無線通訊技術在工業自動化領域的應用及發展

游建華

貴州航天電子科技有限公司 貴州貴陽 550009

1 無線通信技術的特征

無線通信技術是利用電磁波信號在空間中進行信息的特殊性傳輸。在此過程中，體現了它的高效、快速、靈活的特點，可快速且大量地將圖片、文字和語音等數據進行直接傳輸。無線通信技術增加了全國各地無障礙的經濟與政治交流，為人們的生活帶來了便利。無線通信是通過無線接入的方式進行網絡傳輸，因此其不受任何自然因素的影響，可保持無線通信網絡穩定與流暢。

2 無線網絡技術的分類

2.1 WLAN技術

WLAN技術的相關科研成果成為無線信息交流技術，逐步普及到我們日常生活中，與之相關的無線網絡技術使其運行速度更快、傳輸容量更大，同時，與此相關的無線網絡技術已經運用于相關的辦公室辦公和家庭網絡。然而WLAN技術僅局限于小范圍內的相關數據傳輸[1]。

2.2 UWB技術

UWB相關科研技術成果是一項運行速度快、覆蓋范圍廣的無線信息傳遞技術。它是通過快速的頻率脈沖以及相關技術進行信息的傳遞，因此其脈沖范圍較為廣泛。其在基礎頻率3.1～10.6GHz的范圍內占有很大的運行速度，同時減少了運行過程中的相關消耗。

3 無線通訊技術在工業自動化領域的應用

3.1 系統分析

（1）需求分析。以某電機廠無線通信技術為例，電機廠設計了符合ISA100.11a標準的通信網絡具有高度可靠、適用于廣泛的應用及可擴展之外，它們還與有線通信標準兼容，如現場總線、HART和PROFIBUS等，并以模塊形式提供免費或基于許可證的各種基礎技術。既可以用于構建高度可靠的大規模工廠網絡，也可以與其他電機廠產品在中小型網絡中配套使用，從而可以持續擴展其能力。電機廠在開發該系統時主要關注以下3個重要特性：①可靠性：可靠的高性能現場無線和冗余技術；②靈活性：支持范圍廣的靈活結構，適用于各種規模的工廠；③開放性：開放的ISA100.11a標準，可連接第三方現場無線設備支持高可靠性現場無線系統的技術。電機廠現場無線的接收效率很高，其特點是無線物理層（可靠的無線電）具有高可靠性。該技術可以在無障礙的情況下進行長達600m的長距離通圖3系統設計簡圖信，并且在“障礙物密集環境”的多路徑環境中實現低數據包錯誤率[2]。

（2）系統實施方案。實際生產現場的條件千變萬化，在該項目實施前對現場進行調查，了解生產現場的測點、控制室及設備之間妨礙無線通信障礙物的狀況，同時進行實際無線信號發送、接收信號強度、通信成功率、路徑穩定性等相關指標的測試，從而更有針對性的選用網絡設備（如天線型式、中繼器數量位置、網關數量位置等等）。在某企業長運輸管線氣體監測工程項目中，采用了符合ISA100.11a標準的通信網絡控制系統。其系統實施方案流程簡圖見圖1。

圖1 系統實施方案流程簡圖

（3）系統設計。針對長運輸管線氣體監測線路長、測點分散，被鐵路、建筑物分割，傳輸氣體為有毒、易燃易爆，監測點分散設計智能無線系統硬件包括1臺無線網關，1臺無線接入點，3無線變送器中繼裝置，4臺無線變送器。其系統設計簡圖見圖2。長運輸管線氣體監測點各有2臺氣體檢測儀，每臺無線設備了接入兩個現信號。

圖2 系統實施方案設計簡圖

一個無線通信網絡通常包括網關和數臺至數十臺無線現場設備，它們之間采用無線通信，現場設備把信號傳輸至接入點，再由接入點把信號傳至網關，然后由網關以有線方式（例如Modbus、TCP/IP、OPC、以太網等）連接到控制系統。

4 實施效果

工業無線通信采用了網狀、星型及混合拓撲結構，所以它在網關、接入點和現場設備之間可提供多條冗余通信路徑。它能檢測到傳輸路徑的惡化并自動修復，可以自動選擇路徑從而繞過障礙物；還采用了其他技術來保證通信的可靠性：跳頻、可設置的傳輸功率、確定滿足監測和控制應用需求的優先級機制等。網絡安裝以后，通過工業無線網絡配套的軟件可以在控制室的操作員站的顯示畫面上實時監控工業無線網絡的運行狀況見圖3。

圖3 系統設計簡圖

每臺設備的基礎信息，涉及工業無線網絡每臺設備的運行狀況指標，如節點狀態、運行的鄰居（可提供路由的相鄰設備）、鄰居數、維護要求、可靠性、路徑穩定性、接收信號強度指示等都是判斷無線設備通信是否正常的重要參數。通常情況下這些參數是穩定的不會有大的變化，說明其數據傳送可靠、工作正常。

從實踐中看，運行的效果滿意。自工業無線通信技術的標準及相應的產品推出之后，亦經歷了從飽受爭議到逐漸被認可的過程，很多國內用戶已經由開始時的質疑態度，轉變為認可態度。因為工業無線通信技術符合節能減排的要求，和有線系統比較無線系統現場安裝費用約節省80%～90%；無線系統總費用有較大的節省；無線系統后期維護費用大大低于有線系統；無線系統后期如需改造，其費用大大低于有線系統[3]。

5 結語

綜上所述，工業無線通信技術的應用不僅可以對現場儀器儀表提供故障診斷、預測維護功能，而且可以報告與現場儀器儀表相關的工藝過程或工藝設備的健康狀態，從而改善生產過程的操作性能。