發布日期：2022-07-14 點擊率：50
雖然,嚴酷的工業環境,一直是無線技術應用的壁壘,但最近10余年來有了新的突破,世界上有許多企業與工程技術人員孜孜以求地努力,用無線技術探求著工業自動化的新前景。
7月6日在上海,中國自動化學會儀表與裝置專業委員會、上海市自動化學會自動化應用專業委員會、上海市自動化學會自動化儀表及應用專業專員會在科學堂召開了以“工業無線通信網絡技術及應用”為主題的第三次自動化領域專家技術論壇。參加會議的有上海工業自動化儀表研究所原所長吳欽煒教授級高工、上海大學何國森教授、原中石化上海石化研究所鐘霖田教授級高工等共60余人。作主旨報告的有5位專家:上海工業自動化儀表研究的彭瑜教授級高工的“工廠自動化和過程自動化中無線短程網和無線局域網的應用前景分析”,華東理工大學凌志浩教授的“ZigBee的技術支持和應用前景”,西門子(中國)有限公司上海分公司張惠梁工程師的“工業無線局域網西門子公司解決方案和應用實例”,上海通用汽車公司李先生的“工業無線通信技術在上海通用汽車公司的應用”,上海同欣自動化儀表有限公司紀綱高級工程師的“移動通信技術在能源泉數據采集系統中的應用”。會議由華東理工大學吳勤勤教授與彭瑜先生主持。
這次會議,主旨報告較為全面地反映了當前世界工控領域無線通信的一些主要技術與解決方案,討論也非常熱烈,由于篇幅所限,本文僅從下述3方面反映會議的精彩一角。
一 發展動向
1.技術在發展
無線網絡技術按距離與標準可分為:WWAN(無線廣域網,),WMAA(無線域域網,,),WLAN(無線局域網,),WPAN(無線個域網/短程網,)。
在我們周圍有哪些無線系統？
彭瑜先生介紹,正在發展的一些無線傳輸技術有:無線交換技術、網狀網絡技術以及智能天線等。正在發展的一些無線傳輸標準為:(1)ZigBee(.4):它具有特長的電池壽命,很適合工業自動化、家用電器與傳感器網絡應用；(2)超寬帶(UWB,.3a,):美國聯邦通信委員會(FCC)為其開放無須申請的自由寬帶頻率范圍為3.1~,無射頻載波,低成本,低功耗,非直線傳輸,在低傳輸速率模式,可用于一個重要的工業市場----位置感知(2cm~20m范圍內)；(3)WiMax(IEEE,Intel提出):適于住宅區/經營性建筑的長距離(≥1km)射頻鏈接,有較高數據傳輸率(在20MHz信道約70mb/s),也可用于大型工業部署,今年將有商品問世。
對于工控界關注的新技術ZigBee,凌志誥先生介紹,它是一種低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術,主要用于近距離的無線連接,理論上可連接的節點多達65000個,使用頻段有的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段以及美國的915MHz頻段,而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個。ZigBee與.4不完全等同,后者僅處理物理層(PHY)和媒體存取控制(MAL)層協議,而ZigBee聯盟對其網絡層和應用層協議進行了標準化,用戶層由用戶自定義。PHY層采用直接序列擴頻(DSSS)技術,以化整為零的方式,將一個信號分為多個信號,再經由編碼方式傳送信號,以避免干擾。在MAC層方面,主要是沿用WLAN中系列標準的CSMA/CA方式,以提高系統的兼容性。目前世界上能提供ZigBee軟硬件產品的廠商有:(1)在硬件方面:挪威半導體公司Chipcon推出全球首顆面市并符合.4規范的射頻收發器芯片CC2420(搭配AtmelAVR8bit微處理器)后,于2005年第三季度又推出一顆型號為CC2430的系統芯片(SOC),包含RF與微處理、存儲器,大大降低了未來ZigBee相關產品的成本,并可簡化設計產品周期。Motorola公司的下屬企業Freescale公司也推出的RF芯片,有3種型號:MC13191、MC13192、MC13193。(2)在軟件方面:國際上已有Ember、AirBee、Figure8Wireless(F8W)等公司可提供ZigBee軟件。其中已被chipcon收購的F8W公司的Z-stack是其開發的ZigBee套裝軟件的重要部分,使得Chipcon成為ZigBee完全解決方案的供應商。Freescale公司也是搭配F8W的Z-stack。這樣,這兩家的ZigBee芯片加Z-stack已成為認證ZigBee產品的黃金平臺。目前,只有具有這類平臺、符合.4協議、經ZigBee聯盟評定的產品,才能貼上ZigBee產品的標簽。
2.標準在制定
IEEE已針對不同的無線通信技術制定了一系列涉及到網絡、安全、應用方面的通用軟件協議。現在,已有一些國際組織正在考慮制定工業標準,彭瑜先生介紹,美國儀表、系統和自動化學會(ISA)的ISPSP100標準委員會正在加緊制定自動化和控制環境下實現無線系統的標準。計劃著重從3方面制定標準:運用無線技術的環境,無線通信設備和系統的生命周期,無線技術的應用。SP100將盡可能應用現有標準(如ISASP99----信息安全、IEEE1451----智能傳感器、ISO/OSI網絡互連的7層模型等)并有所提高,力爭促進新技術的發展和應用、無線網絡節點的合理部署、保證供應商與用戶受益。
彭瑜先生介紹,為了使無線產品供應商有一致的規范,現在ISASP100已規定了自動化和控制環境下的6類應用:第0類(安全類):恒為關鍵的緊急行動,包括安全聯鎖緊急停車、自動消防控制等；第1類(控制類):關鍵的閉環調節控制,一般均為關鍵回路,如現場執行器的直接控制,頻繁的串級控制等；第2類(控制類):經常的非關鍵閉環監頻控制、多變量控制、優化控制等；第3類(控制類):開環控制,是指在回路中有人在起著作用；第4類(監測監控類):標記產生短期操作結果,是指通過無線傳輸那些只在短時間內產生操作結果的數據的消息；第5類(監測監控類):記錄和下載/上載不產生直接的操作結果,例如歷史數據的采集,為預防性維護而必須進行的周期性采集的數據,事件順序記錄(SOE)數據的上傳等。
英國石油公司的首席技術官指出:實際對這些類別(不包括0類)的應用需求,大致比例為1:2:4:10:10。可見,在自動化和控制環境下,無線通信技術的應用,大多屬于3~5類。
3.廠商在努力
為了滿足無線工控潛在市場的需求,廠商已經做了大量的試驗研究和開發工作。在這方面彭瑜先生作了詳細的介紹:
(1)歐洲無線工控應用項目(RONES)
2004年10月至2005年4月,歐洲集中25個組織(包括大小公司和研究所)制定了一個名為RONES、在未來10內無線技術在工業控制和自動化方面發展應用的開發路線圖。他們認為無線網絡為工業系統安裝和運行的高度靈活性及成本優勢創造了機會,應及時而牢固地抓住機遇不放。其目標是:通過采用無線技術,到2008年將安裝成本降低50%,運行成本降低30%；到2014年將安裝成本降低80%,運行成本降低50%。
