彭瑜 發表於 2021-01-06 10:08:24
近年來，無線網絡成為工控領域中迅速發展的熱點之一，也是工業自動化產品未來的新增長點。顯而易見，在配置、安裝、修改和擴展等方面，無線網絡的成本都低於有線網絡。特別是通過無線網絡可以很方便地接入行動裝置，例如在物流過程中的裝載和運輸如若採用無線網絡，將大大提高工作人員的工作效率和精確性。
實際上，作為一類針對某些特定應用、採用專用通信協議的無線傳輸方案早已投用，也起到良好效果。而當前發展的目標是追求無線傳輸在工控領域的普遍應用或成規模應用必須解決的主要問題，即傳輸的確定性、可互操作性、網絡安全和網絡投用的適應性等，而決非個別的解決方案。因此，發展的方向首先是通信協議的標準化。對於可用於現場設備層的無線短程網，採用的主流協議是才問世兩三年的IEEE 802.15.4/ZigBee；而對於適應較大傳輸覆蓋面和較大信息傳輸量的無線區域網，採用的主流通信協議則是IEEE 802.11系列。
無線介質不像有線介質那樣處在一種受保護的傳輸環境之下。在傳輸過程中，它常常會衰變、中斷和發生各種各樣的缺陷，諸如頻散，多徑時延，幹擾，與頻率有關的衰減、節點休眠、節點隱蔽和與安全有關的問題等等。不過這些影響無線傳輸質量的因素，都可以通過在ISO通信7層模型的各層中採用適當的機制加以克服或減輕。要注意的是，並不是所有的機制都可以與其他的機制相兼容；或者說，有可能對關鍵性能和屬性產生負面影響。因此，通信系統必須根據其具體的應用現實環境，對各層所採用的機制進行組合優化，以求得最好的綜合通信性能。
在解決了可靠、保密、克服幹擾等問題後，又開發了支持這些無線通信協議的物理層和MAC層的收發器晶片，成本也進一步下降。加之近些年來要求設備（包括行動裝置）的無線連接的呼聲日趨強烈，這也使得無線系統的增長呈指數增長，預示無線通信也實質性地進入工業控制領域。
現場層的無線通信
無線通信迅速進入工控領域的現場設備層，以下是近年來若干有象徵意義的行動和產品，其中一個突破口是現場總線和無線通信技術的結合。
（1）2004年Honeywell推出基於ZigBee無線傳輸協議的無線變送器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為無線輸出。
（2）OMRON推出無線連接DeviceNet現場總線主站WD30-ME和從站WD30-SE，最多可支持DI/DO各1600點的通信。已成功應用於豐田汽車裝配線的控制系統中。
（3）德國schild knecht公司推出的無線Profibus-DP產品DE 3000系列，可在主站與多個從站之間建立無線連結。其使用的載頻為2.4GHz，數據包 187.5KB，無線通信協議分別是：IEEE 802.11b（數據傳輸率11Mbit），IEEE 802.11（數據傳輸率1Mbit），IEEE 802.15.1（數據傳輸率700Kbit）。
（4）美國ISA學會成立《SP100 用於自動化的無線系統標準》委員會，主要面向現場儀表和設備，著重在三方面制定標準：運用無線技術的環境， 無線通信設備和系統技術的生命周期， 無線技術的應用。據悉將在2006年一季度發表文本草案。
（5）HART通信基金會投資開發新的技術能力和工具，無線HART已成為開發重點，正在制定的新技術規範，要求HART無線通信技術保證支持產品的互操作性，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。預計在2006年初完成規範草案，並與工業無線組織如ZigBee聯盟、SP 100無線委員會協調合作，以確保工作的連續性和均衡性。鑑於HART智能變送器是目前變送器應用的主流（佔壓力、差壓和溫度變送器銷售的96%），且用戶都對HART變送器抱有強烈信心，因此無線HART協議無疑具有極好的技術前景和商業前景。
順便指出，低功耗、高可靠性的工業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絡技術廣泛而實時地跟蹤和監測生產過程，主要針對鋼鐵、電解鋁等6個耗能大的行業，減少甚至杜絕跑冒滴漏，以獲得顯著的節能效果（能耗降低15%）。為此，2004年美國能源部投資一千萬美元與Honeywell公司籤訂一項合同，繼續深入開發XYR 5000系列產品。
為了在過程控制的環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措施，採樣時間，網絡的節點數量與拓撲等），ABB利用美國Ember公司和挪威Chipcon公司的無線技術，在瑞典的Boliden加工廠等多個裝置中進行了開環控制和閉環控制的試驗。對於開環控制試驗（如圖1），要求是通過無線傳輸非過程關鍵數據，短數據包，低平均數據率，低功耗；具體應用範圍有：設備管理、狀態檢測、預防性維護和服務應用。結果證明ZigBee完全滿足要求。閉環系統應用的要求是：通過無線通信傳輸過程關鍵數據，短數據包，低平均數據率，低功耗，短遲延，數據包傳送有保證；應用範圍：製造自動化，過程控制。試驗證明：
（1）對於實時數據，當節點較少時，通過網狀拓撲進行5次接力（hop），運行結果很好，在延遲、穩定性和功耗等方面均符合要求。
（2）節點密度對數據包的傳輸存在較大影響（如圖2 ）。節點在50個以內，數據包時間間隔在30s以上丟包率1%以下。這表明如何讓節點密度、數據包間隔時間滿足應用的要求，對ZigBee無線傳輸成功應用於現場層設備是一個巨大挑戰。需要進一步研究開發的問題有：在多跳網絡中保證合理的延遲，穩健的控制算法（如為減少功耗，讓節點保持同步休眠的網絡同步算法）。
在現場層無線網絡中，同樣屬於無線短程網的IEC 802.15.4/ZigBee要比IEC 802.15.1/藍牙更具廣泛的應用前景。這主要是基於以下三個原因：ZigBee的應用開發門檻遠低於藍牙，其最複雜的網絡協調器節點的軟體開發工作量僅為藍牙節點開發的10%，其最簡單的RFD節點的軟體開發工作量僅為藍牙的2%；ZigBee的功耗遠低於藍牙，這是因為就發射的頻寬比來講，ZigBee為0.01，藍牙為0.99，即ZigBee的發射時間只佔其周期的1%，而藍牙卻佔99%；ZigBee的網絡節點容量遠多於藍牙。
目前能夠提供的收發器並可裝載IEEE 802.15.4/ZigBee協議的晶片的主要有：美國的Freescale（MC13192，MC13193）、Ember（EM2420，EM250內含16位微控制器內核），挪威的Chipcon（CC2420、CC2430內含8位51系列微控制器內核）等。
綜上所述，我們可以描繪這樣一個無線傳輸在現場設備層開發應用的全景，即從協議到晶片、從晶片到開發系統、從開發系統到樣機或產品開發、從樣機到無線傳輸系統、再從無線傳輸系統到工業應用試驗，一切都在積極有序地推進著。
用於工業控制領域的無線區域網WLAN
一如以往所有的IT技術移植到工控應用中來所採取的方法一樣，用於工業控制領域的無線區域網的基礎是IT行業的無線區域網標準。但必須在此基礎上充分考慮在工控應用中的特別要求，開發滿足這些要求的技術、規範和行規。
WLAN標準IEEE 802.11系列還在發展中，已完成的有：
除此而外，還有涉及安全的：802.11i 安全擴展；涉及性能增強的：802.11e MAC層的QoS擴展，802.11r快速漫遊，802.11n 極高吞吐能力方式，802.11s 網狀聯網； 涉及投用和管理的： 802.11k 射頻資源管理，802.11t 無線性能預測，802.11v 無線網絡管理。
考慮到無線區域網在工業企業中的安全性和適用性問題，製造業的企業一度暫時放緩了建立無線區域網的步伐。2004年10月美國IDG公司的市場調研人員發現，在美國流程工業中53%的企業、離散型製造業中39%的企業程度不等地應用了無線區域網技術。在這些應用中很多是集中於物流的倉儲、運輸和裝卸。估計在安全性問題很好解決後，在製造業領域中無線區域網的應用將會迎來一個高潮。
工業WLAN比一般企業辦公和家庭應用環境用的WLAN要求要高許多，可歸納如下：
（1）嚴格的延遲要求：用於現場設備要求延遲不大於10ms，用於運動控制不大於1ms，對於周期性的控制通信，使延遲時間的波動減
至最小也是很重要的指標。
（2） 確定性性能的保證：保證確定性是對任務執行有嚴格保證的工業通信系統必備的特性。即使設備處於漫遊狀態也有此要求，否則會喪失實時性能。
（3）支持大量設備掛網，並容許掛網設備的接入數量可隨機變化：工業WLAN的接入點約為數百個的數量級。若節點過多和接入的節點數有變化，有可能導致IEEE 802.11的MAC協議層效率太低。
（4）網絡安全的保證：滿足安全保密法規是工業WLAN的基本要求。包括防止黑客用戶的侵入及對這些接入點的檢測等。
（5）網絡投用的保證：由於運行故障是不可接受的，因此對於有幾百個設備節點的WLAN來講，要求網絡具有自投用功能，並能執行無線配置和輔助節點位置的自動搜索。
IEEE 802.11在技術上並不能提供確定性的保證，但在802.11e 中給出了在MAC層支持多傳輸介質應用及保證通信質量QoS的擴展。一方面解決了在MAC層的優先級服務，另方面又通過輪詢規約（polling protocol）實現多介質的通信調度。由於輪詢在本質上具有確定性，因而可以避免由802.11的信道爭用和指數補償而造成的延遲。為了防止輪詢可能帶來的不良問題（如在需要發送的數據尚未形成之前輪詢信號已到，那麼該數據的發送則不得不再等待一個輪詢周期），需要通過自適應輪詢算法保證現場設備同步。
由此可見，雖然工業WLAN的市場容量相對較小，但性能要求卻很高。工業WLAN的產品應靈活地通過軟體模塊實現802.11的分標準。如Siemens已問世的產品SCALANCE-W，就可提供工業QoS和快速漫遊的解決方案。
無線信息傳輸主幹網
圖3 通過無線信息主幹網將無線現場短程網和有線現場總線、乙太網組合
由於ZigBee是短程網，不可能覆蓋整個廠區，加之原有的現場總線也很有效，所以設計了一種無線信息主幹網系統。通過建立發射功率較大的無線信息主幹網（WIB，Wireless Information Backbones），可將ZigBee傳感器的信息傳輸給各種掛在乙太網、現場總線上的物理設備（如圖3）。WIB的節點一方面是無線網絡上的一個節點，另一方面又起著無線通信協議和其他有線通信協議的轉換作用。實踐證明，採用1W的發射功率，WIB就可穿透多數的工廠和成套設備。這樣，ZigBee因其發射功率小、易受鋼結構所衰減、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、簡便實用等優越性又可以充分被利用。
圖4 典型工廠的ZigBee無線傳感器覆蓋範圍
圖5 典型工廠的無線信息骨幹網覆蓋範圍
採取這樣的技術路線，不但可將無線通信應用於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，以期在節省安裝成本和運行成本方面收到可觀效果，還可提高檢測系統和控制系統配置的靈活性。
概述性的結論
（1）無線傳輸進入工業控制領域的趨勢無可置疑。有人估計再過四五年，即2010年前，大多數儀表和自動化產品都將嵌入無線傳輸的功能。由於無線現場儀表的優點一定要體現在用電池長期供電上，所以一般來說無線傳輸不適用於高速控制的場合。但是實踐證明對大多數監控和慢速控制場合，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）無線技術首先會用在樓宇自動化、自動抄表、事故響應、設備監控SCADA系統、設備資產管理、診斷維護等。當前較適宜應用的行業可能有：物流過程（裝運狀態監控）、汽車製造、食品加工、製藥和流程行業（設備資產跟蹤、監控、管理）等。
（3）用於工業控制的無線技術主要集中在無線區域網和無線短程網兩個方向。它們都具有相當牢固和成熟的技術基礎，但為了適應工業控制要求和環境，還需要專門的開發研究。
（4）現有現場總線的無線傳輸的可行性正在評估。基於CAN的DeviceNet實現無線通信的確定性相對要容易，因為其數據包長度相當小。現已有產品問世，但尚未見正式規範。因此只能認為這僅僅是個別的解決方案。相對而言，Profibus-DP的數據包長度相當長（187KB），若要實現無線通信，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）而不能採用IEEE 802.15.4（其帶寬僅為20～250Kb/s），因而要保證傳輸的確定性確有其難度。
（5）HART基金會已成立無線HART工作組，要求2006年初拿出規範草案，確定通過ZigBee實現HART的可行性。鑑於採用HART協議傳輸的儀表市場佔有率高，絕對數量巨大，此動向極為吸引業界關注。
（6）適應各種不同應用類型和要求的無線通信的標準，有的已經頒布並被市場接受，有的還在制訂過程中，其發展和市場開發值得我們重視。
（7）應該把無線通信看成是現有有線通信系統的一種發展和重要補充，決非一種替代。
責任編輯：gt
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