無線通訊技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用及發(fā)展
無線傳輸
引言
無線網(wǎng)絡(luò)，顧名思義是利用無線電波而非線纜來實現(xiàn)與計算機設(shè)備位置無關(guān)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，是現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)發(fā)展的一個重要方向。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線技術(shù)以及智能傳感器技術(shù)的相互滲透、結(jié)合，產(chǎn)生了基于無線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的全新概念。這種基于無線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器，使得工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)能夠通過無線鏈路直接在網(wǎng)絡(luò)上傳輸、發(fā)布和共享。無線通訊技術(shù)能夠在工廠環(huán)境下，為各種智能現(xiàn)場設(shè)備、移動機器人以及各種自動化設(shè)備之間的通信提供高帶寬的無線數(shù)據(jù)鏈路和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在一些特殊環(huán)境下有效地彌補了有線網(wǎng)絡(luò)的不足，進一步完善了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的通信性能。
應(yīng)用
目前，在工業(yè)自動化領(lǐng)域中無線通訊技術(shù)協(xié)議主要是：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IEEE 802.15.4（ZigBee）；對于大數(shù)據(jù)容量的短程無線通信，則是IEEE 802.15.3；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)，采用的是IEEE 802.11系列。其中應(yīng)用的重點是無線短程網(wǎng)和無線局域網(wǎng)
。
無線短程網(wǎng) （傳感器網(wǎng)絡(luò)Sensor Networks）
現(xiàn)場設(shè)備層無線通信迅速進入工控領(lǐng)域，其中一個突破口是現(xiàn)場總線和無線通信技術(shù)的結(jié)合。以Zigbee網(wǎng)絡(luò)為例，其特點是：1）功耗低：由于工作周期較短、收發(fā)信息功耗較低且采用休眠模式。2）數(shù)據(jù)傳輸可靠性高：采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。3）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多65536個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個Zigbee網(wǎng)絡(luò)。4）時延�。横槍r延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設(shè)備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型值為15ms，活動設(shè)備信道接入時延為15ms。5）兼容性：與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫集成。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)自動建立網(wǎng)絡(luò)，采用CSMA-CA方式進行信道存取。為了可靠傳遞，提供全握手協(xié)議。6）安全性：Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。7）實現(xiàn)成本低：模塊的初始成本較低。
典型的產(chǎn)品和應(yīng)用為：2004年Honeywell推出的基于ZigBee無線傳輸協(xié)議的無線變送器XYR 5000系列；OMRON的無線鏈接Device Net現(xiàn)場總線主站W(wǎng)D30-ME和從站W(wǎng)D30-SE； 德國schild knecht公司推出的無線Profibus-DP產(chǎn)品DE 3000系列；ABB在瑞典的Boliden加工廠利用Ember的無線技術(shù)進行的無線通信評估試驗。
無線局域網(wǎng)(Wireless LAN)
自從1977年第一個民用網(wǎng)系統(tǒng)ARCnet投入運行以來，有線局域網(wǎng)以其廣泛的適用性和技術(shù)價格方面的優(yōu)勢，獲得了成功并得到了迅速發(fā)展。然而，在工業(yè)現(xiàn)場，一些工業(yè)環(huán)境禁止、限制使用電纜或很難使用電纜，有線局域網(wǎng)很難發(fā)揮作用，因此無線局域網(wǎng)技術(shù)得到了發(fā)展和應(yīng)用。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，無線局域網(wǎng)技術(shù)將在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮越來越大的作用。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，有成千上萬的感應(yīng)器，檢測器，計算機，PLC，讀卡器等設(shè)備，需要互相連接形成一個控制網(wǎng)絡(luò)，通常這些設(shè)備提供的通信接口是RS-232或RS-485。無線局域網(wǎng)設(shè)備使用隔離型信號轉(zhuǎn)換器，將工業(yè)設(shè)備的RS-232串口信號與無線局域網(wǎng)及以太網(wǎng)絡(luò)信號相互轉(zhuǎn)換，符合無線局域網(wǎng)IEEE 802.11b和以太網(wǎng)絡(luò)IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，支持標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，有效的擴展了工業(yè)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)通信能力。
無線網(wǎng)通信協(xié)議可采用IEEE802.3來實現(xiàn)點對點傳輸方式或采用IEEE802.11實現(xiàn)一點對多點傳輸方式，也可以在普通局域網(wǎng)基礎(chǔ)上通過無線Hub、無線接入站、無線網(wǎng)橋、無線Modem及無線網(wǎng)卡等來實現(xiàn)，其中現(xiàn)場以無線網(wǎng)卡使用最為普遍。
利用無線局域網(wǎng)組建自動化工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，相比之下具有有線固定網(wǎng)絡(luò)無法比擬的優(yōu)勢：1）無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓m合工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：支持RS-232工業(yè)設(shè)備點到點的連接。支持廣播的拓?fù)�，多個RS-232工業(yè)設(shè)備可組成對等網(wǎng)絡(luò)，相互通信。(RS-232通信協(xié)議無法支持多點通信)。客戶機/服務(wù)器的拓?fù)�，每個RS-232工業(yè)設(shè)備都可以方便、快捷的接入無線網(wǎng)絡(luò)中，極大的提高了信息處理能力。2）無需布線，省去了施工的麻煩：無線局域網(wǎng)利用無線電波傳輸數(shù)據(jù)信號，適合于難于布線的環(huán)境中搭建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。在工業(yè)現(xiàn)場，鋪設(shè)的線纜容易受到頻繁的觸碰損壞，無線網(wǎng)絡(luò)則保證了網(wǎng)絡(luò)的安全性。3）覆蓋范圍廣：無線局域網(wǎng)在開放空間覆蓋半徑達(dá)550米，室內(nèi)一般覆蓋半徑為300-400米，通過室外無線設(shè)備傳輸距離可以達(dá)到幾十公里。
現(xiàn)主要應(yīng)用在遠(yuǎn)程視頻傳輸、門禁/考勤管理系統(tǒng)、安防管理系統(tǒng)、生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)自動化、電信/光纖網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、醫(yī)療/實驗儀器聯(lián)網(wǎng)自動化、工業(yè)/流程聯(lián)網(wǎng)控管等領(lǐng)域。
藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)
藍(lán)牙是由東芝、愛立信、IBM、Intel和諾基亞于1998年5月共同提出的近距離無線數(shù)字通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。自從提出該技術(shù)以來，藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展異常迅速。藍(lán)牙Bluetooth作為一種新的短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，受到全世界越來越多工業(yè)界生產(chǎn)廠家和研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注。近年來，世界上一些權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)化組織，也都在關(guān)注藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定和發(fā)展。例如，IEEE的標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)，也已經(jīng)成立了802．15工作組，專門關(guān)注有關(guān)藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的兼容和未來的發(fā)展等問題。IEEE 802．15．2 TG2是探討藍(lán)牙如何與IEEE 802．11b無線局域網(wǎng)技術(shù)共存的問題；而IEEE 802．15．3 TG3則是研究未來藍(lán)牙技術(shù)向更高速率(如10-20Mbits/s)發(fā)展的問題。國內(nèi)的一些生產(chǎn)廠家與研究部門也準(zhǔn)備開始組織藍(lán)牙技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)。
藍(lán)牙是取代數(shù)據(jù)電纜的短距離無線通信技術(shù)，可以支持物體與物體之間的通信，工作頻段是全球開放的2．4GHz頻段，可以同時進行數(shù)據(jù)和語音傳輸，傳輸速率可達(dá)到10Mb/s，使得在其范圍內(nèi)的各種信息化設(shè)備都能實現(xiàn)無縫資源共享。 藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛而且極具潛力。它可以應(yīng)用于無線設(shè)備(如PDA、手機、智能電話、無繩電話)、圖像處理設(shè)備(照相機、打印機、掃描儀)、安全產(chǎn)品(智能卡、身份識別、票據(jù)管理、安全檢查)、消費娛樂(耳機、MP3、游戲)、汽車產(chǎn)品(GPS、ABS、動力系統(tǒng)、安全氣袋)、家用電器(電視機、電冰箱、電烤箱、微波爐、音響、錄像機)、醫(yī)療健身、建筑、玩具等領(lǐng)域。
發(fā)展方向
1）當(dāng)前重要的發(fā)展方向是通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化。如無線系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)的共存性（Co-existence），不同廠家設(shè)備的相互可操作性以及系統(tǒng)之間的相互協(xié)作性，這些都有賴于制定能被普遍接受的無線通信協(xié)議。
2）無線局域網(wǎng)今后的研究方向主要集中在安全性、可靠性、能耗性、移動漫游、網(wǎng)絡(luò)管理以及與其它移動通信系統(tǒng)之間的關(guān)系等問題上。其發(fā)展方向有：更高的通訊速率；研發(fā)智能天線進一步提高頻譜利用率，增加覆蓋范圍；與Wimax （微波存取全球互通Worldwide Interoperability for Microwave Access)融合，支持高速、移動接入。
3）現(xiàn)場總線的無線傳輸?shù)目尚行哉谠u估，無線通訊技術(shù)將會和現(xiàn)場總線技術(shù)更加緊密結(jié)合。
4）無線傳輸目前尚處在發(fā)展的早期階段。無線技術(shù)首先會用在樓宇自動化、自動抄表、事故響應(yīng)、設(shè)備監(jiān)控等領(lǐng)域得到應(yīng)用。當(dāng)前較適宜應(yīng)用的行業(yè)有：汽車制造、食品加工、制藥和設(shè)備資產(chǎn)跟蹤等。
5）由于工廠無線技術(shù)種類較多，技術(shù)特征差異比較大，無線通信只是現(xiàn)有有線通信系統(tǒng)的一種發(fā)展和重要補充，決非一種替代，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)將向有線和無線相結(jié)合方向發(fā)展。
結(jié)束語
近年來，以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已越來越廣泛的應(yīng)用于自動化工業(yè)領(lǐng)域，取代傳統(tǒng)的串口通信將成為自動化系統(tǒng)通信的主流。無線局域網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制中的應(yīng)用，主要包括數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控等，幫助用戶實現(xiàn)移動設(shè)備與固定網(wǎng)絡(luò)的通訊或移動設(shè)備之間的通訊，且堅固、可靠、安全。它適用于各種工業(yè)環(huán)境，即使在極惡劣的情況下也能夠保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性。在設(shè)備層則將現(xiàn)場感應(yīng)器、檢測器、PLC、讀卡器或其他設(shè)備，互相連接形成一個無線傳感器控制網(wǎng)絡(luò)，作為信息系統(tǒng)內(nèi)管理收集數(shù)據(jù)的工具�，F(xiàn)在最終用戶和系統(tǒng)集成商都對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)表現(xiàn)出了越發(fā)濃郁的興趣。工廠無線通訊的發(fā)展前景看好，國內(nèi)業(yè)界應(yīng)該更緊密地關(guān)注該項技術(shù)。
滬公網(wǎng)安備31010802001143號
