工业环境下无线短程网技术应用的发展和实践――上海工业自动化仪表研究所

工业环境下无线短程网技术应用的发展和实践上海工业自动化仪表研究所彭瑜2007年6月短程无线通信技术的发展短距离无线通信系统是指依靠无线技术可在一二百米的有效范围内实现数据传输的解决方案。人们希望通过一个小型的、短距离的无线网络来实现低价位、低功耗、可替代线缆的无线数据和语音链路，为移动和商业用户提供各种服务。目前，短距离的无线应用在无线需求市场上快速增长，例如RF识别、无线局域网(WLAN)、个人无线连接网络(WPAN)等。目前几种主流的短距离无线通信有：高速WPAN技术UWB高速无线通信技术（包括MB-OFDM、DS-UWB、WirelessUSB）低速WPAN技术（包括IEEE802.15.4/ZigBee和蓝牙等）今天我们主要讨论的是基于IEEE802.15.4的低成本、低数据率的WPAN技术。低成本、低功耗和对等通信—无线短程网的重要特征短距离无线通信技术的三个重要特征和优势是：低成本、低功耗和对等通信低成本是短距离无线通信的客观要求，因为各种通信终端的产销量都很大，要提供终端间的直通能力，没有足够低的成本很难推广。低功耗是相对其它无线通信技术而言的一个特点，这与其通信距离短这个先天特点密切相关，由于传播距离近，遇到障碍物的几率也小，发射功率普遍都很低，通常在１毫瓦量级。对等通信是短距离无线通信的重要特征，有别于基于网络基础设施的无线通信技术。终端之间对等通信，无须网络设备进行中转，因此接口设计和高层协议都相对比较简单，无线资源的管理通常采用竞争的方式如载波侦听。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：无线网络为工业系统安装和运行的高度灵活性及成本优势创造了机会，及时而牢固地抓住不放。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开发可再配置（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）Emerson的三级无线网络EmersonProcessManagement在2006年第四季度宣布，在历经三年对多种无线传输技术的评估和工业应用实验后，正式决定采用DustNetworks的网格拓扑时间同步协议TSMP技术，作为其工厂智能无线现场网络和解决方案。这一创新的自组织无线网络技术的采用，使它的著名品牌Rosemount测量变送器和ATMTM智能设备管理程序和预测维护套件实现了无线通信的能力，并完全与DeltaVTM和Ovation的DCS产品系列或其它传统主机构成无缝连接。图示出该公司的三级无线网络架构：现场网络（IEEE802.15.4和无线HART）控制网络（IEEE802.11和IEEE802.16，即WiMax）工厂局域网（IEEE802.11和IEEE802.16）Mesh网络拓扑的高传输可靠性Emerson的智能无线解决方案是世界上第一个将自组织网络技术用于工业应用的示范工程。过去三年中，在北美和欧洲几个现场试验的结果证实，其数据传输的可靠性在99%以上，而安装成本比同等的有线方案要低90%。由图中的例子我们便可明白，为什么自组织无线网络的可靠性大于99%：若通道AB的传输可靠性为65%、通道AC的传输可靠性为40%、通道AD的传输可靠性为85%，尽管全都低于99％，但是在任何需要的时刻，由A发至网关的数据通道会以大于99%的概率加以传输。网格拓扑时间同步协议TSMP（1/2）网格拓扑时间同步协议TSMP解决了网络所有的构成节点共享发送、接收和休眠的精确时间同步。在对电池功耗有严格要求的场合（如无线传感器网络WSN），这是十分关键的。只有全部节点的同步唤醒和同步休眠，才能实现电池的长寿命。TSMP与其它WSN所用的信标策略不同，它考虑到信标策略会要求侦听窗口长时间投入工作，从而消耗电池的功率，所以不在每个数据帧的起始处设一同步信标，代之以TSMP节点保持一个精确的时间读出，还要通过与相邻节点交换补偿信息来保证同步。这个补偿值与标准的ACK确认消息一起传送，因此没有额外的时间和功率开销。这一共同的时间读出信号，保证网络具备了许多优点：带宽可预先配置，确保了极可靠的发送和自干扰为零；发送节点在每次发送时可有效地改变频率，而接收节点可保持锁步；以可预见和有条理的方法来调节带宽的增减，以适应数据流的突增或突减。网格拓扑时间同步协议TSMP（2/2）TSMP节点只有3种工作状态：向相邻节点发送消息；侦听处在发送状态的相邻节点；与嵌入的传感器或处理器构成接口。对其它的所有时间而言，该节点处于休眠状态，功耗极低。无线设备的功率有95%是在发射和接收时耗掉的。TSMP毫无例外地、而且是主动地让网络中所有的节点（包括那些为相邻节点作消息传递接力的节点，即所谓的路由节点）的占空比都只有1%，这就是解决网络的所有节点全部由电池供电，并且还能达到长寿命的实际方法。Emerson的现场无线网络该无线系统的规模可大可小，最小为5个节点，而最多可达100,000个。按支持符合SP100规定的第1至第5类应用设计，目前已经过现场实际考验的应用为第3至第5类，即开环控制类和监控类。Emerson公司的SmartPowerTM创新，保证无线设备所用电池寿命因实际应用场合不同可达5至15年。在信息安全方面，Emerson宣称使用了加密、授权、验证、抗感染和密钥管理等技术，并经第三方安全专家的认可，足以保证稳妥可靠的信息安全。该系统可以用在各种流程制造业，包括炼油、石化、化工、制浆和造纸以及水和废水处理等，也可用在石油和天然气采集、输油或输气管线及生产平台的远程监控。此外，Emerson还与设备制造商、用户和工业协会组织一起，积极支持SP100的标准和HART通信基金会有关无线HART规范制定。并承诺一旦这些标准正式发布后，所推出的无线系统可以非常方便地升级，使之完全符合标准。ABB和BP做了大量无线技术工业应用实验在积极制定工业自动化环境下无线网络标准的同时，开发和完善满足SP100要求的无线短程网的协议及其在实用条件下的验证工作也一直在大力地推进着。事实上，早在SP100标准工作启动之前，ABB公司在2003年就开始了在无线网络运用于开环控制和闭环控制的工厂试验。结论是开环控制和操作指导不成问题，闭环控制还存在较大问题。BP公司也从2004年起在化工产品铁路槽车的远程信息处理，大型运油船引擎的振动、温度等参数的监控，油气管线的腐蚀检测，润滑油供应链，液化天然气罐远程监控，油气管线侵入者检测报警，液化天然气容器跟踪以及炼油过程的无线测量平台等多个不同的应用场合进行了许多工业实验。总的结论是：目前的无线技术已完全可满足无线监控系统的要求，离开璧还控制的要求距离尚远。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Invensys正在克服壁垒，面对安全的无线工业应用InvensysProcessSystems宣布其无线通信在工业应用中的策略是：通过建立独特而广泛的管理网络实现其应用要求，即集中在共享接入点技术，以及所有无线设备（不管供应商，也不管应用在哪一级）的共用数据和安全模型。这种策略的目的是：为所有工业和企业的无线应用，提供适当水平的集成、稳健性和信息安全的基础保证。通过无线网络简化测量和数据采集，使得过去在有线通信环境下显得不实际、甚至不可能的方案得以实现。其期望的无线应用解决方案包括：过程优化、设备管理、实时的装置状态监控、能源管理、人员跟踪、资产设备跟踪，以及以实现工业设备利用和提高可用性的协调为重点的企业资产管理。Invensys正在克服壁垒，面对安全的无线工业应用由于无线通信技术在工业环境中的应用正处在发展期，各式各样的新颖无线设备不断地涌入。但这些设备往往利用了专用的无线通信协议、专用的技术和与有线通信网络通信的接入点。这就造成有效利用从这些设备取得的数据变得困难重重，也难以避免保证将信息安全保持在一个适当的水平。这就是Invensys为什么要对所有设备使用共享接入点技术，并且对所有的无线频率和通信协议（WiFi、WiMax、802.15.4、RFID、ZigBee、VoIP、专用协议等）使用共用的数据和信息安全模型。前者会带给用户显著的节省成本，后者则会使通过无线网络取得的数据可容易地与资产管理软件整合。而标准化的安全模型有助于有效管理无线网络，使它保持在一个适当的信息安全和性能水平。Invensys正在克服壁垒，面对安全的无线工业应用Invensys所设计的无线网络策略是与现有的工厂控制和信息网络相互补充和协调运用，它涵盖：所需的硬件和软件对现场的调研和分析服务工程设计和系统集成服务安装、调试和投运服务不断发展的维护、支持和优化服务现正在对北美的几个大型化工企业集团做现场调研与工业短程应用相关的无线标准发展通信标准•IEEE802.15.4（基础—物理层，数据链路层）•ZigBee（网络层/安全层、应用层）•SP100.11（低功率无线传感器设备的标准—面向现场控制）•SP100.14（高带宽无线基础设备和骨干网的标准—面向监控）互操作标准IEEE1451.5应用标准•WirelessHart•WirelessFF•SP100WSN用操作系统TinyOS（开放源代码操作系统，WSN科研界事实上的标准）ISASP100—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ISASP100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，主要面向现场仪表和设备，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。在SP100标委会下开始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集成面向成功的SP100SP100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。SP100尽可能应用下列标准并有所提高：ISASP99—信息安全IEEE1451—智能传感器FIPS140-2—信息安全ISO/OSI网络可连接的7层模型SP100力争促进新技术的发展和应用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规定的六类应用安全0类：紧急动作（恒为关键）信息时间性的重要程度控制1类：闭环调节控制（通常关键）2类：闭环监督控制（经常非关键）3类：开环控制（由人工控制）注：批量控制的3级（“单元“）和4级（”过程小单元“）由其功能决定可能是1类、2类，甚至为0类监测监控4类：标记产生短期操作结果（例如：基于事件的维护）5类：记录和下载/上载不产生直接的操作结果（例如：历史数据采集、事件顺序记录SOE、预防性维护）SP100规定的六类应用英国石油公司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首选要求成本减少安装成本减少运行维护成本易于安装和维护电源管理(采用电池运行)兼容性和可扩可缩可互操作性/共用基础设施/共存性(与其他射频设备共存)在全世界范围均能使用(不会因所在国家的法规而无法使用)网络容量和网络规模可扩可缩性能通信可靠(正确传输的百分比%)适于闭环控制快速的报告速率支持现场点对点控制信息安全网络安全网格拓扑自组织(meshing)的安全性就地现