1 引言
在计算机、通信和网络技术发展的推动下,工业通信技术的发展经历了20世纪六七十年代的模拟仪表控制系统、20世纪八九十年代的集散控制系统(DCS)和20世纪末的现场总线控制系统(FCS)阶段,正朝着智能化和网络化的方向不断发展。随着测控系统规模的不断扩大,降低投资和使用成本成为工业通信技术发展新阶段的迫切要求。而工业现场传感器的安装和使用成本过高成为阻碍工业通信技术发展的主要难题。在这一背景下,无线工业网络的低成本、易用、泛在感知等特征引起了人们广泛的关注。
无线网络成为自动化领域中迅速发展的热点之一,也是工业自动化产品未来的新增长点。显而易见,在配置、安装、修改和扩展等方面,无线网络的成本都低于有线网络。工业无线管控网络是连接工业现场无线测量控制设备并将设备信息传输到上层企业信网络的一类通信网络,是利用工业无线技术嵌入式系统技术和管控一体化技术,将工业现场设备工作状态信息及时、可靠地传输到上层企业信息网络中去的系统。无线技术已经成为工控领域的核心技术,它将改变工业自动化的格局。基于无线技术建立的新型网络化管控系统,是通过对工业全流程的“泛在感知”,实施优化控制,来达到提高产品质量和节能降耗的目标。为了推进无线技术在工业领域的快速发展,将无线传感器网络应用于工业自动化领域,并将适合在恶劣的工业现场环境使用,这也代表着工业自动化系统技术的发展方向,将在在石油天然气开采、石化、冶金、污水处理等高耗能、高污染行业有广泛的应用前景。
2 传统传感方式与无线传感网络对比
现有的实现工业监控方案:传统的分布式控制系统(DCS),现场总线控制系统(FCS),工业以太网系统,都不是最合适的选择,以下为有线管控网络架构图。
工业以太网为主流的工业控制网络,以其扁平化,高带宽来保证数据传输的实时性,并且与企业信息网络可以相对容易的集成在一起,但是它也有不能忽视的弊端:就是成本比较高,而且不易部署,布线比较麻烦。
基于以上分析,提出无线管控网络系统,将现场控制网络与企业信息网络集成起来,实现管控一体化,有效降低生产成本,提高生产效率。实现工业现场无线技术的选择,来保证工业现场数据可靠、实时传输。无线管控一体化网络架构如下:
3 无线传感网络解决方案
本文针对当前无线传输在工控领域应用遇到的可靠性、实时性、互操作性、低能耗等主要问题,在IEEE802.15.4协议基础上,提出了基于ZigBee与OPC技术的无线管控网络的解决方案,通过ZigBee自组网、自治愈的智能网络机制与OPC C/S模式建立无线工业网络的数据交换,具有成本低、体积小、功耗低的ZigBee技术无疑成为无线传感器网络的首选技术之一。[1]解决工业现场控制网络与企业信息网络技术的集成问题,从而实现了完整的无线管控网络方案,作为有线工业管控一体化系统的一种发展和重要补充。
本文所应用的ZigBee技术是一种基于IEEE802.15.4协议标准而产生的新兴无线通行技术。相对于现有的其它无线通信技术,ZigBee技术具有短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本等显著特点。而ZigBee已于无线传感器网络有了很成熟的应用,ZigBee技术可协调数千个微小的传感器节点之间的相互通信。这些传感器节点只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器节点传到另一个传感器节点,通信效率高。因此,ZigBee技术是实现无线工业管控网络的最佳选择,ZigBee技术的出现为无线工业管控一体化技术的发展提供了契机。利用ZigBee技术作为无线工业网络的传输载体,将会使无线工业网络更能充分发挥其优势。
为了与实际应用相结合,本文是在研究和分析了当前工业无线通信技术实现上存在的一些不足,针对一些工业现场无线数据传输网待传输数据量较大,可靠性高、实时性保证的特点,在研究IEEE 802.15.4协议基础上,提出了一种基于Zigbee与OPC技术的无线管控一体化实现思想;一种低成本、低功耗、可靠性高、实时性有保证的工业无线管控网系统解决方案;作为有线工业管控一体化系统的一种发展和重要补充;将工业无线技术、管控一体化技术和嵌入式技术、OPC集成技术结合在一起的首次尝试;并且加强了管控一体化网络的开放性和标准性,不同品牌的控制器都可以通过OPC接入管控一体化网络中的标准。
4 ZigBee无线网络特点
ZigBee无线网络具有如下特点:
(1) 低速率,其数据传输速率为10~250 kbps,适合传输温度、湿度之类的数据;
(2) 近距离,两个节点之间的单跳距离在10~75m之间;
(3) 低功耗,由于传输速率低,通信距离短,其发射功率仅为1mW,而且ZigBee芯片都采用了休眠模式,因此ZigBee设备,特别是终端节点非常省电;据估算,一节普通容量的锂电池就可以维持0.5~3年的使用时间;
(4) 低成本,ZigBee协议简单(不到蓝牙的1/10),从而降低了对通信控制器的要求,8位单片机就能满足要求,目前各家半导体制造商所推出的ZigBee芯片的价格都在8美元以下,外围电路简单,而且ZigBee协议是免专利费的;
(5) 短时延,ZigBee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15ms,节点加入网络只需2s,进一步减小了功耗,相比较,蓝牙需要3~10s,WiFi需要3s;
(6) 网络容量大,根据ZigBee规范,一个ZigBee网络可以容纳255个节点,理论上,最大容量高达65 000个节点;
(7) 动态组网,自动路由,有自愈功能,可以随时在已有网络中加入新的节点,那些由于客观条件而退出网络的节点,如超出信号覆盖范围,信道被污染等,在条件消除以后可以重新加入网络,当网络中的某个路由器由于种种原因出现故障时,会重新寻找一条新的最佳路径;
(8) 高安全性,ZigBee提供了三级安全模式,包括无安全设定,使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES-128)的对称密码,以灵活确定其安全属性;
(9) 免执照频段,使用的频段分别为2.4GHz(全球)、868MHz(欧洲)和915MHz(美国),均为免执照频段。ZigBee的以上技术特点决定了它将是无线传感器网络的最好选择[2]。
5 信息集成技术的选择
工业现场无线技术方案的选择:802.15.4、红外、HomeRF、蓝牙、802.11b、HiperLAN1等。
要考虑目前流行的几种无线技术的传输速度、适用场合。将它们引入到工业控制网络时,要结合工业控制网络,低成本、可靠性与实时性有保证的重要特征来仔细考虑。从数据传输率的角度不难看出,HiperLAN2、802.11b较适合于家庭娱乐型网络,HomeRF、蓝牙则适合于数据文件和语音的传输。而则IEEE 802.15.4低数据传输率的监测和控制网络的首选技术。由于现阶段工业监控场合主要的应用是机械设备远程的监测与控制,大部分是标量数据,没有涉及到语音和视频。所以本文选用IEEE 802.15.4无线技术方案。这不仅是因为它的数据传输率适合工业监控需求。更是因为它有着低成本,低复杂度,超低功耗,广阔的市场前景等特点。
现有的信息集成方案有:采用DDE技术实现、采用统一的协议标准来实现,还可以采用OPC技术来实现。
(1) 采用DDE技术实现
在现场控制网络和企业信息网络之间架设一个中间系统或共享存储器工作站,在其上采用基于Windows平台的动态数据交换(Dynamic Data Exchange,DDE)方式实现两者的集成,其实质是各应用程序通过共享内存交换信息,实际上是一种协议。DDE协议使用共享内存在应用程序之间传输数据,完成应用程序之间的数据交换。DDE集成方式虽然具有较强的实时性,且借助windows平台较容易实现,但是整个协议转换较复杂,软件开销比较大,所以只适合配置简单的小型系统。
(2) 采用统一的协议标准实现
由于现场控制网络和企业信息网络均采用了面向不同应用的协议标准,这样两者的集成就需要进行数据格式的转换,这种协议转换将使系统复杂化。倘若现场控制网络与企业信息网络均采用相同的协议标准,那就不需要协议转换了。但这种协议标准必须同时满足现场控制网络与企业信息网络的实时性、可靠性要求。现今在工业控制领域比较流行的工业以太网,它是在以太网技术和TCP／IP技术的基础上开发出来的一种现场总线,可以方便地实现与Internet实现无缝链接,它同时满足了现场控制网络与企业信息网络的性能需求。这种方式将成为控制网络和信息网络完全集成的最终解决方案。但是它还是一种有线的方式,有成本较高、不易部署等缺点。
(3) 采用OPC技术实现
OPC(OLE for Process Control)是一套为Windows操作平台的工业应用程序之间提供高效的信息集成和交互功能的组件对象模型接口标准,它以微软的组件对象模型COM/DCOM/COM+技术为基础,采用Client/Server(客户/服务器)模式。OPC在软件之间建立单一的数据访问规范,这个接口规范不但能够应用于单台计算机,而且可以支持网络上的分布应用程序之间的通信和不同平台上应用程序之间的通信,该技术完全支持分布应用和异构环境下应用程序之间的无缝集成和互操作性。采用OPC技术实现信息集成方案是合适可行的。OPC开发的最重要的目的是即插即用,也就是采用标准方式配置硬件和软件接口,一个设备可以很容易地加入现有系统并立即使用,不需要复杂的配置,且不会影响现有系统,系统中的信息也可以很方便地分散至众多支持OPC的软件当中,如维护、监督、操作显示和文档管理等。OPC技术相对来说已经比较成熟,基于微软平台的,发展比较完善,所以无线管控网络方案实施在于工业现场无线技术的实现。
提出Zigbee与OPC集成技术相结合的方案,将无线管控网技术应用于工业生产线监控领域,这是工业无线技术、管控一体化技术在实际工程的首次尝试。
6 结束语
长期以来,低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。自从Bluetooth出现以后,曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已,但是Bluetooth的售价一直居高不下,严重影响了这些厂商的使用意愿。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,主要用于近距离无线连接。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点,所以它们的通信效率非常高。
OPC服务器是实现无线现场监控网络与企业信息管理网络的关键桥梁,OPC在软件之间建立单一的数据访问规范,这个接口规范不但能够应用于单台计算机,而且可以支持网络上的分布应用程序之间的通信和不同平台上应用程序之间的通信,该技术完全支持分布应用和异构环境下应用程序之间的无缝集成和互操作性。由于OPC技术本身比较成熟,所以无线管控系统的关键技术就是无线现场数据采集网络系统的设计与实现了。
本文所提出的基于Zigbee与OPC技术的无线管控一体化实现思想和工业无线管控网系统的解决方案是有线工业管控一体化系统的一种发展和重要补充;将工业无线技术、管控一体化技术和嵌入式技术、OPC集成技术结合在一起的首次尝试,加强了管控一体化网络的开放性和标准性,不同品牌的控制器都可以通过OPC接入管控一体化网络中的标准,本技术方案应用于某选煤厂中,解决了工业现场无线传感组网的实际问题。
参考文献:
[1] 蒋挺,赵成林.紫蜂技术及其应用[M].北京:北京邮电大学出版社,2006:1-25
[2] 吴光荣,章剑雄,徐向华.ZigBee网络系统节点硬件设计与实现[J].杭州电子科技大学学报,2008,(8):2.
作者简介:巩伟(1971-),男,副研究员,从事自动化控制,管控一体化系统研究。