工業自動化領域中的無線技術研究

王薩

摘 要：近年來，以太網、互聯網等網絡架構已越來越廣泛地應用于自動化工業領域，取代傳統的串口通信將成為自動化系統通信的主流。文章重點分析了工業自動化領域中的無線技術，希望能和同仁們一道分享。

關鍵詞：無線通訊技術 工業自動化 應用發展

我國的無線通信技術發展前景廣闊，市場秩序良好，無線通信技術將是未來一段時間內最受歡迎的技術，其自身具有無法比擬的優勢，促進了工業自動化的迅速發展，具有廣闊的應用前景，潛力很大。相信隨著技術的發展，Zigbee技術與UWB技術將會不斷地完善和進步，對工業自動化領域將是一大進步，其發展可以更好地推動工業自動化的蓬勃發展。

1 無線技術的優點

有線通信的建立必須通過物理鏈路，布置線纜費時費力，有時，由于某些工業環境（如高溫高壓）及其地理位置（如經過湖泊、林區等）的特殊性，不易布線。即使建好以后，還易遭受雷擊、環境的腐蝕及鼠蟲的嚙咬：一旦出了故障，不但不易查找，維修起來也很不方便。相比而言，無線技術就要便利的多，無需布線，故障診斷也很容易，可以借助網絡進行遠程診斷。一個通信網絡建好以后，往往因為某種原因增加新的設備節點，如果采用有線方式就要追加布線，更極端的情況可能破壞原來的通信鏈路。但是，如果采用無線組網，就可以在已有的無線網絡的基礎上，增加無線接入點（wirelessAccess Point WAP），修改少量的軟件設置就可以達到擴展節點的目的。對于工業無線網絡的節點而言，只要它能執行自己的功能，可以把節點放置到某個工業區域的任何地方，物理移動有著很大的自由性。無線技術有自己的安全協議，有獨特的加密算法，不易被竊聽：由于采用了擴頻或跳頻技術，具有很好的抗干擾性，這在惡劣的工業環境中極為重要。

2無線技術分析

2.1傳感器網絡

現場設備層無線通信迅速進入工控領域，其中一個突破口就是現場總線和無線通信技術的結合。以Zigbee 網絡為例，其特點是：由于工作周期較短、收發信息功耗較低且采用休眠模式；采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突；一個Zigbee 網絡可以容納最多65536個從設備和一個主設備，一個區域內可以同時存在最多100個Zigbee 網絡；針對時延敏感的應用做了優化，通信時延和休眠狀態激活的時延都非常短。設備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型值為15ms，活動設備信道接入時延為15ms；與現有的控制網絡標準無縫集成，通過網絡協調器自動建立網絡，采用CSMA-CA方式進行信道存取，為了可靠傳遞，提供全握手協議；Zigbee 提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，同時各個應用可以靈活確定其安全屬性；模塊的初始成本較低。

2.2無線局域網

自從1977年第一個民用網系統ARCnet投入運行以來，有線局域網以其廣泛的適用性和技術價格方面的優勢，獲得了成功并得到了迅速發展。然而，在工業現場，一些工業環境禁止、限制使用電纜或很難使用電纜，有線局域網很難發揮作用，因此無線局域網技術得到了發展和應用。隨著微電子技術的不斷發展，無線局域網技術將在工業控制網絡中發揮越來越大的作用。在工業自動化領域，有許許多多的感應器、檢測器、計算機、PLC、讀卡器等設備，需要互相連接形成一個控制網絡，通常這些設備提供的通信接口是RS-232 或RS-485。無線局域網設備使用隔離型信號轉換器，將工業設備的RS-232串口信號與無線局域網及以太網絡信號相互轉換，符合無線局域網IEEE 802.11b和以太網絡IEEE 802.3標準，支持標準的TCP/IP網絡通信協議，有效地擴展了工業設備的聯網通信能力。無線網通信協議可采用IEEE802.3來實現點對點傳輸方式或采用IEEE802.11實現一點對多點傳輸方式，也可以在普通局域網基礎上通過無線Hub、無線接入站、無線網橋、無線Modem及無線網卡等來實現，其中現場以無線網卡使用最為普遍。

2.3藍牙技術

近年來，世界上一些權威的標準化組織，也都在關注藍牙技術標準的制定和發展。例如，IEEE的標準化機構，也已經成立了802.15工作組，專門關注有關藍牙技術標準的兼容和未來的發展等問題。IEEE802.15.2 TG2是探討藍牙技術如何與IEEE 802.11b 無線局域網技術共存的問題；而IEEE 802.15.3 TG3 則是研究未來藍牙技術向更高速率（如10～20Mbits/s）發展的問題。國內的一些生產廠家與研究部門也準備開始組織藍牙技術產品的開發。藍牙是取代數據電纜的短距離無線通信技術，可以支持設備與設備之間的通信，工作頻段是全球開放的2.4GHz頻段，可以同時進行數據和語音傳輸，傳輸速率可達到10Mb/s，使得在其范圍內的各種信息化設備都能實現無縫資源共享。藍牙技術的應用非常廣泛而且極具潛力。它可以應用于無線設備（如PDA、手機、智能電話、無繩電話）、圖像處理設備（照相機、打印機、掃描儀）、安全產品（智能卡、身份識別、票據管理、安全檢查）、消費娛樂（耳機、MP3、游戲）、汽車產品（GPS、ABS、動力系統、安全氣袋）、家用電器（電視機、電冰箱、電烤箱、微波爐、音響、錄像機）、醫療健身、建筑、玩具等領域。

3無線技術在工業自動化領域中的發展趨勢

當前無線局域網重要的發展方向是通信協議的標準化。如無線系統與現有系統的共存性，不同廠家設備的相互可操作性以及系統之間的相互協作性，這些都有賴于制定能被普遍接受的無線通信協議。無線局域網今后的研究方向主要集中在安全性、可靠性、能耗性、移動漫游、網絡管理以及與其它移動通信系統之間的關系等問題上。其發展方向有：更高的通訊速率；研發智能天線進一步提高頻譜利用率，增加覆蓋范圍；與Wimax（微波存取全球互通Worldwide Interoperability for Microwave Access）融合，支持高速、移動接入。現場總線的無線傳輸的可行性正在評估，無線通訊技術將會和現場總線技術更加緊密結合。無線傳輸目前尚處在發展的早期階段。無線技術首先會在樓宇自動化、自動抄表、事故響應、設備監控等領域得到應用。當前較適宜應用的行業有汽車制造、食品加工、制藥和設備資產跟蹤等。由于工廠無線技術種類較多，技術特征差異比較大，無線通信只是現有有線通信系統的一種發展和重要補充，決非一種替代，工業控制網絡將向有線和無線相結合方向發展。

參考文獻：

[1]付剛.淺談無線局域網在智能建筑中的應用[J].民營科技. 2012

[2]李春林.工業自動化領域中的無線技術[J]. 工業儀表與自動化裝置. 2012