基于ISA100.11a協(xié)議的工業(yè)無線應(yīng)用在冶金行業(yè)的研究與測(cè)試

凌韋偉，李 靜

LING Wei-wei, LI Jing

（北京科技大學(xué) 高效軋制國(guó)家工程中心，北京 100083）

0 引言

冶金及相近行業(yè)的生產(chǎn)線有著大量的傳感器，其中許多傳感器安裝位置特殊，不適合布線或需要較長(zhǎng)電纜，而工業(yè)無線傳感器成本低、建設(shè)工程周期短、適應(yīng)性和擴(kuò)展性好、便于維護(hù)，有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)；另外，在一些易燃、易爆、有毒物質(zhì)的檢測(cè)中，采用工業(yè)無線傳感器將會(huì)更加安全[1]。隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展，冶金業(yè)的規(guī)模和生產(chǎn)能力得到不斷擴(kuò)大和提升，有時(shí)需要對(duì)已投產(chǎn)的生產(chǎn)線采集新的工藝參數(shù)作為參考，或因設(shè)備故障需臨時(shí)增添一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，傳統(tǒng)的有線方式會(huì)帶來較大的人力和資金成本輸出；同時(shí)對(duì)于冶金行業(yè)的廠區(qū)耗費(fèi)較多人工成本的定時(shí)巡檢，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)都提供了一種新的解決途徑。

現(xiàn)下國(guó)內(nèi)外有很多針對(duì)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)研究，但因沒有一個(gè)國(guó)際統(tǒng)一的工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)而沒有推廣應(yīng)用[2]，本文以國(guó)際上使用率最高的ISA100.11a協(xié)議為核心，針對(duì)冶金行業(yè)高溫、高濕、高危、高灰塵、震動(dòng)、不間斷生產(chǎn)等一系列冶金特有工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的適冶金行業(yè)的無線設(shè)備模塊，結(jié)合傳感器技術(shù)或嵌入操作箱、手持設(shè)備等在冶金行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，取得較好的性能結(jié)果，為工業(yè)無線技術(shù)在冶金行業(yè)的推廣奠定了基礎(chǔ)。

1 ISA100.11a協(xié)議概述

ISA100.11a協(xié)議由美國(guó)儀器儀表(ISA)下屬的工業(yè)無線委員會(huì)制定，以用戶需求為導(dǎo)向，希望工業(yè)無線設(shè)備以低復(fù)雜度、合理的成本和低能耗、適當(dāng)?shù)耐ㄐ潘俾蕽M足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，是第一個(gè)開放的、面向于多種工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。

該協(xié)議定義了五種類型的設(shè)備角色：上位機(jī)控制系統(tǒng)、網(wǎng)關(guān)、骨干路由器、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、手持設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支持網(wǎng)狀、星狀和星網(wǎng)狀拓?fù)?。ISA100.11a協(xié)議體系結(jié)構(gòu)以開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)7層模型為基礎(chǔ)。其關(guān)鍵技術(shù)如同步的時(shí)隙通信、跳信道、時(shí)間同步和路由等有效的保證了網(wǎng)絡(luò)的健康運(yùn)行。ISA100.11a構(gòu)建骨干網(wǎng)，可以更直接地?zé)o線傳遞數(shù)據(jù)信息，減少無線傳輸跳數(shù)，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)優(yōu)勢(shì)更加突出。骨干網(wǎng)路減少和避免了多跳網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸部確定時(shí)不可靠、高風(fēng)險(xiǎn)、能耗大等問題。對(duì)于非自身的數(shù)據(jù)包需要在ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸時(shí)，ISA100.11a也提供了有效的措施與之共存并傳遞數(shù)據(jù)包，從而能很好的與現(xiàn)有的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)議兼容。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)平面圖

2 現(xiàn)場(chǎng)無線設(shè)備應(yīng)用效果

對(duì)于上述的無線設(shè)備在冶金現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了先后兩次的實(shí)地測(cè)試，對(duì)測(cè)試中出現(xiàn)的不可預(yù)測(cè)的問題進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化改進(jìn)?，F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境存在很多不可確定因素如：1)手臺(tái)的使用頻率較高；2)鋼錠鋼帶的強(qiáng)紅外輻射；3)電焊機(jī)等機(jī)械的大量使用；4)現(xiàn)場(chǎng)的各種紅外等檢測(cè)設(shè)備；5)大型電機(jī)的強(qiáng)磁干擾?，F(xiàn)場(chǎng)以大型設(shè)備為主以及很多的可移動(dòng)設(shè)備，均會(huì)對(duì)設(shè)備的通信過程造成一定的影響，故需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的位置做針對(duì)性的規(guī)劃和調(diào)整，適當(dāng)規(guī)避障礙。圖1為現(xiàn)場(chǎng)車間的簡(jiǎn)圖。

2.1 前期測(cè)試方案與結(jié)果

測(cè)試中，YTA系列設(shè)備為國(guó)外某知名公司已投放市場(chǎng)產(chǎn)品，WF系列及網(wǎng)關(guān)為所研發(fā)設(shè)備。針對(duì)熱軋車間具體的空間位置，將網(wǎng)關(guān)放置于電氣室，通過以太網(wǎng)連接上位機(jī)，通過界面程序觀測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。將YTA-49和一臺(tái)WF設(shè)備至于常關(guān)閉的主傳動(dòng)控制室內(nèi)，與網(wǎng)關(guān)之間有三堵輕體墻和精軋機(jī)組的阻礙。WF001和YTA-N至于層流冷卻另側(cè)，WF002和003分別至于飛剪機(jī)和粗軋2號(hào)機(jī)頂。圖2為設(shè)備在7個(gè)小時(shí)內(nèi)的通信情況。

從數(shù)據(jù)中可以看出在常關(guān)閉的主電氣傳動(dòng)控制室內(nèi)的YTA-N設(shè)備能與網(wǎng)關(guān)建立通信，但通信狀況較差，丟包率較高，安全性和穩(wěn)定性不能得到保障，而位于同一位置的WF設(shè)備不能搜索并加入網(wǎng)絡(luò)中，因此在監(jiān)測(cè)界面中沒有此設(shè)備信息。WF001設(shè)備至于層流冷卻側(cè)，雖能與網(wǎng)關(guān)良好通信，但其重加入網(wǎng)絡(luò)的次數(shù)為4次，即水流對(duì)其通信有一定的干擾，相比較國(guó)外設(shè)備則無此影響。其他兩臺(tái)設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間可視傳輸，丟包率均較低，通信情況良好。

2.2 測(cè)試問題的分析及相應(yīng)修改策略

通過對(duì)前期測(cè)試的通信結(jié)果分析，認(rèn)為前期WF設(shè)備存在著運(yùn)行過程中會(huì)自動(dòng)離開網(wǎng)絡(luò)和出現(xiàn)干擾離開網(wǎng)絡(luò)，在離開網(wǎng)絡(luò)后重新加入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間變長(zhǎng)。因此設(shè)備的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)的健壯性不能保證；測(cè)試中設(shè)備的電量消耗不均，有些路由設(shè)備電量消耗過快。針對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行了修改優(yōu)化。主要修改策略如下：

圖2 設(shè)備通信情況

圖3 修改后WF系列設(shè)備狀態(tài)

圖4 新一代國(guó)外產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)

修改了ISA100協(xié)議中規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)健康狀態(tài)確認(rèn)包即HRCO數(shù)據(jù)幀的接發(fā)機(jī)制，在確保網(wǎng)絡(luò)健康性的基礎(chǔ)上降低了對(duì)算法資源的消耗。

修改算法對(duì)正在加入網(wǎng)絡(luò)但未能正確加入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的處理機(jī)制，增加對(duì)已離開網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的算法資源回收機(jī)制，對(duì)多設(shè)備加入時(shí)的算法資源分配進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)已加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的算法資源進(jìn)行了優(yōu)化。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無線設(shè)備大部分是不需移動(dòng)的，而冶金現(xiàn)場(chǎng)是24小時(shí)生產(chǎn)，因此就需要無線系統(tǒng)的節(jié)能和網(wǎng)絡(luò)壽命有著較為嚴(yán)格的要求。增加路由算法的能量均衡機(jī)制，協(xié)調(diào)利用處于關(guān)鍵路由位置的節(jié)點(diǎn)，提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

2.3 修改后的設(shè)備測(cè)試情況

分別將優(yōu)化后的WF設(shè)備依次置于層流區(qū)，飛剪機(jī)，加熱爐、精軋傳動(dòng)，粗軋傳動(dòng)，卷取機(jī)機(jī)腳處，同時(shí)將新一代的國(guó)外設(shè)備同時(shí)置于加熱爐處，測(cè)試1星期得到的測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4所示。

WF系列的3號(hào)設(shè)備與YTA同置于離網(wǎng)關(guān)200多米處的加熱爐出口處，與網(wǎng)關(guān)間較空曠，但有鋼培的熱輻射影響，從測(cè)試結(jié)果中可以看出WF設(shè)備比國(guó)外設(shè)備要有更好的穩(wěn)定性和通信質(zhì)量，WF設(shè)備沒有出現(xiàn)前期測(cè)試時(shí)出現(xiàn)的無法加入網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)象，且丟包率(PER)較低，測(cè)試過程中沒有出現(xiàn)設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)重新加入的情況；而國(guó)外設(shè)備在相同測(cè)試時(shí)間內(nèi)還是會(huì)出現(xiàn)設(shè)備的重啟以及較高的丟包率。在前期測(cè)試中因?qū)恿魉挠绊懚斐稍O(shè)備離線的情況和因墻體的阻礙和電機(jī)影響而造成的設(shè)備離線情況也均未出現(xiàn)，且都具有較低的丟包率。

無線信號(hào)的強(qiáng)度在穿越墻體和大型機(jī)械時(shí)都會(huì)有相應(yīng)的衰減，而現(xiàn)場(chǎng)有些需要測(cè)量的區(qū)域較為狹小、封閉。而WF系列設(shè)備在有較多的障礙物時(shí)，通信距離會(huì)相應(yīng)減小，就會(huì)造成有些區(qū)域內(nèi)的設(shè)備無法加入網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)需要針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)和應(yīng)用環(huán)境適當(dāng)?shù)臄[放部分路由角色設(shè)備，從而組建成多跳的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但跳數(shù)越多的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)延時(shí)性和不穩(wěn)定性較大，一般在車間內(nèi)推薦兩跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，除特殊區(qū)域外，星型網(wǎng)絡(luò)能覆蓋整個(gè)的工業(yè)車間，滿足現(xiàn)場(chǎng)的各種需監(jiān)測(cè)的環(huán)境，形成穩(wěn)定、實(shí)時(shí)且安全性較高的無線網(wǎng)絡(luò)。

3 結(jié)束語

從以上數(shù)據(jù)可以看出，基于ISA100.11a協(xié)議和冶金環(huán)境所開發(fā)出的設(shè)備擁有與國(guó)外設(shè)備相接近的運(yùn)行能力，在某些性能上猶有過之，但在成本上比國(guó)外設(shè)備具有很大的優(yōu)勢(shì)。研制出的設(shè)備具有較強(qiáng)的穿透性以及抗干擾能力，能穩(wěn)定、實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)反饋給上位系統(tǒng)，而且移動(dòng)性較好，安裝、拆卸都比較便捷。能協(xié)助對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線的監(jiān)測(cè)，幫助現(xiàn)場(chǎng)人員更早地發(fā)現(xiàn)一些惡性事故的發(fā)生，減少因設(shè)備故障造成的損失。但此次設(shè)備還缺少更為長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)使用體驗(yàn)，對(duì)長(zhǎng)期環(huán)境下的設(shè)備健康度和電池使用壽命等缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)。隨著對(duì)ISA100.11a協(xié)議的進(jìn)一步針對(duì)性優(yōu)化，會(huì)使得設(shè)備的成本進(jìn)一步下降，為大規(guī)模的使用與推廣打下更優(yōu)的前提。

[1]劉揚(yáng),曾鵬,尚志軍,等.基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)的儲(chǔ)油罐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào),2011,3(5):444-447.

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