无线通信网络在工控领域的应用现状及前景

用于工业控制领域的无线局域网WLAN

一如以往所有的IT技术移植到工控应用中来所采取的方法一样，用于工业控制领域的无线局域网的基础是IT行业的无线局域网标准。但必须在此基础上充分考虑在工控应用中的特别要求，开发满足这些要求的技术、规范和行规。

WLAN标准IEEE 802.11系列还在发展中，已完成的有:



除此而外，还有涉及安全的：802.11i 安全扩展；涉及性能增强的：802.11e MAC层的QoS扩展，802.11r快速漫游，802.11n 极高吞吐能力方式，802.11s 网状联网； 涉及投用和管理的： 802.11k 射频资源管理，802.11t 无线性能预测，802.11v 无线网络管理。

考虑到无线局域网在工业企业中的安全性和适用性问题，制造业的企业一度暂时放缓了建立无线局域网的步伐。2004年10月美国IDG公司的市场调研人员发现，在美国流程工业中53%的企业、离散型制造业中39%的企业程度不等地应用了无线局域网技术。在这些应用中很多是集中于物流的仓储、运输和装卸。估计在安全性问题很好解决后，在制造业领域中无线局域网的应用将会迎来一个高潮。

工业WLAN比一般企业办公和家庭应用环境用的WLAN要求要高许多，可归纳如下：

（1）严格的延迟要求：用于现场设备要求延迟不大于10ms，用于运动控制不大于1ms，对于周期性的控制通信，使延迟时间的波动减
至最小也是很重要的指标。

（2） 确定性性能的保证：保证确定性是对任务执行有严格保证的工业通信系统必备的特性。即使设备处于漫游状态也有此要求，否则会丧失实时性能。

（3）支持大量设备挂网，并容许挂网设备的接入数量可随机变化：工业WLAN的接入点约为数百个的数量级。若节点过多和接入的节点数有变化，有可能导致IEEE 802.11的MAC协议层效率太低。

（4）网络安全的保证：满足安全保密法规是工业WLAN的基本要求。包括防止黑客用户的侵入及对这些接入点的检测等。

（5）网络投用的保证：由于运行故障是不可接受的，因此对于有几百个设备节点的WLAN来讲，要求网络具有自投用功能，并能执行无线配置和辅助节点位置的自动搜索。

IEEE 802.11在技术上并不能提供确定性的保证，但在802.11e 中给出了在MAC层支持多传输介质应用及保证通信质量QoS的扩展。一方面解决了在MAC层的优先级服务，另方面又通过轮询规约（polling protocol）实现多介质的通信调度。由于轮询在本质上具有确定性，因而可以避免由802.11的信道争用和指数补偿而造成的延迟。为了防止轮询可能带来的不良问题（如在需要发送的数据尚未形成之前轮询信号已到，那么该数据的发送则不得不再等待一个轮询周期），需要通过自适应轮询算法保证现场设备同步。

由此可见，虽然工业WLAN的市场容量相对较小，但性能要求却很高。工业WLAN的产品应灵活地通过软件模块实现802.11的分标准。如Siemens已问世的产品SCALANCE-W，就可提供工业QoS和快速漫游的解决方案。

无线信息传输主干网




图3 通过无线信息主干网将无线现场短程网和有线现场总线、以太网组合

由于ZigBee是短程网，不可能覆盖整个厂区，加之原有的现场总线也很有效，所以设计了一种无线信息主干网系统。通过建立发射功率较大的无线信息主干网（WIB，Wireless Information Backbones），可将ZigBee传感器的信息传输给各种挂在以太网、现场总线上的物理设备（如图3）。WIB的节点一方面是无线网络上的一个节点，另一方面又起着无线通信协议和其他有线通信协议的转换作用。实践证明，采用1W的发射功率，WIB就可穿透多数的工厂和成套设备。这样，ZigBee因其发射功率小、易受钢结构所衰减、传输距离短等固有问题，完全可以通过WIB予以解决（参见图4和图5）。而其低功耗、低成本、传输可靠性高、简便实用等优越性又可以充分被利用。  


图4 典型工厂的ZigBee无线传感器覆盖范围




图5 典型工厂的无线信息骨干网覆盖范围

采取这样的技术路线，不但可将无线通信应用于有线通信布线困难的场合，还可在一定程度上替代有线通信，以期在节省安装成本和运行成本方面收到可观效果，还可提高检测系统和控制系统配置的灵活性。

概述性的结论

（1）无线传输进入工业控制领域的趋势无可置疑。有人估计再过四五年，即2010年前，大多数仪表和自动化产品都将嵌入无线传输的功能。由于无线现场仪表的优点一定要体现在用电池长期供电上，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）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SCADA系统、设备资产管理、诊断维护等。当前较适宜应用的行业可能有：物流过程（装运状态监控）、汽车制造、食品加工、制药和流程行业（设备资产跟踪、监控、管理）等。

（3）用于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。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。

（4）现有现场总线的无线传输的可行性正在评估。基于CAN的DeviceNet实现无线通信的确定性相对要容易，因为其数据包长度相当小。现已有产品问世，但尚未见正式规范。因此只能认为这仅仅是个别的解决方案。相对而言，Profibus-DP的数据包长度相当长（187KB），若要实现无线通信，只能通过IEEE 802.11(其带宽为1Mb/s)、IEEE 802.11b（其带宽为11Mb/s）或 IEEE 802.15.1（其带宽为1～3Mb/s）而不能采用IEEE 802.15.4（其带宽仅为20～250Kb/s），因而要保证传输的确定性确有其难度。

（5）HART基金会已成立无线HART工作组，要求2006年初拿出规范草案，确定通过ZigBee实现HART的可行性。鉴于采用HART协议传输的仪表市场占有率高，绝对数量巨大，此动向极为吸引业界关注。

（6）适应各种不同应用类型和要求的无线通信的标准，有的已经颁布并被市场接受，有的还在制订过程中，其发展和市场开发值得我们重视。

（7）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。