工业监控中的无线网络设计与应用

1　引　言　　 　　工业生产监控早已突破了单回路控制与监视的功能，而随着计算机软硬件技术、网络技术和工业综合自动化系统整合水平的不断发展，在数据接口开放性、数据发布实时性、数据连接安全性等方面提出更高的要求［1］。智能化、网络化的现场仪表与监控系统成为新一代工业标准。由于传统有线网络本身的局限性，许多特殊环境下的网络覆盖和网络支持仍然是个难题。近年来，无线技术得到了飞速发展，为解决上述问题提供了经济有效的手段。该文首先分析了当前无线网络的应用现状和协议对比，讨论了使用无线网络带来的传输速度、可靠性、拓扑结构以及安全性的问题，然后根据某化工厂监控组网需求，提出一个综合了无线局域网、广域网的工业监控平台网络设计方案，最后对于无线网络在工业中的应用作了总结和展望。 2　无线局域网（WLAN，Wireless Local AreaNetworks） 2．1　无线网络优势与工业应用现状 　　现有的监控平台大多基于有线网络。有线网络高速稳定，满足了大部分场合工业组网的需要。但是，有线网络只能沿着一维的线路传输数据，传输需要导体介质，因而带来规划布线、预设接口、线路检测、线路扩容等一系列和传输途径有关的工作，并且这些工作不可避免地具有破坏建筑、浪费接口、检修困难、扩展困难的弊病。此外，监控设备处在不能布线的环境中或者是装载在车辆等运动机械的情况下，是难以使用有线网络的。与此相对应，无线网络向三维空间传送数据，中间无需传输介质，只要在组网区域安装接入点（Access Point）设备，就可以建立局域网；移动终端只要安装了无线网卡就可以在接收范围内自由接入网络。总之，在网络建设的灵活性、便捷性、扩展性方面，无线网络有独特的优势。传输的作用（如图2—1）： 　 　　这种做法功能单一（只能实现点到点或者一点对多点的连接）、封闭、没有安全性、价格昂贵、实现复杂（必须专门编程实现通讯）。随着各行业中对无线组网需求的不断增长，迫切需要一种开放、安全、对应用透明、能够实现不同组网要求的无线解决方案。随着无线局域网协议标准的制定，上述问题得以解决，无线局域网可以灵活地实现多点互连、中继连接、多区域漫游连接等多种组网方式。无线技术正越来越多的被应用于智能化仪器仪表与监控系统中，无线现场总线的应用与研究也开始出现［5］。 2．2　无线局域网络协议介绍与对比 　　无线局域网络协议标准建立至今已有较长时间，但由于无线局域网速度低、协议标准不统一、价格昂贵，用户为保护投资，不愿意使用无线网络，因此无线局域网并没有得到广泛应用。 　　近两年来，随着速率较高的无线通讯协议开始推出，无线局域网得到快速发展。表2—1给出了常见的协议及其性能对比。 　　 　　注：a．对于共享网络，所指速率为独享网络所具有的最高物理层传输速率； b．指无特殊干扰的情况下，室外传输距离； 　　 c．价格受时间、市场和型号影响较大，此为2001年底市场一般产品每节点的价格，仅供参考，下同。　　 　　从对比可以看出，IEEE802．11系列和ETSI的HiperLAN系列最适合工业应用，网络协议性能也大致相当，但从目前来看，HiperLAN远没有能够形成广泛应用的产品市场，而基于IEEE802．11b标准的产品已经在市面上大量出现，成为事实上的标准；在下一代协议中，IEEE801．11a和HiperLAN／2［9］的性能都有了很大提高，传输速率均达到54M，IEEE801．11a传输距离将达5～10 km。随着基于IEEE802．11b的产品不断推出和市场的不断扩大，价格也在不断下跌，一个AP的价格现在在200左右，而无线网卡在100以下，逐渐接近人们可接受的价格范围。可以预见，802．11系列协议会是将来的无线局域网协议的最重要成员之一。 IEEE802．11b作为当前一个无线局域网最典型的实例，在以下的讨论中将围绕它展开。 2．3　无线局域网用于监控平台的问题 　　工业监控对其网络设施有严格的要求，因此需要从传输速度、可靠性、拓扑结构、安全性等方面考虑无线网络的优缺点，并提出相应的解决方法。 ·传输速度 　　与IEEE802．3冲突检测机制不同，IEEE802．11b采用了避免冲突的传输机制（IEEE，1999），因而能够获得更高效率的数据传输。但是由于无线网络数据传输容易受到地域、气候等环境因素的影响，难以稳定地获得协议设计的最高速度。为此，IEEE802．11b提供了4种传输速率标准：高速（11 M）、中速（5．5M）、标准速度（2M）以及低速（1M），从而网络设备能够根据网络连接的实际情况自动选择传输速率。由于无线以太网是共享信道，每个终端所能获得的传输速率不仅与环境因素有关，还受到网络规模的影响。接入的终端计算机越多，每个终端所能够分配到的速率就越低。 　　对于环境因素导致的传输速率不能满足要求的情况，可以通过架设外接天线的办法来增强信号；而对于接入计算机较多的情况，一个自然的解决办法就是增加接入设备，缩小共享域；此外，从协议本身的设计上来说，针对工业应用，应加入实时特性，使得需要快速响应的重要数据传输能够得到保证；更智能一点的做法是在应用层进行速率检测，将任务根据重要程度和所需要的数据流量分级，一旦判断网络传输速率不能满足所有任务的需求，便暂时关闭重要程度较低、流量大的任务。 ·稳定可靠性 　　无线网络在运行过程中，会遇到一些突发事件，传输速度降至为零，使得网络连接暂时中断；另外一种情况是在不同的接入点之间漫游时，会跨越不同子网，对于TCP／IP协议而言，就必须更换其IP地　　址，因而TCP层的连接传输将会中断。虽然IESG（Internet Engineering Steering Group）提出了移动IP建议标准［10］，理论上实现了漫游过程中网络的无缝连接，但作为一种新技术，当前大多数设备不支持移动IP业务［11］。因此在平台设计时，应采取措施使暂时失去网络连接对平台的影响最小： 　　首先，预计到故障发生可能带来的影响。现场的基础控制一般是由PLC、DCS完成，监控平台只是实现监视和控制中的复杂算法计算，暂时失去网络连接并不会破坏安全生产。而且，监控也并不总是对实时数据的观察，也有对历史数据的总结和分析，因此，将频繁使用的重要参数和历史数据存贮在本地数据库中可以减轻对网络的依赖。 　　其次，一般而言，无线网络的中断都是短暂的。对于面向连接的软件，快速的恢复机制非常重要。因此，网络中断后程序应一直检测网络状况，一旦网络达到工作要求，就重新建立连接，然后进行程序和数据同步。 　　十分依赖网络稳定可靠性的监控区域，应以多个接入点重复覆盖，实现多冗余热备份。一旦监控终端与原网络接入点的连接中断，可以迅速切换到另一接入点，恢复连接。 ·拓扑结构 　　当网络中存在多个接入点时，就需要考虑网络拓扑结构，最优化配置接入点资源，达到预期的效果：分担网络流量，提高传输速度；多冗余互相热备份，防止接入点故障破坏网络，增强网络可靠性；突破传输盲区，在接入点资源相同条件下扩大无线网络的覆盖范围。 　　首先，针对不同区域做出不同的安排，对于接入点密集、可靠性要求高的区域应处在多个接入点的覆盖交叉区。 　　其次，对于高层建筑比较密集的地区，考虑到无线的三维特性，注意高低层相结合。一般高层的视角大，应该采取更大的功率。 　　对于远距离的企业局域网之间，通过无线扩频，可实现24 km［12］内的无线中继。 　　对于传输速度要求特别高的节点，例如中心数据库，目前的无线网络还不能满足，应该采取有线的方法接入。 ·安全性 　　系统数据的安全性主要包括两方面：一方面是数据的完整性，不被篡改，不被丢失；另一方面是数据的可控性，不被非指定的人员接收使用。一些网络协议的设计最开始往往没有对安全性有足够的重视，例如IP协议（IPv4）、10M以太网协议（IEEE802．3）等都没有考虑对数据传输进行加密，从而使得数据在传输过程中无秘密可言。特别对于无线应用，任何人只要在接收空间范围内，都可以通过支持无线以太网的网卡接收到数据。因而，与IEEE802．3不同，IEEE802．11b采用了WEP（Wired E－quivalent Privacy）协议来实现数据加密和完整性鉴别。WEP协议分两步对数据进行处理：使用无线设备和AP共享的密钥来对数据进行加密；使用完整性协议（CRC－32）对数据包进行计算，生成完整性检查值（integrity check value），以确保在传输中没有被篡改［13］。 　　但是，这个协议由于没有指定如何生成共享密钥，造成了WEP的漏洞［14］，使得攻击者有可能窃听和伪造数据包。这个漏洞可以通过制定安全的指定共享密钥的协议或使用高层加密协议（比如IPSec、SSL等）来解决。由于WEP协议可使用高达128位的加密算法，再结合实际应用的特点，在网络层、传输层或者应用层采用相应的安全加密协议，在无线网络中实现安全性是完全可以做到的。 　　从以上4个方面的讨论可以看出，只要采取合理的应对措施，无线局域网完全可以应用于工业监控，甚至在某些方面比有线局域网更具有优势。 3　无线广域网（WWAN，Wireless Wide AreaNetworks）　　 　　无线广域网在工业中的应用基本还是空白。随着GSM移动电话网络规模的迅速扩大，以及新一代移动网络的投入运行，移动电话网络将有广泛的工业应用。首先，它免去了企业组建无线网的成本，利用移动电话网络，可以实现全国范围的无线互联；其次，使用成本低，虽然移动电话通话费用较高，但是根据移动监控数据量小、传输频率低的特点，利用移动公司提供价格便宜的GSM短消息业务，或者GPRS突发数据连接业务，就可以经济地建立企业广域网监控应用。 4　无线监控平台的典型解决方案　　 　　一个好的组网方案是在资<