：本系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)用戶的一般要求，可由5大模塊組成，即系統(tǒng)設定、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)曲線和數(shù)據(jù)輸出。工作原理是：計算機按系統(tǒng)設置的檢測點站號通過主站網(wǎng)絡端口，經(jīng)Internet與GSM網(wǎng)絡，向GPRS無線測控單元發(fā)出請求，呼叫具體的檢測點通用流量演算器(FC-6000plus)，后者按Modbus RTU方式對數(shù)據(jù)進行打包處理，再通過GPRS無線測控單元向GSM網(wǎng)絡發(fā)回通信報文，經(jīng)Internet送連接的計算機，計算機對收回的數(shù)據(jù)進行CRC校驗處理，顯示有關(guān)信息，并有報表制作、顯示與報印功能。

三　幾個觀點

(1)彭瑜先生認為，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)兩個方向，雖然它們都具有相當牢固和成熟的技術(shù)基礎，但為了適應工業(yè)控制要求和環(huán)境，還需要專門的開發(fā)研究。另外，由于無線現(xiàn)場儀表的優(yōu)點一定要體現(xiàn)在用長期無線供電上，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%的自動化和過程控制場合。

(2)凌志浩先生認為，ZigBee雖然受工控界的關(guān)注，但在工控領(lǐng)域應用還存在一些問題值得研究，如在節(jié)點位置不確定的情況下，需要網(wǎng)絡具有自組網(wǎng)和自我修復的功能；對于大量的節(jié)點，怎樣合理調(diào)度使得最后產(chǎn)生的路由器徑合理有效；還有全國跳頻技術(shù)、抗干擾技術(shù)等都是需要進一步研究和探討的。