无线工控解决方案

无线工控解决方案

虽然，严酷的工业环境，一直是无线技术应用的壁垒，但最近10余年来有了新的突破，世界上有许多企业与工程技术人员孜孜以求地努力，用无线技术探求着工业自动化的新前景。

7月6日在上海，中国自动化学会仪表与装置专业委员会、上海市自动化学会自动化应用专业委员会、上海市自动化学会自动化仪表及应用专业专员会在科学堂召开了以“工业无线通信网络技术及应用”为主题的第三次自动化领域专家技术论坛。参加会议的有上海工业自动化仪表研究所原所长吴钦炜教授级高工、上海大学何国森教授、原中石化上海石化研究所钟霖田教授级高工等共60余人。作主旨报告的有5位专家：上海工业自动化仪表研究的彭瑜教授级高工的“工厂自动化和过程自动化中无线短程网和无线局域网的应用前景分析”，华东理工大学凌志浩教授的“ZigBee的技术支持和应用前景”，西门子(中国)有限公司上海分公司张惠梁工程师的“工业无线局域网西门子公司解决方案和应用实例”，上海通用汽车公司李  先生的“工业无线通信技术在上海通用汽车公司的应用”，上海同欣自动化仪表有限公司纪纲高级工程师的“移动通信技术在能源泉数据采集系统中的应用”。会议由华东理工大学吴勤勤教授与彭瑜先生主持。

　　这次会议，主旨报告较为全面地反映了当前世界工控领域无线通信的一些主要技术与解决方案，讨论也非常热烈，由于篇幅所限，本文仅从下述3方面反映会议的精彩一角。

一　发展动向

1. 技术在发展

　　无线网络技术按距离与标准可分为：WWAN(无线广域网，IEEE802.22)，WMAA(无线域域网，IEEE802.20，802.16)，WLAN(无线局域网，IEEE802.11)，WPAN(无线个域网/短程网，IEEE802.15)。

　　在我们周围有哪些无线系统？
　　彭瑜先生介绍，正在发展的一些无线传输技术有：无线交换技术、网状网络技术以及智能天线等。正在发展的一些无线传输标准为：(1)ZigBee(IEEE802.15.4)：它具有特长的电池寿命，很适合工业自动化、家用电器与传感器网络应用；(2)超宽带(UWB，IEEE802.15.3a，802.15.4a)：美国联邦通信委员会(FCC)为其开放无须申请的自由宽带频率范围为3.1~10.6GHz，无射频载波，低成本，低功耗，非直线传输，在低传输速率模式，可用于一个重要的工业市场----位置感知(2cm~20m范围内)；(3)WiMax(IEEE802.16，Intel提出)：适于住宅区/经营性建筑的长距离(≥1km)射频链接，有较高数据传输率(在20MHz信道约70mb/s)，也可用于大型工业部署，今年将有商品问世。

　　对于工控界关注的新技术ZigBee，凌志诰先生介绍，它是一种低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于近距离的无线连接，理论上可连接的节点多达65000个，使用频段有2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个。ZigBee与IEEE802.15.4不完全等同，后者仅处理物理层(PHY)和媒体存取控制(MAL)层协议，而ZigBee联盟对其网络层和应用层协议进行了标准化，用户层由用户自定义。PHY层采用直接序列扩频(DSSS)技术，以化整为零的方式，将一个信号分为多个信号，再经由编码方式传送信号，以避免干扰。在MAC层方面，主要是沿用WLAN中IEEE802.11系列标准的CSMA/CA方式，以提高系统的兼容性。目前世界上能提供ZigBee软硬件产品的厂商有：(1)在硬件方面：挪威半导体公司Chipcon推出全球首颗面市并符合802.15.4规范的2.4GHz射频收发器芯片CC2420(搭配AtmelAVR 8 bit微处理器)后，于2005年第三季度又推出一颗型号为CC2430的系统芯片(SOC)，包含RF与微处理、存储器，大大降低了未来ZigBee相关产品的成本，并可简化设计产品周期。Motorola公司的下属企业Freescale公司也推出2.4GHz的RF芯片，有3种型号：MC13191、MC13192、MC13193。(2)在软件方面：国际上已有Ember、AirBee、Figure 8 Wireless(F8W)等公司可提供ZigBee软件。其中已被chipcon收购的F8W公司的Z-stack是其开发的ZigBee套装软件的重要部分，使得Chipcon成为ZigBee完全解决方案的供应商。Freescale公司也是搭配F8W的Z-stack。这样，这两家的ZigBee芯片加Z-stack已成为认证ZigBee产品的黄金平台。目前，只有具有这类平台、符合801.15.4协议、经ZigBee联盟评定的产品，才能贴上ZigBee产品的标签。

2. 标准在制定

　　IEEE已针对不同的无线通信技术制定了一系列涉及到网络、安全、应用方面的通用软件协议。现在，已有一些国际组织正在考虑制定工业标准，彭瑜先生介绍，美国仪表、系统和自动化学会(ISA)的ISP SP100标准委员会正在加紧制定自动化和控制环境下实现无线系统的标准。计划着重从3方面制定标准：运用无线技术的环境，无线通信设备和系统的生命周期，无线技术的应用。SP100将尽可能应用现有标准(如ISA SP99----信息安全、IEEE1451----智能传感器、ISO/OSI网络互连的7层模型等)并有所提高，力争促进新技术的发展和应用、无线网络节点的合理部署、保证供应商与用户受益。

　　彭瑜先生介绍，为了使无线产品供应商有一致的规范，现在ISA SP100已规定了自动化和控制环境下的6类应用：第0类(安全类)：恒为关键的紧急行动，包括安全联锁紧急停车、自动消防控制等；第1类(控制类)：关键的闭环调节控制，一般均为关键回路，如现场执行器的直接控制，频繁的串级控制等；第2类(控制类)：经常的非关键闭环监频控制、多变量控制、优化控制等；第3类(控制类)：开环控制，是指在回路中有人在起着作用；第4类(监测监控类)：标记产生短期操作结果，是指通过无线传输那些只在短时间内产生操作结果的数据的消息；第5类(监测监控类)：记录和下载/上载不产生直接的操作结果，例如历史数据的采集，为预防性维护而必须进行的周期性采集的数据，事件顺序记录(SOE)数据的上传等。

　　英国石油公司的首席技术官指出：实际对这些类别(不包括0类)的应用需求，大致比例为1:2:4:10:10。可见，在自动化和控制环境下，无线通信技术的应用，大多属于3~5类。

3. 厂商在努力

　　为了满足无线工控潜在市场的需求，厂商已经做了大量的试验研究和开发工作。在这方面彭瑜先生作了详细的介绍：

(1)欧洲无线工控应用项目(RONES)

　　2004年10月至2005年4月，欧洲集中25个组织(包括大小公司和研究所)制定了一个名为RONES、在未来10内无线技术在工业控制和自动化方面发展应用的开发路线图。他们认为无线网络为工业系统安装和运行的高度灵活性及成本优势创造了机会，应及时而牢固地抓住机遇不放。其目标是：通过采用无线技术，到2008年将安装成本降低50%，运行成本降低30%；到2014年将安装成本降低80%，运行成本降低50%。

(2)无线HART协议正在积极开发

　　据ARC统计，目前世界上已安装的现场仪表约4000多万台，其中采用4~20mA信号的约48%，采用HART的约26%，采用气动信号的约13%，采用现场总线的仅1%。因此，HART基金会(HCF)决定开发无线HART协议意义重大，现已成立无线工作组正在制定技术规范，目标是：无线HART协议应该具有目前有线HART协议能够解决的所有应用，即可满足SP100规定的0~5类全部应用要求。工作组曾考虑过采用ZigBee，但在审视了无线HART的全部技术要求后决定不采用，这是国灰ZigBee的RFD(简约功能设备)功耗低不能处理网格网络的路由问题，若要解决这一问题每个节点必须处于一直工作状态不能休眠，这样功耗大，要实现低功耗难。原计划今年6月制定出无线HART规范，目前我们还未收到规范文件(上海工业自动化仪表研究所参加HCF)。

(3)Honeywell等公司推出无线工控产品

　　2003年Honeywell推出采用ZigBee无线网络技术的XYR5000系列奕送器，它包括精确监测压力、绝对压力、温度、超声波噪声以及检测蒸汽和气体泄漏的设备，该系列产品也有模拟输入接口，能使有线设备有无线工作的能力，与控制系统或数据采集装置相连的每个基站无线电台能接收多达50台变送器传送来的无线信号。2004年美国能源部(DOE)投资1000万美元，与Honeywell签约继续开发XYR5000，DOE希望通过采用这一技术，在钢铁、电解铝以及其他6个行业中，减少跑冒滴漏，把能源消耗降低15%，并达到严酷的工业控制应用级别：XYR5000适用于危险区域、远方控制、人难以接触的位置进行自动控制。目前该产品载波频率为915MHz只适合美国使用，尚无适用于全球使用的2.4GHz产品。

　　OMRON已推出无线链接DeviceNet现场总线的主站WD30-ME和从站WD30-SE，最多可支持DI/DO各1600点的通信，已成功应用于本田汽车装配线的控制系统中。

　　德国SchildKnecht公司推出无线Profibus-DP产品DE3000系列，可在主站与多个从站之间建立无线链接，其使用载频为2.4GHz，数据包187.5kB，主站与从站采用的无线通信协议分别是WLAN(IEEE802.11b、11Mb/s，802.11、1Mb/s)与WPAN(802.15.1, 700kb/s)。

(4)ABB等公司进行现场设备层无线通信实验

　　ABB公司在瑞典的Boliden加工厂利用Ember的无线技术进行了无线通信的评估试验，要求是：通过无线通信传输非过程关键数据、短数据包，低平均数据率，低功耗。具体应用范围有：设备管理、状态检测、预防性维护和服务应用。结果证明ZigBee安全满足开环系统的应用要求；但ZigBee现有技术在闭环控制中应用有问题。

　　英国石油公司(Bp)进行了许多无线应用实验，结果证明无线网格网络(Motes)能给BP带来巨大利益。但大部分BP的工业现场要求本质安全等级的设备，而目前世界上不完本质安全的无线工控产品。

(5)Invensys宣布其无线通信在工业应用中的策略

　　该策略是：通过建立独特而广泛的管理网络实现其应用要求，即集中研究对所有无线设备使用共享接入点技术，并对所有无线频率和通信协议使用共用的数据和信息安全模型。这种策略的目的是：为所有工业和企业的无线应用，提供适当水平的集成、稳健性和信息安全的基础保证。Invensys期望的无线应用解决方案(不考虑SP100的0类与1类应用)包括：过程优化、设备管理、实时装置状态监控、能源管理、人员跟踪、企业管理等。Invensys现正在对北美的几个大型化工企业集团做现场调研，若其研究的无线网络策略实现，将会使用户显著节省成本，会使通过无线网络取得的数据容易地与资产管理软件整合，而标准化的安全模型有助于有效管理无线网络，使它保持在一个适当的信息安全和性能水平。

二　应用案例

1. 西门子案例

　　张惠梁先生介绍，西门子无线产品与有线的分布式I/O、Profibus、PROFInet、PCS7系统等产品结合解决了一些特殊工况的工控问题，如长江向家坝水电站索缆起重机传输系统，若用有线传输需要在长江上方架设长距离电缆，现在采用无线传输系统既方便，成本又低。在中国元宝山煤矿原煤输送系统、某些立体车库控制系统、码头货物吊装系统等场合也应用了西门子的无线工控方案。西门子的无线产品主要有以下几类：

(1)无线接入点模块：产品有SCALANCE W788-1/W788-2，相当于交换机，用来搭建无线局域网。(2)无线客户端模块：产品有SCALANCE W744-1/746-1/747-1，用于将PLC等设备接入无线局域网。这两类产品支持WLAN标准IEEE.11a/b/g；运行频率为2.4GHz或5GHz，数据速率高达54Mb/s；因为关键节点的数据速率可得到有效保证，因此具有较高的可靠性；由于采用了WPA和128位编码的加密技术(AES)，能防止非法进行，安全性高；通过安全向导和在线帮助提供组态支持；由于采用了可以拆卸的C-plug(组态插件)，发生故障时能快速更换。(3)辅件：如定向天线、快速连接器等，其中IWLAN/PB Link PN I/O是一款在工业无线局域网(IWLAN)和Profibus之间提供紧凑型网络接口的移动式配件，它作为PROFInet I/O的代理产品，允许通过IWLAN无线通信基础设施将Profibus-DP从站灵活接到PROFInet I/O控制器，这能确保移动装置与自动化系统之间的通信，如车辆系统、立体仓库或小车单轨输送系统等。(4)软件：提供各种支持与服务。

　　张惠梁先生还介绍，西门子曾对工业环境下使用工业无线局域网技术进行了调研，约有80%的客户关心可靠性、坚固性、安全性3大问题，西门子的无线产品符合这3方面的要求。西门子的无线产品还具有其他特色，如具有快速漫游功能，在大型仓库中应用时，可缩短取货时间。当工业现场如车间、仓库很大，物品很多时，无线通信往往受到干扰与阻挡，此时只设一架天线是活性与覆盖面不大，采用多架固定天线成本又高，西门子有泄波天线，它可以弯曲，能解决这方面的问题，成本大大降低。

2. 上海通用汽车公司(SGM)案例

　　SGM现有上海金桥、烟台、沈阳3大生产基地，年产能达48万辆，在生产和管理中大量采用计算机控制技术，其中使用的工业无线技术主要有：IEEE802.11b、ANSI371.1以及西门子的无线产品等。SGM无线应用系统主要有以下5类：

(1) 射频-电子搬运系统(RF--EPS)：当现场工人需要物料时，按下无线按钮发信号给物料请求指示板，在那里排队等候任务的铲车司机到零件仓库提取物料送到需要的现场。(2)便携式程序测验端头(PPTH)：用于刷新总装车间生产线整车上的电子控制模块(ECU)的程序。(3)自动移动小车(AGV)：主PLC收集AGV小车的数据及状态参数，进行运算后再将相应命令发给AGV，后者依据主PLC命令方向与路线行进。(4)全球客户评审(GCA)系统：质量部员工以客户打求对制造好的车辆进行质量检查，采用无线手持路端一边评审一边向系统输入评审结果，为各业务部门提供需要的质量数据。(5)自动车辆识别(AVI)系统：能识别和跟踪车身车间、油染车间和车身分配中心里的车辆，包括数量、车型、颜色等，所用的MOBY----基于射频技术的智能识别系统也是西门子产品。(6)车身分配中心(BDC)。SGM目前正在做的无线工控项目有：广州等3个备件仓库进行无线管理。

3. 上海同欣公司案例

　　纪纲先生介绍，上海同欣自动化仪表有限公司在上海某热电厂热网在线调配管理系统、浦东国际机场能源泉中心、江苏盐城热电有限责任公司等工程项目中采用的无线工控方案有下列两种：

(1)基于SMS的数据采集与监控系统：这是用途广泛的信息系统，它借于移动通信技术，将计算机和手机同远方的测量仪表联系起来，实现远程数据采集和监控(SCADA)。用手机可对任何地点、任何距离的测量仪表进行抄表和监控，远程的数据、报警、状态信息可传送到距离任意远的N个地方作同步显示。SMS短信业务采用存储转发机制工作，成本低廉，传输可靠，适合于实时性要求不高的应用对象。(2)基于GPRS的数据采集系统：本系统采用模块化结构，根据用户的一般要求，可由5大模块组成，即系统设定、数据显示、数据查询、数据曲线和数据输出。工作原理是：计算机按系统设置的检测点站号通过主站网络端口，经Internet与GSM网络，向GPRS无线测控单元发出请求，呼叫具体的检测点通用流量演算器(FC-6000plus)，后者按Modbus RTU方式对数据进行打包处理，再通过GPRS无线测控单元向GSM网络发回通信报文，经Internet送连接的计算机，计算机对收回的数据进行CRC校验处理，显示有关信息，并有报表制作、显示与报印功能。

三　几个观点

(1)彭瑜先生认为，工业控制的无线技术主要集中在无线局域网和无线短程网两个方向，虽然它们都具有相当牢固和成熟的技术基础，但为了适应工业控制要求和环境，还需要专门的开发研究。另外，由于无线现场仪表的优点一定要体现在用长期无线供电上，所以一般来说无线传输不适用于高速控制的场合。但是实践证明对大多数监控和慢速控制场合，它足够可靠，也就是说可以用在将近80%的自动化和过程控制场合。

(2)凌志浩先生认为，ZigBee虽然受工控界的关注，但在工控领域应用还存在一些问题值得研究，如在节点位置不确定的情况下，需要网络具有自组网和自我修复的功能；对于大量的节点，怎样合理调度使得最后产生的路由器径合理有效；还有全国跳频技术、抗干扰技术等都是需要进一步研究和探讨的。

(3)通过讨论，大家认为应该把无线通信看成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。由于现场设备级无线网络技术还不成熟，所以实时性要求高以及要求严的任务仍应采用有线传输。目前，无线工控在高可靠性、低成本、低能耗方面，仍有大量的工作要做。