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无线通讯技术在工业自动化领域中的应用及发展

无线通讯技术在工业自动化领域中的应用及发展

2006/9/8 9:40:00
引言   无线网络,顾名思义是利用无线电波而非线缆来实现与计算机设备位置无关的网络数据传输系统,是现代数据通信系统发展的一个重要方向。随着计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的相互渗透、结合,产生了基于无线技术的网络化智能传感器的全新概念。这种基于无线技术的网络化智能传感器,使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。无线通讯技术能够在工厂环境下,为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构,在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足,进一步完善了工业控制网络的通信性能。   应用   目前,在工业自动化领域中无线通讯技术协议主要是:对于可用于现场设备层的无线短程网,采用的主流协议是IEEE 802.15.4(ZigBee);对于大数据容量的短程无线通信,则是IEEE 802.15.3;而对于适应较大传输覆盖面和较大信息传输量的无线局域网,采用的是IEEE 802.11系列。其中应用的重点是无线短程网和无线局域网 。   无线短程网 (传感器网络Sensor Networks)   现场设备层无线通信迅速进入工控领域,其中一个突破口是现场总线和无线通信技术的结合。以Zigbee网络为例,其特点是:1)功耗低:由于工作周期较短、收发信息功耗较低且采用休眠模式。2)数据传输可靠性高:采用了碰撞避免机制,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避免了发送数据时的竞争和冲突。3)网络容量大:一个Zigbee网络可以容纳最多65536个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在最多100个Zigbee网络。4)时延小:针对时延敏感的应用做了优化,通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms,休眠激活时延典型值为15ms,活动设备信道接入时延为15ms。5)兼容性:与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器(Coordinator)自动建立网络,采用CSMA-CA方式进行信道存取。为了可靠传递,提供全握手协议。6)安全性:Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用AES-128,同时各个应用可以灵活确定其安全属性。7)实现成本低:模块的初始成本较低。   典型的产品和应用为:2004年Honeywell推出的基于ZigBee无线传输协议的无线变送器XYR 5000系列;OMRON的无线链接Device Net现场总线主站WD30-ME和从站WD30-SE; 德国schild knecht公司推出的无线Profibus-DP产品DE 3000系列;ABB在瑞典的Boliden加工厂利用Ember的无线技术进行的无线通信评估试验。   无线局域网(Wireless LAN)   自从1977年第一个民用网系统ARCnet投入运行以来,有线局域网以其广泛的适用性和技术价格方面的优势,获得了成功并得到了迅速发展。然而,在工业现场,一些工业环境禁止、限制使用电缆或很难使用电缆,有线局域网很难发挥作用,因此无线局域网技术得到了发展和应用。随着微电子技术的不断发展,无线局域网技术将在工业控制网络中发挥越来越大的作用。在工业自动化领域,有成千上万的感应器,检测器,计算机,PLC,读卡器等设备,需要互相连接形成一个控制网络,通常这些设备提供的通信接口是RS-232或RS-485。无线局域网设备使用隔离型信号转换器,将工业设备的RS-232串口信号与无线局域网及以太网络信号相互转换,符合无线局域网IEEE 802.11b和以太网络IEEE 802.3标准,支持标准的TCP/IP网络通信协议,有效的扩展了工业设备的联网通信能力。   无线网通信协议可采用IEEE802.3来实现点对点传输方式或采用IEEE802.11实现一点对多点传输方式,也可以在普通局域网基础上通过无线Hub、无线接入站、无线网桥、无线Modem及无线网卡等来实现,其中现场以无线网卡使用最为普遍。   利用无线局域网组建自动化工业网络,相比之下具有有线固定网络无法比拟的优势:1)无线网络拓扑更适合工业网络应用:支持RS-232工业设备点到点的连接。支持广播的拓扑,多个RS-232工业设备可组成对等网络,相互通信。(RS-232通信协议无法支持多点通信)。客户机/服务器的拓扑,每个RS-232工业设备都可以方便、快捷的接入无线网络中,极大的提高了信息处理能力。2)无需布线,省去了施工的麻烦:无线局域网利用无线电波传输数据信号,适合于难于布线的环境中搭建数据传输网络。在工业现场,铺设的线缆容易受到频繁的触碰损坏,无线网络则保证了网络的安全性。3)覆盖范围广:无线局域网在开放空间覆盖半径达550米,室内一般覆盖半径为300-400米,通过室外无线设备传输距离可以达到几十公里。   现主要应用在远程视频传输、门禁/考勤管理系统、安防管理系统、生产设备联网自动化、电信/光纤网络监控、医疗/实验仪器联网自动化、工业/流程联网控管等领域。   蓝牙技术(Bluetooth)   蓝牙是由东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚于1998年5月共同提出的近距离无线数字通信的技术标准。自从提出该技术以来,蓝牙技术的发展异常迅速。蓝牙Bluetooth作为一种新的短距离无线通信技术标准,受到全世界越来越多工业界生产厂家和研究机构的广泛关注。近年来,世界上一些权威的标准化组织,也都在关注蓝牙技术标准的制定和发展。例如,IEEE的标准化机构,也已经成立了802.15工作组,专门关注有关蓝牙技术标准的兼容和未来的发展等问题。IEEE 802.15.2 TG2是探讨蓝牙如何与IEEE 802.11b无线局域网技术共存的问题;而IEEE 802.15.3 TG3则是研究未来蓝牙技术向更高速率(如10-20Mbits/s)发展的问题。国内的一些生产厂家与研究部门也准备开始组织蓝牙技术产品的开发。   蓝牙是取代数据电缆的短距离无线通信技术,可以支持物体与物体之间的通信,工作频段是全球开放的2.4GHz频段,可以同时进行数据和语音传输,传输速率可达到10Mb/s,使得在其范围内的各种信息化设备都能实现无缝资源共享。 蓝牙技术的应用非常广泛而且极具潜力。它可以应用于无线设备(如PDA、手机、智能电话、无绳电话)、图像处理设备(照相机、打印机、扫描仪)、安全产品(智能卡、身份识别、票据管理、安全检查)、消费娱乐(耳机、MP3、游戏)、汽车产品(GPS、ABS、动力系统、安全气袋)、家用电器(电视机、电冰箱、电烤箱、微波炉、音响、录像机)、医疗健身、建筑、玩具等领域。   发展方向   1)当前重要的发展方向是通信协议的标准化。如无线系统与现有系统的共存性(Co-existence),不同厂家设备的相互可操作性以及系统之间的相互协作性,这些都有赖于制定能被普遍接受的无线通信协议。   2)无线局域网今后的研究方向主要集中在安全性、可靠性、能耗性、移动漫游、网络管理以及与其它移动通信系统之间的关系等问题上。其发展方向有:更高的通讯速率;研发智能天线进一步提高频谱利用率,增加覆盖范围;与Wimax (微波存取全球互通Worldwide Interoperability for Microwave Access)融合,支持高速、移动接入。   3)现场总线的无线传输的可行性正在评估,无线通讯技术将会和现场总线技术更加紧密结合。   4)无线传输目前尚处在发展的早期阶段。无线技术首先会用在楼宇自动化、自动抄表、事故响应、设备监控等领域得到应用。当前较适宜应用的行业有:汽车制造、食品加工、制药和设备资产跟踪等。   5)由于工厂无线技术种类较多,技术特征差异比较大,无线通信只是现有有线通信系统的一种发展和重要补充,决非一种替代,工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展。   结束语   近年来,以太网、互联网等网络架构已越来越广泛的应用于自动化工业领域,取代传统的串口通信将成为自动化系统通信的主流。无线局域网技术在工业控制中的应用,主要包括数据采集、视频监控等,帮助用户实现移动设备与固定网络的通讯或移动设备之间的通讯,且坚固、可靠、安全。它适用于各种工业环境,即使在极恶劣的情况下也能够保证网络的可靠性和安全性。在设备层则将现场感应器、检测器、PLC、读卡器或其他设备,互相连接形成一个无线传感器控制网络,作为信息系统内管理收集数据的工具。现在最终用户和系统集成商都对无线传感器网络技术表现出了越发浓郁的兴趣。工厂无线通讯的发展前景看好,国内业界应该更紧密地关注该项技术。
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