无线网络将加强工业控制

美国Honeywell公司在几年前开始开发无线网络产品，它是有线网络产品的有效延伸和补充。这些无线产品，不仅用于工业控制，也涉及建筑自动化、家居自动化、火灾报警、安全防范和航空航天等多个领域。 Honeywell公司2003年生产的XYR5000系列无线发送器产品，使用方便，无需线缆，使安装成本降低了60％；检测设备与控制系统在线通信，测量可以频繁进行，结果更加可靠、准确；精确的信息实时跟踪，提高了系统故障早期侦测性能；能够监测移动的设备；增强了在边远位置、危险位置或难以接触的位置进行自动化监测的能力；使用灵活，易于扩展；降低了维护和操作成本；通信性能稳定，数据保密性强，抗干扰。 2004年，美国能源部DOE投资1000万美元，与Honeywell公司签订一项合同，继续开发XYR5000系列设备。XYR5000主要使用IEEE 802.15.4（ZigBee）无线网络技术，DOE希望在钢铁、电解铝以及其他6个行业中，把能源消耗降低15％。因为利用无线技术，可以更加广泛地实时追踪和监测产品生产过程，减少跑冒滴漏，获得巨大的节能效果。DOE着眼于XYR5000无线产品6个方面特点作为签约的基础：a．成本：系统安装方便快捷和无需电缆，意味着节省系统网络结构成本。b．时间：安装简化使系统快速投入工作，加速投资回报。c．通信距离：依设备分布拓扑结构不同而异，最远可达600m。d．检测精度：压力、温度、模拟输入等设备的精度不大于全量程的土0.1％。e．可靠性：电池寿命5年和低电压发出报警，软件和硬件的自检功能，可以连续地监视传感器、设备的技术参数是否正常，采用FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum）跳频扩频技术，避免信号受到干扰。f．严酷的工业控制应用级别：适用于危险区域、远方控制、人不可及之处。 Honeywell公司是美国能源部支持的无线工业网络联盟WINA的执行局成员，WINA是由美国能源部支持召开的无线工业传感器工作研讨会成立的为促进无线技术在工业中应用的一个国际组织，其标志如图1所示。 Honeywell公司也是ZigBee®联盟的主要成员；ZigBee®是一种新型的短距离、低速率无线网络技术，适用于工业控制。 WLAN无线局域网络 1992年无线局域网（Wireless Local Area Network）被划为2.4GHz波段ISM频带的电波（Industrial Scientific Medical工业、科学、医学用频带），频宽83.5MHz（2.4～2.484GHz），无需申请执照，是具有利用价值的真正的无线局域网。甚至可以说，使用2.4GHz波段电波连接的局域网方式是主流无线局域网。 WLAN标准是由3Com、Cisco、Alcatel等公司推动的无线网络标准。WLAN技术规格在1997年8月得到国际电子电机工程师协会IEEE认可，产生了IEEE 802.11标准，频率为2.4GHz，立足于办公室局域网和校园网，但传输速率只能达到2Mbit／s，只限于数据存取，速率不能满足人们的需要。 因此，1999年又提出IEEE 802.11b标准，频率仍为2.4GHz，但传输速率达到11Mbit／s。 2000年，出现了标准IEEE 802.11g，频率为2.4GHz，把IEEE 802.11b的速率提高了约4倍，达到54Mbit／s，传输距离也有所加大。 2001年推出了IEEE802.11a标准，与欧洲标准HyperLAN相同，工作于5GHz，频宽125MHz（5.725～5.850GHz），速率为12Mbit／s、36Mbit／s，最高也为54Mbit／s，基本满足了现行局域网绝大多数应用的速度要求。不过，IEEE 802.11a芯片价格较高，空中接力性能（较远距离点对点传输）也不尽如人意。IEEE 802.11.a与IEEE 802.11b两个标准不能兼容。在日本，由于气象雷达使用5GHz，所以，IEEE 802.11a产品在室外使用还未得到批准。 蓝牙技术与HiSWANa高速无线访问网络类型a 蓝牙技术（Bluetooth）是起源于瑞典爱立信公司的推动、由蓝牙特别兴趣小组Bluetooth–ISG（还包括有IBM、Intel、东芝等100多家公司）于1999年完成第一版的一种开放的、短距离包括语音与数据通信的无线通信协议，其目的是以无线方式取代现有的有线接口，解决移动电话与其他设备的无线连接问题，包括笔记本电脑、掌上电脑PDA（Personal Digital Assistant）、数码相机等。 蓝牙是一种短距离的无线连接技术，收发器很小，只有9mm×9mm，可以嵌入到便携式设备中，不仅实现设备间的无线连接，还提供接入数据网的功能，设置外围设备接口，可以组成一个特定的小网（微微网Piconet，8个节点）。蓝牙也采用无需申请执照的2.4GHz（ISM工业、科学、医学频段），数据传输速度为0.8Mbit／s，分时方式全双工通信，通信距离10～100m（如果增强发射功率，可达150m）。蓝牙是与IEEE 802.11b竞争的一种无线通信技术。经过数年的发展，蓝牙一直受芯片价格高，厂商支持力度不够，传输距离较小及抗干扰能力较差等问题的困扰，因此，一种新技术ZigBee便应运而生。虽然ZigBee不支持语音，但由于成本低，简单实用、可靠，以及其他一些性能方面超过蓝牙，非常适用于控制领域，所以近来发展迅速，以至有人提出，ZigBee出现，会使蓝牙在尚未普及时即成为历史，当然，事实发展也许未必如此。 《高速无线访问网络类型a》（High Speed Wireless Access Network Type a）HiSWANa，是与蓝牙相似的短距离无线网络标准，但是它采用5GHz频段（与IEEE 802.11a和欧洲标准HyperLAN相同）。 IEEE 802.15.4无线控制网络技术标准 ZigBee®联盟成立于2001年8月，目前约有25家大型企业加盟，包括Honeywell、Motorola、Invensys、Philips、三菱电子等，涵盖半导体生产商、消费类电子厂商、IP服务供应商及OEM厂商等。ZigBee○R的基础是IEEE 802.15.4，它是IEEE无线个人局域网PAN（Personal Area Nertwork）工作组的一项标准，称为IEEE 802.15.4（ZigBee）标准。 ZigBee○R联盟是从事低功耗、低速数据传输、低设备成本、高可靠性、大网络容量、短时延、有效范围不很大（10～75m）、多种灵活工作频段、可加密安全的无线控制网络产品开发的国际组织。 由于ZigBee®产品性能良好，将成为PC外设（鼠标、键盘、游戏操纵杆）、消费类电子设备（TV、VCR、CD、VCD、DVD等设备上的遥控装置）、家庭内部智能控制（照明、空调、煤气计量、水计量、电力计量、火灾报警、防盗报警）、玩具（电子宠物）、医护（监视器、传感器）、工业控制（监视器、传感器、自动控制设备）等领域广泛选用的无线控制设备。预测2007年，ZigBee®产品产值将达到35亿美元。可以预言，ZigBee○R无线传感将改变工业控制面貌。 随着ZigBee○R研究进一步深入，传感器将会变得更小，功能会更多，有人认为，它们可能会微缩成足够小的微微型设备，以至数以千计的微小传感器届时甚至会释放到大气中，形成“智能尘埃”，以检测任何想检测的物理参数，为控制系统和社会生活服务。 XYR5000系列产品 面世于2004年的基于ZigBee技术的XYR5000系列产品（基于ZigBee®）包括：a．5种可发送无线信号的有现场显示和一对用于组态、指示按钮的现场单元（包括表压传感器WA系列、绝对压力传感器WA系列、温度传感器WT系列、超声传感器WN系列、模拟量输入器WI系列）。b．带有短天线的无线信号收发器WBR，称为Wireless Base Radio。信号收发器WBR一方面接收现场单元发送的无线测量信号，一方面它也是一个控制系统网络或者一个数据采集系统的节点，它把这些无线信号送到中央站去。c．Wireless Management Toolkit工具软件包，可以安装在中央站，用于对过程进行实时监控和系统远程组态。 图2为Honeywell无线产品XYR5000系列网络示意图。 1）无线通信符合ZigBee○R规定通信距离符合IEEE802.11b，11g规定：a．使用频率频带：915MHz，频宽26MHz（902～928MHz），适用于美国（2005年将推出全球型2.4GHz产品）。b．传输方式：FHSS跳频扩频。c．数据组检测：CRC（Cycle Redundancy Check）循环冗余校验。d．数据速率：4.8Kbit／s、19.2Kbit／s、76.8Kbit/s。e．功率消耗：31mW，典型数据17.8mW。f．微微网：1台WBR无线收发器+50台现场单元，RF-ID 1～50。g．额定采样速率：1～10s、15s、20s、30s、60s。h．通信距离：600m（实际距离取决于现场单元的拓扑结构）。i．电池：锂电池，C Size，3.6V，寿命5年。j．电磁兼容性EMC（欧共体CE标准）：80～1000MHz，场强30V／m。 2）现场单元技术参数 所有设备的检测精度为土0.1％（全量程）；内藏式天线、全向、1／4波、单极；软件和硬件自动进行故障检查，包括电池低电压报警。a．表压WG系列：设备内的压电电阻（Piezoresistive Sensor）把检测到的压力信号由内设射频收发器转化成为射频数字信号发送给无线收发器WBR。b．绝对压力WA系列：设备内的压电电阻（Piezoresistive Sensor）把检测到的压力信号由内设射频收发器转化成为24bit／s射频数字信号发送给无线收发器WBR。c．温度WT系列：设备内的集成电阻（热电偶、Pt100热电阻）把检测到的温度参数由内设射频收发器转化成为射频数字信号发送给无线收发器WBR。d．超声WN系列：设备内的超声波检测器监视现场单元工作异常发出的高频噪声，把检测到的信号由内设射频收发器转化成为8 bit／s射频数字信号发送给无线收发器WBR。e．模拟输入WI系列：可以把它加在现场的已有的或新增加的各种模拟量传感器上（压力、温度、流量、物位、pH值，或任何其他有0～10VDC、4～20mADC输出的设备），设备内的高精度信号调节器，把检测到的模拟参数由内设射频收发器转化成为射频数字信号发送给无线收发器WBR。 3）WBR无线收发器 用于和现有的SCADA、DCS、数据采集设备接口。采用数字通信的WBR，现场有显示，带有组态按钮。每台可以和50台现场单元通信，WBR有故障诊断能力，软件和硬件自动进行故障检查，包括电池低电压报警。a．扫描速率：4.8KB<