1 引言
在計算機、通信和網絡技術發展的推動下,工業通信技術的發展經歷了20世紀六七十年代的模擬儀表控制系統、20世紀八九十年代的集散控制系統(DCS)和20世紀末的現場總線控制系統(FCS)階段,正朝著智能化和網絡化的方向不斷發展。隨著測控系統規模的不斷擴大,降低投資和使用成本成為工業通信技術發展新階段的迫切要求。而工業現場傳感器的安裝和使用成本過高成為阻礙工業通信技術發展的主要難題。在這一背景下,無線工業網絡的低成本、易用、泛在感知等特征引起了人們廣泛的關注。
無線網絡成為自動化領域中迅速發展的熱點之一,也是工業自動化產品未來的新增長點。顯而易見,在配置、安裝、修改和擴展等方面,無線網絡的成本都低于有線網絡。工業無線管控網絡是連接工業現場無線測量控制設備并將設備信息傳輸到上層企業信網絡的一類通信網絡,是利用工業無線技術嵌入式系統技術和管控一體化技術,將工業現場設備工作狀態信息及時、可靠地傳輸到上層企業信息網絡中去的系統。無線技術已經成為工控領域的核心技術,它將改變工業自動化的格局。基于無線技術建立的新型網絡化管控系統,是通過對工業全流程的“泛在感知”,實施優化控制,來達到提高產品質量和節能降耗的目標。為了推進無線技術在工業領域的快速發展,將無線傳感器網絡應用于工業自動化領域,并將適合在惡劣的工業現場環境使用,這也代表著工業自動化系統技術的發展方向,將在在石油天然氣開采、石化、冶金、污水處理等高耗能、高污染行業有廣泛的應用前景。
2 傳統傳感方式與無線傳感網絡對比
現有的實現工業監控方案:傳統的分布式控制系統(DCS),現場總線控制系統(FCS),工業以太網系統,都不是最合適的選擇,以下為有線管控網絡架構圖。
工業以太網為主流的工業控制網絡,以其扁平化,高帶寬來保證數據傳輸的實時性,并且與企業信息網絡可以相對容易的集成在一起,但是它也有不能忽視的弊端:就是成本比較高,而且不易部署,布線比較麻煩。
基于以上分析,提出無線管控網絡系統,將現場控制網絡與企業信息網絡集成起來,實現管控一體化,有效降低生產成本,提高生產效率。實現工業現場無線技術的選擇,來保證工業現場數據可靠、實時傳輸。無線管控一體化網絡架構如下:
3 無線傳感網絡解決方案
本文針對當前無線傳輸在工控領域應用遇到的可靠性、實時性、互操作性、低能耗等主要問題,在IEEE802.15.4協議基礎上,提出了基于ZigBee與OPC技術的無線管控網絡的解決方案,通過ZigBee自組網、自治愈的智能網絡機制與OPC C/S模式建立無線工業網絡的數據交換,具有成本低、體積小、功耗低的ZigBee技術無疑成為無線傳感器網絡的首選技術之一。[1]解決工業現場控制網絡與企業信息網絡技術的集成問題,從而實現了完整的無線管控網絡方案,作為有線工業管控一體化系統的一種發展和重要補充。
本文所應用的ZigBee技術是一種基于IEEE802.15.4協議標準而產生的新興無線通行技術。相對于現有的其它無線通信技術,ZigBee技術具有短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本等顯著特點。而ZigBee已于無線傳感器網絡有了很成熟的應用,ZigBee技術可協調數千個微小的傳感器節點之間的相互通信。這些傳感器節點只需要很少的能量,以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器節點傳到另一個傳感器節點,通信效率高。因此,ZigBee技術是實現無線工業管控網絡的最佳選擇,ZigBee技術的出現為無線工業管控一體化技術的發展提供了契機。利用ZigBee技術作為無線工業網絡的傳輸載體,將會使無線工業網絡更能充分發揮其優勢。
為了與實際應用相結合,本文是在研究和分析了當前工業無線通信技術實現上存在的一些不足,針對一些工業現場無線數據傳輸網待傳輸數據量較大,可靠性高、實時性保證的特點,在研究IEEE 802.15.4協議基礎上,提出了一種基于Zigbee與OPC技術的無線管控一體化實現思想;一種低成本、低功耗、可靠性高、實時性有保證的工業無線管控網系統解決方案;作為有線工業管控一體化系統的一種發展和重要補充;將工業無線技術、管控一體化技術和嵌入式技術、OPC集成技術結合在一起的首次嘗試;并且加強了管控一體化網絡的開放性和標準性,不同品牌的控制器都可以通過OPC接入管控一體化網絡中的標準。
4 ZigBee無線網絡特點
ZigBee無線網絡具有如下特點:
(1) 低速率,其數據傳輸速率為10~250 kbps,適合傳輸溫度、濕度之類的數據;
(2) 近距離,兩個節點之間的單跳距離在10~75m之間;
(3) 低功耗,由于傳輸速率低,通信距離短,其發射功率僅為1mW,而且ZigBee芯片都采用了休眠模式,因此ZigBee設備,特別是終端節點非常省電;據估算,一節普通容量的鋰電池就可以維持0.5~3年的使用時間;
(4) 低成本,ZigBee協議簡單(不到藍牙的1/10),從而降低了對通信控制器的要求,8位單片機就能滿足要求,目前各家半導體制造商所推出的ZigBee芯片的價格都在8美元以下,外圍電路簡單,而且ZigBee協議是免專利費的;
(5) 短時延,ZigBee的響應速度較快,一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms,節點加入網絡只需2s,進一步減小了功耗,相比較,藍牙需要3~10s,WiFi需要3s;
(6) 網絡容量大,根據ZigBee規范,一個ZigBee網絡可以容納255個節點,理論上,最大容量高達65 000個節點;
(7) 動態組網,自動路由,有自愈功能,可以隨時在已有網絡中加入新的節點,那些由于客觀條件而退出網絡的節點,如超出信號覆蓋范圍,信道被污染等,在條件消除以后可以重新加入網絡,當網絡中的某個路由器由于種種原因出現故障時,會重新尋找一條新的最佳路徑;
(8) 高安全性,ZigBee提供了三級安全模式,包括無安全設定,使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES-128)的對稱密碼,以靈活確定其安全屬性;
(9) 免執照頻段,使用的頻段分別為2.4GHz(全球)、868MHz(歐洲)和915MHz(美國),均為免執照頻段。ZigBee的以上技術特點決定了它將是無線傳感器網絡的最好選擇[2]。
5 信息集成技術的選擇
工業現場無線技術方案的選擇:802.15.4、紅外、HomeRF、藍牙、802.11b、HiperLAN1等。
要考慮目前流行的幾種無線技術的傳輸速度、適用場合。將它們引入到工業控制網絡時,要結合工業控制網絡,低成本、可靠性與實時性有保證的重要特征來仔細考慮。從數據傳輸率的角度不難看出,HiperLAN2、802.11b較適合于家庭娛樂型網絡,HomeRF、藍牙則適合于數據文件和語音的傳輸。而則IEEE 802.15.4低數據傳輸率的監測和控制網絡的首選技術。由于現階段工業監控場合主要的應用是機械設備遠程的監測與控制,大部分是標量數據,沒有涉及到語音和視頻。所以本文選用IEEE 802.15.4無線技術方案。這不僅是因為它的數據傳輸率適合工業監控需求。更是因為它有著低成本,低復雜度,超低功耗,廣闊的市場前景等特點。
現有的信息集成方案有:采用DDE技術實現、采用統一的協議標準來實現,還可以采用OPC技術來實現。
(1) 采用DDE技術實現
在現場控制網絡和企業信息網絡之間架設一個中間系統或共享存儲器工作站,在其上采用基于Windows平臺的動態數據交換(Dynamic Data Exchange,DDE)方式實現兩者的集成,其實質是各應用程序通過共享內存交換信息,實際上是一種協議。DDE協議使用共享內存在應用程序之間傳輸數據,完成應用程序之間的數據交換。DDE集成方式雖然具有較強的實時性,且借助windows平臺較容易實現,但是整個協議轉換較復雜,軟件開銷比較大,所以只適合配置簡單的小型系統。
(2) 采用統一的協議標準實現
由于現場控制網絡和企業信息網絡均采用了面向不同應用的協議標準,這樣兩者的集成就需要進行數據格式的轉換,這種協議轉換將使系統復雜化。倘若現場控制網絡與企業信息網絡均采用相同的協議標準,那就不需要協議轉換了。但這種協議標準必須同時滿足現場控制網絡與企業信息網絡的實時性、可靠性要求。現今在工業控制領域比較流行的工業以太網,它是在以太網技術和TCP／IP技術的基礎上開發出來的一種現場總線,可以方便地實現與Internet實現無縫鏈接,它同時滿足了現場控制網絡與企業信息網絡的性能需求。這種方式將成為控制網絡和信息網絡完全集成的最終解決方案。但是它還是一種有線的方式,有成本較高、不易部署等缺點。
(3) 采用OPC技術實現
OPC(OLE for Process Control)是一套為Windows操作平臺的工業應用程序之間提供高效的信息集成和交互功能的組件對象模型接口標準,它以微軟的組件對象模型COM/DCOM/COM+技術為基礎,采用Client/Server(客戶/服務器)模式。OPC在軟件之間建立單一的數據訪問規范,這個接口規范不但能夠應用于單臺計算機,而且可以支持網絡上的分布應用程序之間的通信和不同平臺上應用程序之間的通信,該技術完全支持分布應用和異構環境下應用程序之間的無縫集成和互操作性。采用OPC技術實現信息集成方案是合適可行的。OPC開發的最重要的目的是即插即用,也就是采用標準方式配置硬件和軟件接口,一個設備可以很容易地加入現有系統并立即使用,不需要復雜的配置,且不會影響現有系統,系統中的信息也可以很方便地分散至眾多支持OPC的軟件當中,如維護、監督、操作顯示和文檔管理等。OPC技術相對來說已經比較成熟,基于微軟平臺的,發展比較完善,所以無線管控網絡方案實施在于工業現場無線技術的實現。
提出Zigbee與OPC集成技術相結合的方案,將無線管控網技術應用于工業生產線監控領域,這是工業無線技術、管控一體化技術在實際工程的首次嘗試。
6 結束語
長期以來,低價、低傳輸率、短距離、低功率的無線通訊市場一直存在著。自從Bluetooth出現以后,曾讓工業控制、家用自動控制、玩具制造商等業者雀躍不已,但是Bluetooth的售價一直居高不下,嚴重影響了這些廠商的使用意愿。ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術,主要用于近距離無線連接。這些傳感器只需要很少的能量,以接力的方式通過無線電波將數據從一個網絡節點傳到另一個節點,所以它們的通信效率非常高。
OPC服務器是實現無線現場監控網絡與企業信息管理網絡的關鍵橋梁,OPC在軟件之間建立單一的數據訪問規范,這個接口規范不但能夠應用于單臺計算機,而且可以支持網絡上的分布應用程序之間的通信和不同平臺上應用程序之間的通信,該技術完全支持分布應用和異構環境下應用程序之間的無縫集成和互操作性。由于OPC技術本身比較成熟,所以無線管控系統的關鍵技術就是無線現場數據采集網絡系統的設計與實現了。
本文所提出的基于Zigbee與OPC技術的無線管控一體化實現思想和工業無線管控網系統的解決方案是有線工業管控一體化系統的一種發展和重要補充;將工業無線技術、管控一體化技術和嵌入式技術、OPC集成技術結合在一起的首次嘗試,加強了管控一體化網絡的開放性和標準性,不同品牌的控制器都可以通過OPC接入管控一體化網絡中的標準,本技術方案應用于某選煤廠中,解決了工業現場無線傳感組網的實際問題。
參考文獻:
[1] 蔣挺,趙成林.紫蜂技術及其應用[M].北京:北京郵電大學出版社,2006:1-25
[2] 吳光榮,章劍雄,徐向華.ZigBee網絡系統節點硬件設計與實現[J].杭州電子科技大學學報,2008,(8):2.
作者簡介:鞏偉(1971-),男,副研究員,從事自動化控制,管控一體化系統研究。