雖然,嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境,一直是無線技術(shù)應(yīng)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(yè)與工程技術(shù)人員孜孜以求地努力,用無線技術(shù)探求著工業(yè)自動(dòng)化的新前景。
7月6日在上海,中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)儀表與裝置專業(yè)委員會(huì)、上海市自動(dòng)化學(xué)會(huì)自動(dòng)化應(yīng)用專業(yè)委員會(huì)、上海市自動(dòng)化學(xué)會(huì)自動(dòng)化儀表及應(yīng)用專業(yè)專員會(huì)在科學(xué)堂召開了以“工業(yè)無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用”為主題的第三次自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)＜壹夹g(shù)論壇。參加會(huì)議的有上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所原所長吳欽煒教授級高工、上海大學(xué)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(bào)告的有5位專家:上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究的彭瑜教授級高工的“工廠自動(dòng)化和過程自動(dòng)化中無線短程網(wǎng)和無線局域網(wǎng)的應(yīng)用前景分析”,華東理工大學(xué)凌志浩教授的“ZigBee的技術(shù)支持和應(yīng)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(yè)無線局域網(wǎng)西門子公司解決方案和應(yīng)用實(shí)例”,上海通用汽車公司李先生的“工業(yè)無線通信技術(shù)在上海通用汽車公司的應(yīng)用”,上海同欣自動(dòng)化儀表有限公司紀(jì)綱高級工程師的“移動(dòng)通信技術(shù)在能源泉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用”。會(huì)議由華東理工大學(xué)吳勤勤教授與彭瑜先生主持。
這次會(huì)議,主旨報(bào)告較為全面地反映了當(dāng)前世界工控領(lǐng)域無線通信的一些主要技術(shù)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(huì)議的精彩一角。
一 發(fā)展動(dòng)向
1.技術(shù)在發(fā)展
無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)按距離與標(biāo)準(zhǔn)可分為:WWAN(無線廣域網(wǎng),),WMAA(無線域域網(wǎng),,),WLAN(無線局域網(wǎng),),WPAN(無線個(gè)域網(wǎng)/短程網(wǎng),)。
在我們周圍有哪些無線系統(tǒng)？
彭瑜先生介紹,正在發(fā)展的一些無線傳輸技術(shù)有:無線交換技術(shù)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及智能天線等。正在發(fā)展的一些無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)為:(1)ZigBee(.4):它具有特長的電池壽命,很適合工業(yè)自動(dòng)化、家用電器與傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用；(2)超寬帶(UWB,.3a,):美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(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(gè)重要的工業(yè)市場----位置感知(2cm~20m范圍內(nèi))；(3)WiMax(IEEE,Intel提出):適于住宅區(qū)/經(jīng)營性建筑的長距離(≥1km)射頻鏈接,有較高數(shù)據(jù)傳輸率(在20MHz信道約70mb/s),也可用于大型工業(yè)部署,今年將有商品問世。
對于工控界關(guān)注的新技術(shù)ZigBee,凌志誥先生介紹,它是一種低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),主要用于近距離的無線連接,理論上可連接的節(jié)點(diǎn)多達(dá)65000個(gè),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(gè)。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(xié)議,而ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化,用戶層由用戶自定義。PHY層采用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù),以化整為零的方式,將一個(gè)信號分為多個(gè)信號,再經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)的CSMA/CA方式,以提高系統(tǒng)的兼容性。目前世界上能提供ZigBee軟硬件產(chǎn)品的廠商有:(1)在硬件方面:挪威半導(dǎo)體公司Chipcon推出全球首顆面市并符合.4規(guī)范的射頻收發(fā)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(tǒng)芯片(SOC),包含RF與微處理、存儲(chǔ)器,大大降低了未來ZigBee相關(guān)產(chǎn)品的成本,并可簡化設(shè)計(jì)產(chǎn)品周期。Motorola公司的下屬企業(yè)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(fā)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(yīng)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(rèn)證ZigBee產(chǎn)品的黃金平臺(tái)。目前,只有具有這類平臺(tái)、符合.4協(xié)議、經(jīng)ZigBee聯(lián)盟評定的產(chǎn)品,才能貼上ZigBee產(chǎn)品的標(biāo)簽。
2.標(biāo)準(zhǔn)在制定
IEEE已針對不同的無線通信技術(shù)制定了一系列涉及到網(wǎng)絡(luò)、安全、應(yīng)用方面的通用軟件協(xié)議。現(xiàn)在,已有一些國際組織正在考慮制定工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),彭瑜先生介紹,美國儀表、系統(tǒng)和自動(dòng)化學(xué)會(huì)(ISA)的ISPSP100標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)正在加緊制定自動(dòng)化和控制環(huán)境下實(shí)現(xiàn)無線系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)劃著重從3方面制定標(biāo)準(zhǔn):運(yùn)用無線技術(shù)的環(huán)境,無線通信設(shè)備和系統(tǒng)的生命周期,無線技術(shù)的應(yīng)用。SP100將盡可能應(yīng)用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)(如ISASP99----信息安全、IEEE1451----智能傳感器、ISO/OSI網(wǎng)絡(luò)互連的7層模型等)并有所提高,力爭促進(jìn)新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用、無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的合理部署、保證供應(yīng)商與用戶受益。
彭瑜先生介紹,為了使無線產(chǎn)品供應(yīng)商有一致的規(guī)范,現(xiàn)在ISASP100已規(guī)定了自動(dòng)化和控制環(huán)境下的6類應(yīng)用:第0類(安全類):恒為關(guān)鍵的緊急行動(dòng),包括安全聯(lián)鎖緊急停車、自動(dòng)消防控制等；第1類(控制類):關(guān)鍵的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制,一般均為關(guān)鍵回路,如現(xiàn)場執(zhí)行器的直接控制,頻繁的串級控制等；第2類(控制類):經(jīng)常的非關(guān)鍵閉環(huán)監(jiān)頻控制、多變量控制、優(yōu)化控制等；第3類(控制類):開環(huán)控制,是指在回路中有人在起著作用；第4類(監(jiān)測監(jiān)控類):標(biāo)記產(chǎn)生短期操作結(jié)果,是指通過無線傳輸那些只在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生操作結(jié)果的數(shù)據(jù)的消息；第5類(監(jiān)測監(jiān)控類):記錄和下載/上載不產(chǎn)生直接的操作結(jié)果,例如歷史數(shù)據(jù)的采集,為預(yù)防性維護(hù)而必須進(jìn)行的周期性采集的數(shù)據(jù),事件順序記錄(SOE)數(shù)據(jù)的上傳等。
英國石油公司的首席技術(shù)官指出:實(shí)際對這些類別(不包括0類)的應(yīng)用需求,大致比例為1:2:4:10:10。可見,在自動(dòng)化和控制環(huán)境下,無線通信技術(shù)的應(yīng)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(jīng)做了大量的試驗(yàn)研究和開發(fā)工作。在這方面彭瑜先生作了詳細(xì)的介紹:
(1)歐洲無線工控應(yīng)用項(xiàng)目(RONES)
2004年10月至2005年4月,歐洲集中25個(gè)組織(包括大小公司和研究所)制定了一個(gè)名為RONES、在未來10內(nèi)無線技術(shù)在工業(yè)控制和自動(dòng)化方面發(fā)展應(yīng)用的開發(fā)路線圖。他們認(rèn)為無線網(wǎng)絡(luò)為工業(yè)系統(tǒng)安裝和運(yùn)行的高度靈活性及成本優(yōu)勢創(chuàng)造了機(jī)會(huì),應(yīng)及時(shí)而牢固地抓住機(jī)遇不放。其目標(biāo)是:通過采用無線技術(shù),到2008年將安裝成本降低50%,運(yùn)行成本降低30%；到2014年將安裝成本降低80%,運(yùn)行成本降低50%。
