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,上海工业自动化仪表研究所 彭瑜 Pengyu 2006年5月,内 容 提 要,为什么无线通信在工业环境中的应用特别受到重视？ ISA SP100自动化和控制环境下实现无线系统的标准 无线通信网络的分类 无线局域网WLAN 无线短程网WPAN 现场设备层无线通信已进入工控领域 ABB进行的现场设备层无线通信实验 BP进行的现场设备层无线通信实验 HART基金会正在积极开发无线HART协议 结 束 语,为 什 么 现 在 无 线 通 信 在 工 业 环 境 中 的 应 用 特 别 受 到 重 视？,为什么无线通信在工业环境中的应用 特别受到重视？,工业发达国家和新兴崛起国家为提高其产品在全球市场的竞争力，都力求在提高生产率的同时，降低包括能源消耗、原材料消耗和劳务成本。对于发达国家来讲，其劳务成本远远高于新兴崛起国家，因此特别重视促进创新和技术进步，采用新的技术手段。在这场竞争日益激烈的比赛中，无线通信技术在工业中的推广应用受到了特殊的重视，显然是基于这样的大背景。 在工业环境下任何地点均能安装使用的智能无线传感器及其网络，具有足够的可靠性和自治处理能力，将为各种生产装置配备实时共享的数据采集能力，从而为提高生产率，改善产品质量，降低成本发挥重要作用。,Invensys的无线工业应用策略,室内,室外,专用无线网络,数据传输率,功耗,成本/复杂度,欧洲无线工控应用项目RUNES 的开发路线图,欧洲无线工控应用项目RUNES 的开发路线图,在欧洲，从2004年10月至2005年4月，集中了25个组织（大小公司和研究所）制定了一个名为RUNES、在未来10年内无线技术在工业控制和自动化发展应用的路线图。 背景：及时而牢固地抓住无线网络为工业系统安装和运行的高度灵活性和成本优势创造的机会。 目标：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%。,欧洲无线工控应用项目RUNES 的开发路线图,发展无线应用必须考虑的原则： 在工业控制和自动化中尽可能利用无线通信是必然的选择 无线通信应与传统有线通信系统有互操作性 开发可重复配置（reconfigurable）的设备 尽可能地从环境中取得电源（如用太阳能电池） 尽可能采用开放的频段（如世界通用的ISM频段2.4GMHz）,工业环境下利用无线传输的优势,无线传输的优势表现在：极大降低安装成本、持续降低运行维护成本，更换方便，便于升级，减少接插件故障，移动自由且不受限制，投运快速，可以实际利用MEMS（微机电系统）技术。 美国能源部的研究估计，无线传感器网络会为工业现场节能10%和降低排放或泄漏15%提供良好手段。 应充分利用无线通信，开发适当无线产品和系统，为实现我国“十一五”规划的节能降耗目标建功立业。,无线通信网络的工业应用正在发展,无线的工业应用当前出现的新动态是使用高速、无须申请频率许可证、低价的技术。 无线通信距离与具体应用（工厂自动化、过程自动化和SCADA系统）强烈相关，一般大致在150毫米至80公里。,当 前 影 响 无 线 系 统 广 泛 应 用 的 主 要 障 碍,当前影响无线系统广泛应用的主要障碍是：如何克服工业环境对无线传输的影响和无线技术目前发展的状态尚难以满足工业应用的要求。 工业环境对无线通信的挑战有： 工作环境温度由-40C+70C； 高湿度（当温度为40C湿度 95%时不结露）； 本质安全防爆要求； 固定设备和移动设备对无线传输路径的影响（衰变、中断和发生各种各样的缺陷，诸如频散、多径时延、干扰、与频率有关的衰减，节点休眠、节点隐蔽和与安全有关的问题）。,ISA SP100 自 动 化 和 控 制 环 境 下 实 现 无 线 系 统 的 标 准,ISA SP100自动化和控制环境下实现无线系统的标准,美国仪表系统和自动化学会的ISA 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，推荐实践指南、技术报告和相关的信息。着重在三方面制定标准：运用无线技术的环境， 无线通信设备和系统技术的生命周期， 无线技术的应用。主要面向现场仪表和设备。 在SP 100标委会下设五个主要的分标委会： 射频物理学基础 可互操作性 用户要求 用户指南 集成,制定SP100的标准化方法论,SP 100在制定标准前提出标准化方法论： 环境评估射频、光照影响 应用评估传输时间、传输容量 可选项评估技术、产品、标准 无线网络节点部署的评估初始稳定性、部 署方便 性能评估针对用户要求 维护工具、成本、升级,符合SP 100标准保证各方受益,符合SP 100将保证： 供应商的规范的一致性，并易于解释 用户要求简明扼要、贴近，并易于解释 可选项清晰而易于鉴别 对于要克服的问题所提供的可选项是可以进行定量估算,面 向 成 功 的 SP 100,SP 100力求在现有相关标准的基础上，能在一个较短的时间内取得符合要求的结果。 SP 100尽可能应用下列标准并有所提高： ISA SP 99信息安全 IEEE 1451智能传感器 FIPS 140-2信息安全 ISO/OSI 网络可连接的7层模型 SP 100力争促进 新技术的发展应用 无线网络的节点合理部署 从业人员和公司相互间的交流,SP100规定的五类应用（1）,SP100规定的五类应用（2）,直接的操作结果的数据和消息，譬如历史数据的采集，为预防性维护而必须进行的周期性采集的数据，事件顺序记录数据的上传（这类似于文件传递，不能因通信类型而发生数据丢失，属于监控的第5类应用，是指通过无线传输那些不会产生但又非像控制信号那样必须考虑时间性），其它的上装和下载。 属于监控的第4类应用，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和消息，例如基于事件的维护而必须采集的数据，为测试需要而发往现场的限界动作所产生的临时而短暂的结果，无线设备上的电压低限指示器所产生的告知更换电池的信号等等。,SP100规定的五类应用（3）,第3类开环控制是指在回路中还有人在作用，例如操作人员手动启动一个信号装置且注视着这个装置，远程指导开启一个安全门，操作人员执行手动调节泵/阀门等。 第2类闭环监督控制，通常并非关键部位，如不频繁的串级控制，多变量控制，优化控制等。 第1类闭环调节控制，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0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。,SP100规定的五类应用（4）,报警信号根据具体应用场合，分属以上由0类至5类。 例如： 0类报警是指那些具有自动响应的、致命有毒气体的泄漏检测器信号（如对污染的自动响应）， 1类报警是指具有自动响应的、对流程状态会带来高度影响的信号（如自动停止反应的停车信号）， 2类报警是指对流程状态自动响应的信号（如要对某种参与反应的流体做分流处理）， 3类报警是指对流程状态作手动启动的操作响应的信号（如由操作人员来判断决定是否分流至另一并行的反应器）， 4类报警是指有关设备状态的报警，以通知维护人员在短时间内到达现场， 5类报警指那些有关设备状态的报警，要求维护人员采取长期维护的动作。,SP100规定的五类应用（5）,英国石油公司CTO提出：实际对这些类别（不包括0类）的应用需求，大致是按以下的比例 1：2：4：10：10 第四、五类应用是大量的 状态监控振动，温度/压力 性能监控热交换，环境，机械性能,用于工业自动化的无线网络的最紧要的要求,现场设备级无线网络的要求(1/6),成本目标 = (有线) + 不致增加任何维护成本,现场设备级无线网络的要求(2/6),底层结构支持不同供货商提供的设备, 而不致干扰现有的无线设备,现场设备级无线网络的要求(3/6),像有线数字通信网络一样可提供和支持闭环控制,现场设备级无线网络的要求(4/6),保持信息安全的过程具有智能特性,现场设备级无线网络的要求(5/6),必须支持现场设备的无线就地接入,现场设备级无线网络的要求(6/6),信息时间性的重要程度,无 线 通 信 网 络 的 分 类,无线通信网络的分类,无线通信网络按传输距离可分为： 城际网（WMAN） 局域网（WLAN） 个人网（短程网，WPAN） 无线通信网络的标准 城际网（IEEE 802.20， IEEE 802.16） 局域网（IEEE 802.11） 短程网（IEEE 802.15）,IEEE 802标准的无线空间,数据传输率 (Mbps),传输范围,ZigBee 802.15.4,802.15.3 802.15.3a 802.15.3c,WPAN,WLAN,WMAN,WWAN,WiFi 802.11,0.01,0.1,1,10,100,1000,Bluetooth 802.15.1,IEEE 802.22,WiMax IEEE 802.16,IEEE 802.20,正在发展的一些无线传输的技术,无线交换技术 简化无线网络的规划和部署 简化无线网络管理 快速交付使用 网状网络技术 构成接入点和客户的协作网络 改善传输范围，通过数据包的再传输可减少对返输要求 通过多路径传输可提高传输的可靠性 显著改善网络管理和网络能力 智能天线 多发射和/或接收天线（MIMO） 定向聚焦射频电磁波 为改善链接能力和可靠性进行高级信号处理,backhaul,正在发展的一些无线传输的标准,ZigBee/IEEE 802.15.4 特长的电池寿命 很适合工业自动化，家用电器，传感器网络 超宽带（UWB，IEEE 802.15.3a 和802.15.4a） 美国FCC开放一无须申请的自由宽带频率范围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（在2厘米-20米范围内） WiMax（IEEE 802.16，Intel 提出） 适于住宅区/经营性建筑的长距离（ 1km）射频链接 较高数据传输率（在一个20MHz的信道约70Mbps） 也可用于大型工业部署 今年将有商品问世,用于工业控制领域的无线传输网络,近些年来，无线传输网络成为工控领域中正在迅速发展的技术热点之一，也是被不少工业自动化供应厂商看好的一种新的增长点。 发展重点主要集中在无线局域网和无线短程网。 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，基础是IT行业的各种无线传输标准。但充分考虑在这种专门应用中的特别要求，开发适应这些特别要求的技术、规范、标准和行规。,适应不同无线传输要求 而发展的标准和技术,短程 长程,低 高,TEXT,INTERNET/AUDIO,COMPRESSED VIDEO,MULTI-CHANNEL DIGITAL VIDEO,Bluetooth1,Bluetooth 2,ZigBee,802.11b,802.11a/HL2 & 802.11g,802.15.3/WIMEDIA,文本 因特网/声音 压缩图像 多通道数字图像,无 线 网 络 标 准 的 比 较,无线局域网WLAN标准,WLAN标准IEEE 802.11系列还在发展中，已完成的有: 其中， 涉及安全的有：802.11i 安全扩展 涉及性能增强的有： 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 网格状联网 涉及投用和管理的有： 802.11k 射频资源管理， 802.11t 无线性能预测，802.11v 无线网络管理,全球WLAN的