近年來，無線網(wǎng)絡成為工控領域中迅速發(fā)展的熱點之一，也是工業(yè)自動化產(chǎn)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(wǎng)絡的成本都低于有線網(wǎng)絡。特別是通過無線網(wǎng)絡可以很方便地接入移動設備，例如在物流過程中的裝載和運輸如若采用無線網(wǎng)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、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。而當前發(fā)展的目標是追求無線傳輸在工控領域的普遍應用或成規(guī)模應用必須解決的主要問題，即傳輸?shù)拇_定性、可互操作性、網(wǎng)絡安全和網(wǎng)絡投用的適應性等，而決非個別的解決方案。因此，發(fā)展的方向首先是通信協(xié)議的標準化。對于可用于現(xiàn)場設備層的無線短程網(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的傳輸環(huán)境之下。在傳輸過程中，它常常會衰變、中斷和發(fā)生各種各樣的缺陷，諸如頻散，多徑時延，干擾，與頻率有關的衰減、節(jié)點休眠、節(jié)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(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?shù)臋C制加以克服或減輕。要注意的是，并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(chǎn)生負面影響。因此，通信系統(tǒng)必須根據(jù)其具體的應用現(xiàn)實環(huán)境，對各層所采用的機制進行組合優(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，成本也進一步下降。加之近些年來要求設備（包括移動設備）的無線連接的呼聲日趨強烈，這也使得無線系統(tǒng)的增長呈指數(shù)增長，預示無線通信也實質(zhì)性地進入工業(yè)控制領域。

現(xiàn)場層的無線通信

無線通信迅速進入工控領域的現(xiàn)場設備層，以下是近年來若干有象征意義的行動和產(chǎn)品，其中一個突破口是現(xiàn)場總線和無線通信技術的結(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點的通信。已成功應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學會成立《SP100 用于自動化的無線系統(tǒng)標準》委員會，主要面向現(xiàn)場儀表和設備，著重在三方面制定標準：運用無線技術的環(huán)境， 無線通信設備和系統(tǒng)技術的生命周期， 無線技術的應用。據(jù)悉將在2006年一季度發(fā)表文本草案。

（5）HART通信基金會投資開發(fā)新的技術能力和工具，無線HART已成為開發(fā)重點，正在制定的新技術規(guī)范，要求HART無線通信技術保證支持產(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。預計在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變送器抱有強烈信心，因此無線HART協(xié)議無疑具有極好的技術前景和商業(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)絡技術廣泛而實時地跟蹤和監(jiān)測生產(chǎn)過程，主要針對鋼鐵、電解鋁等6個耗能大的行業(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措施，采樣時間，網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)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(huán)控制和閉環(huán)控制的試驗。對于開環(huán)控制試驗（如圖1），要求是通過無線傳輸非過程關鍵數(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完全滿足要求。閉環(huán)系統(tǒng)應用的要求是：通過無線通信傳輸過程關鍵數(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；應用范圍：制造自動化，過程控制。試驗證明：

（1）對于實時數(shù)據(jù)，當節(jié)點較少時，通過網(wǎng)狀拓撲進行5次接力（hop），運行結(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)點密度對數(shù)據(jù)包的傳輸存在較大影響（如圖2 ）。節(jié)點在50個以內(nèi)，數(shù)據(jù)包時間間隔在30s以上丟包率1%以下。這表明如何讓節(jié)點密度、數(shù)據(jù)包間隔時間滿足應用的要求，對ZigBee無線傳輸成功應用于現(xiàn)場層設備是一個巨大挑戰(zhàn)。需要進一步研究開發(fā)的問題有：在多跳網(wǎng)絡中保證合理的延遲，穩(wěn)健的控制算法（如為減少功耗，讓節(jié)點保持同步休眠的網(wǎng)絡同步算法）。

在現(xiàn)場層無線網(wǎng)絡中，同樣屬于無線短程網(wǎng)的IEC 802.15.4/ZigBee要比IEC 802.15.1/藍牙更具廣泛的應用前景。這主要是基于以下三個原因：ZigBee的應用開發(fā)門檻遠低于藍牙，其最復雜的網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件開發(fā)工作量僅為藍牙節(jié)點開發(fā)的10%，其最簡單的RFD節(jié)點的軟件開發(fā)工作量僅為藍牙的2%；ZigBee的功耗遠低于藍牙，這是因為就發(fā)射的頻寬比來講，ZigBee為0.01，藍牙為0.99，即ZigBee的發(fā)射時間只占其周期的1%，而藍牙卻占99%；ZigBee的網(wǎng)絡節(jié)點容量遠多于藍牙。

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無線傳輸在現(xiàn)場設備層開發(fā)應用的全景，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)到樣機或產(chǎn)品開發(fā)、從樣機到無線傳輸系統(tǒng)、再從無線傳輸系統(tǒng)到工業(yè)應用試驗，一切都在積極有序地推進著。

用于工業(yè)控制領域的無線局域網(wǎng)WLAN

一如以往所有的IT技術移植到工控應用中來所采取的方法一樣，用于工業(yè)控制領域的無線局域網(wǎng)的基礎是IT行業(yè)的無線局域網(wǎng)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(fā)滿足這些要求的技術、規(guī)范和行規(guī)。

WLAN標準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 安全擴展；涉及性能增強的：802.11e MAC層的QoS擴展，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 無線性能預測，802.11v 無線網(wǎng)絡管理。

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)程度不等地應用了無線局域網(wǎng)技術。在這些應用中很多是集中于物流的倉儲、運輸和裝卸。估計在安全性問題很好解決后，在制造業(yè)領域中無線局域網(wǎng)的應用將會迎來一個高潮。

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

（1）嚴格的延遲要求：用于現(xiàn)場設備要求延遲不大于10ms，用于運動控制不大于1ms，對于周期性的控制通信，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(zhí)行有嚴格保證的工業(yè)通信系統(tǒng)必備的特性。即使設備處于漫游狀態(tài)也有此要求，否則會喪失實時性能。

（3）支持大量設備掛網(wǎng)，并容許掛網(wǎng)設備的接入數(shù)量可隨機變化：工業(yè)WLAN的接入點約為數(shù)百個的數(shù)量級。若節(jié)點過多和接入的節(jié)點數(shù)有變化，有可能導致IEEE 802.11的MAC協(xié)議層效率太低。

（4）網(wǎng)絡安全的保證：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的檢測等。

（5）網(wǎng)絡投用的保證：由于運行故障是不可接受的，因此對于有幾百個設備節(jié)點的WLAN來講，要求網(wǎng)絡具有自投用功能，并能執(zhí)行無線配置和輔助節(jié)點位置的自動搜索。

IEEE 802.11在技術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)應用及保證通信質(zhì)量QoS的擴展。一方面解決了在MAC層的優(yōu)先級服務，另方面又通過輪詢規(guī)約（polling protocol）實現(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輪詢周期），需要通過自適應輪詢算法保證現(xiàn)場設備同步。

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)品應靈活地通過軟件模塊實現(xiàn)802.11的分標準。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)，不可能覆蓋整個廠區(qū)，加之原有的現(xiàn)場總線也很有效，所以設計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)場總線上的物理設備（如圖3）。WIB的節(jié)點一方面是無線網(wǎng)絡上的一個節(jié)點，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)的工廠和成套設備。這樣，ZigBee因其發(fā)射功率小、易受鋼結(jié)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(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

采取這樣的技術路線，不但可將無線通信應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）無線傳輸進入工業(yè)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(shù)儀表和自動化產(chǎn)品都將嵌入無線傳輸?shù)墓δ堋Ｓ捎跓o線現(xiàn)場儀表的優(yōu)點一定要體現(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）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(jiān)控SCADA系統(tǒng)、設備資產(chǎn)管理、診斷維護等。當前較適宜應用的行業(yè)可能有：物流過程（裝運狀態(tài)監(jiān)控）、汽車制造、食品加工、制藥和流程行業(yè)（設備資產(chǎn)跟蹤、監(jiān)控、管理）等。

（3）用于工業(yè)控制的無線技術主要集中在無線局域網(wǎng)和無線短程網(wǎng)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(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實現(xiàn)無線通信的確定性相對要容易，因為其數(shù)據(jù)包長度相當小?，F(xiàn)已有產(chǎn)品問世，但尚未見正式規(guī)范。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(shù)據(jù)包長度相當長（187KB），若要實現(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，此動向極為吸引業(yè)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(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)展和重要補充，決非一種替代。

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