淺談ZigBee和IPv6在工業(yè)控制中的應(yīng)用

張冠杰，辛星召，張　璽

淺談ZigBee和IPv6在工業(yè)控制中的應(yīng)用

張冠杰1，辛星召1，張璽2

（1.黃河水資源投資有限公司，河南 鄭州 450003；2.河南天擎機電技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000）

通過對基于ZigBee與IPv6的物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)控制系統(tǒng)的介紹，提出了一種解決工業(yè)控制系統(tǒng)部署時需要繁雜的通訊線路與眾多的設(shè)備接入設(shè)備問題的辦法。并在系統(tǒng)建設(shè)上提出了由多個獨立的智能控制單元和云端智能控制單元組成的智能控制系統(tǒng)的新的自動控制理念。希望該技術(shù)在眾多無線通訊技術(shù)日益成熟的今天，能有效地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域；改變工業(yè)控制領(lǐng)域的技術(shù)格局，這也將是自動控制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)的一種發(fā)展趨勢。

傳感器；ZigBee；網(wǎng)絡(luò)通信；自動化；物聯(lián)網(wǎng)；控制系統(tǒng)

1　引言

在大型工業(yè)企業(yè)中存在生產(chǎn)地域分散、業(yè)務(wù)分工細致復(fù)雜、設(shè)備數(shù)量多等特點。企業(yè)需要對各種設(shè)備的狀態(tài)進行實時監(jiān)控，以便出現(xiàn)問題時能夠及時報警與處理?，F(xiàn)有的工業(yè)控制系統(tǒng)中一般采用工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線這兩種來建立通訊方式，這兩種通訊方式都有布線麻煩、接線復(fù)雜、維護困難、成本高等缺點。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，具有感知計算能力和通信能力的智能傳感器開始出現(xiàn)。這些智能傳感器構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠?qū)崟r監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理，獲得詳盡而準確的信息，傳送給后臺用戶數(shù)據(jù)庫。ZigBee是一種新型的無線通訊技術(shù)，具有低功率、低成本、近距離的通訊特點，是實現(xiàn)無線智能傳感器理想的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議。本文根據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀，對使用基于IPV6網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的ZigBee數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)在工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用進行了探討。

2　ZigBee技術(shù)及特性

ZigBee由IEEE802.15工作組中提出，并由其TG4工作組制定規(guī)范。ZigBee的底層技術(shù)基于IEEE802.15.4，即其物理層和媒體訪問控制層直接使用了IEEE802.15.4的定義。

簡單的說，ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。

ZigBee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標準的75m無限擴展。

與移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價格低的特點。而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個ZigBee“基站”卻不到1000元人民幣。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的傳感器直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（FFD）還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點（RFD）無線連接。

ZigBee技術(shù)所采用的自組織網(wǎng)是怎么回事？舉一個簡單的例子就可以說明這個問題。當(dāng)一隊傘兵空降后，每人持有一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網(wǎng)絡(luò)模塊的通信范圍內(nèi)，通過彼此自動尋找，很快就可以形成一個互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。而且，由于人員的移動，彼此間的聯(lián)絡(luò)還會發(fā)生變化。因而，模塊還可以通過重新尋找通信對象，確定彼此間的聯(lián)絡(luò)，對原有網(wǎng)絡(luò)進行刷新。這就是自組織網(wǎng)。

網(wǎng)狀網(wǎng)通信實際上就是多通道通信，在實際工業(yè)現(xiàn)場，由于各種原因，往往并不能保證每一個無線通道都能夠始終暢通，就像城市的街道一樣，可能因為車禍，道路維修等，使得某條道路的交通出現(xiàn)暫時中斷，此時由于我們有多個通道，車輛（相當(dāng)于我們的控制數(shù)據(jù)）仍然可以通過其他道路到達目的地。而這一點對工業(yè)現(xiàn)場控制而言則非常重要。

自組織網(wǎng)要采用動態(tài)路由的方式。所謂動態(tài)路由是指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒉皇穷A(yù)先設(shè)定的，而是傳輸數(shù)據(jù)前，通過對網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時可利用的所有路徑進行搜索，分析它們的位置關(guān)系以及遠近，然后選擇其中的一條路徑進行數(shù)據(jù)傳輸。在我們的網(wǎng)絡(luò)管理軟件中，路徑的選擇使用的是“梯度法”，即先選擇路徑最近的一條通道進行傳輸，如傳不通，再使用另外一條稍遠一點的通路進行傳輸，以此類推，直到數(shù)據(jù)送達目的地為止。在實際工業(yè)現(xiàn)場，預(yù)先確定的傳輸路徑隨時都可能發(fā)生變化，或者因各種原因路徑被中斷了，或者過于繁忙不能進行及時傳送。動態(tài)路由結(jié)合網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，就可以很好解決這個問題，從而保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

3　工業(yè)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

當(dāng)前工業(yè)控制系統(tǒng)主要應(yīng)用的系統(tǒng)為分散控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。

3.1分散控制系統(tǒng)（DCS）

當(dāng)前工業(yè)控制計算機的應(yīng)用范圍仍以大系統(tǒng)、分散對象、連續(xù)生產(chǎn)過程（如冶金、石化、電力）為主，采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分散控制系統(tǒng)仍在發(fā)展。由于開放結(jié)構(gòu)和集成技術(shù)的發(fā)展，進一步擴展了大型分散控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

（1）應(yīng)用現(xiàn)狀

DCS自1975年問世以來，大約有3次比較大的變革，70年代操作站的硬件、操作系統(tǒng)、監(jiān)視軟件都是專用的，由各DCS廠家自己開發(fā)并沒有動態(tài)流程圖，通信網(wǎng)絡(luò)基本上是輪詢方式；80年代通信網(wǎng)絡(luò)較多使用令牌方式；90年代操作站出現(xiàn)了通用系統(tǒng)，90年代末通信網(wǎng)絡(luò)有的部分遵循TCP/IP協(xié)議，有的開始采用以太網(wǎng)。20多年來，DCS已廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域并趨于成熟，成為工業(yè)控制系統(tǒng)的主流。

雖以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的FCS發(fā)展很快，最終將取代傳統(tǒng)DCS，但其發(fā)展仍面臨一些問題，如統(tǒng)一標準、儀表智能化等。而傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的維護和改造還需DCS，因此FCS完全取代傳統(tǒng)DCS尚有較長過程?，F(xiàn)DCS的新產(chǎn)品的特點為：系統(tǒng)開放、管控一體化及帶有先進控制軟件，DCS生產(chǎn)廠家也從事FCS的研發(fā)、生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。

（2）DCS存在的問題

1）對1結(jié)構(gòu)。1臺儀表，1對傳輸線，單向傳輸1個信號。這種結(jié)構(gòu)造成接線龐雜、工程周期長、安裝費用高、維護困難。

2）可靠性差。模擬信號傳輸不僅精確度低，且易受干擾。為此采用各種措施提高抗干擾性和傳輸精確度，其結(jié)果是增加了成本。

3）失控狀態(tài)。操作員在控制室既不了解現(xiàn)場模擬儀表的工作狀況，也不能對其進行參數(shù)調(diào)整，更不能預(yù)測事故，導(dǎo)致操作員對其處于失控狀態(tài)。因操作員不能及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場儀表故障，而發(fā)生事故已屢見不鮮。

4）互操作性差。盡管模擬儀表已統(tǒng)一4～20mA信號標準，可大部分技術(shù)參數(shù)仍由制造商自定，致使不同品牌儀表無法互換。因此導(dǎo)致用戶依賴制造廠，無法使用性能價格比最優(yōu)的配套儀表，甚至出現(xiàn)個別制造商壟斷市場的局面。

3.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是繼DCS之后的又一種新型工業(yè)控制系統(tǒng)，它的出現(xiàn)帶來了工業(yè)控制領(lǐng)域的一場深刻革命?，F(xiàn)場總線代表一種突破意義的控制思想，改變了原有控制體系結(jié)構(gòu)，使模擬與數(shù)字混合的DCS更新?lián)Q代為全數(shù)字現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，真正做到危險分散、控制分散、集中監(jiān)控和全數(shù)字化。

（1）應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)場總線發(fā)展迅速，現(xiàn)處于群雄并起、百家爭鳴的階段。目前已開發(fā)出40多種現(xiàn)場總線，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、Modbus、ARCent、P-Net、FIP、ISP等，其中最有影響力的有5種，分別為FF、Profibus、HART、CAN、LonWorks。

FCS全數(shù)字化通信使過程控制具有更高可靠性，從傳感器、變送器到調(diào)節(jié)器，均為數(shù)字信號，這就使得復(fù)雜、精確的信號處理得以實現(xiàn)。因采用數(shù)字總線式通信線路代替DCS1對1的I/O連線，對于大規(guī)模I/O系統(tǒng)，減少了由連線帶來的不可靠，同時也降低了布線成本。此外FCS還具有互操作性、分散性、EIC(電氣傳動、儀表、計算機)一體化等優(yōu)點。在由現(xiàn)場總線構(gòu)成的FCS中，儀表實際上已成為具有綜合功能的智能儀表。EIC一體化結(jié)構(gòu)恰恰是鋼鐵工業(yè)自動化用得較多而又急需的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

（2）現(xiàn)場總線存在的不足

現(xiàn)場總線是一種正在發(fā)展中的技術(shù)，在許多方面還需改善。IEC61158規(guī)定了 FF、Profibus、WorldFIP等8種現(xiàn)場總線標準，還有一些事實上的標準，如LonWorks和CAN總線等。現(xiàn)有8種現(xiàn)場總線為國際標準，它們采用的通信協(xié)議完全不同，因此要實現(xiàn)這些總線的兼容和互操作十分困難。許多標準的并存，將導(dǎo)致現(xiàn)場總線技術(shù)不易廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)場總線還存在著瓶頸問題，表現(xiàn)在：

1）總線切斷后，系統(tǒng)有可能產(chǎn)生不可預(yù)知的后果；

2）在本安防爆應(yīng)用中，現(xiàn)有防爆規(guī)定限制總線長度和總線上所掛設(shè)備數(shù)量，同時也限制了現(xiàn)場總線節(jié)省線纜優(yōu)點的發(fā)揮；

3）系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)過于復(fù)雜，不易掌握，而其設(shè)定的好壞對系統(tǒng)性能影響很大。

4　基于ZigBee與IPv6　的物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)控制系統(tǒng)淺談

從上述的DCS和FCS應(yīng)用現(xiàn)狀中可以看出，DCS和FCS系統(tǒng)盡管在我國大規(guī)模使用，但還存在著各種問題，同時DCS和FCS系統(tǒng)部署的工作量與耗費的資源巨大。

本文通過對ZigBee通訊技術(shù)與IPv6網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，設(shè)計了一種基于ZigBee與IPv6的物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)控制系統(tǒng)，主要解決工業(yè)控制系統(tǒng)部署時需要繁雜的通訊線路與眾多的設(shè)備接入設(shè)備的問題。下面本文對基于ZigBee與IPv6的物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、通訊方式等方面進行介紹以供大家探討。

4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，本文將基于ZigBee與IPv6的物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)控制系統(tǒng)分為下列模塊組成：

（1）檢測儀表：負責(zé)工業(yè)現(xiàn)場各種參數(shù)的測試，并具有數(shù)據(jù)接口可將數(shù)據(jù)上傳。

（2）電動執(zhí)行機構(gòu)：負責(zé)執(zhí)行控制系統(tǒng)的控制命令，并具有數(shù)據(jù)接口可接收控制指令。

（3）ZigBee智能終端：每一臺智能終端具有唯一的IPv6地址，用于改造儀表和執(zhí)行機構(gòu)，可將儀表的數(shù)據(jù)上傳至控制中心，也可將控制中心的控制指令發(fā)送至執(zhí)行機構(gòu)，也可將儀表數(shù)據(jù)共享至其他的ZigBee智能終端，可接收控制中心下發(fā)的控制規(guī)則，根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)共享的儀表數(shù)據(jù)對執(zhí)行機構(gòu)進行實時控制。

（4）智能網(wǎng)關(guān)：用于ZigBee智能終端與控制中心通訊轉(zhuǎn)接，與智能終端通過ZigBee技術(shù)通訊，與云端控制中心直接的通訊可根據(jù)現(xiàn)場的實際需求使用WIFI、GPRS/3G/4G、網(wǎng)線或光纖通訊，與云端控制中心的通訊使用TCP/IP通訊協(xié)議。

（5）遠端控制中心：遠端控制中心由核心服務(wù)器與云存儲系統(tǒng)組成，負責(zé)數(shù)據(jù)存儲分析和處理，并根據(jù)儀表數(shù)據(jù)進行自動控制，云端控制中心還可將一些固定的和對時效性要求高的控制規(guī)則下發(fā)到相關(guān)的智能終端，將整個系統(tǒng)劃分為多個獨立智能控制單元，實現(xiàn)高時效的智能控制。

（6）客戶端：為系統(tǒng)的人機交互界面，用于用戶參看儀表數(shù)據(jù)，人為控制生產(chǎn)過程，同時為云端控制中心推送的消息提供顯示界面。

本系統(tǒng)中的檢測儀表和電動執(zhí)行機構(gòu)直接使用現(xiàn)在市場通用的產(chǎn)品即可，同時由于系統(tǒng)中使用了ZigBee智能終端，由智能終端將儀表和電動執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的標準消息上傳，解決了在同一個系統(tǒng)中無法兼容多種總線和通訊協(xié)議的問題，系統(tǒng)內(nèi)可兼容多種總線設(shè)備。

由于ZigBee通訊技術(shù)允許同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)共享，智能終端可將采集到的信息共享至其他指定的智能終端，這就可以實現(xiàn)將整個系統(tǒng)建設(shè)成為有多個獨立的智能控制單元和1個云端智能控制單元組成的智能控制系統(tǒng)，對于工業(yè)過程中時效性要求高的控制過程有非常好的適用性。

4.2系統(tǒng)通訊方式

基于ZigBee與IPv6的物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)控制系統(tǒng)中有4個通訊環(huán)節(jié)，分別為：

（1）ZigBee智能終端與檢測儀表、電動執(zhí)行機構(gòu)之間的通訊

ZigBee智能終端與檢測儀表、電動執(zhí)行機構(gòu)之間使用有線連接，智能終端可根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇使用電池供電或電源線供電。

（2）ZigBee智能終端與智能網(wǎng)關(guān)之間或智能終端之間的通訊

ZigBee智能終端與智能網(wǎng)關(guān)之間或智能終端之間使用ZigBee無線通訊，組建基于IPv66Lowpan標準的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)相對于其他的ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、通訊可靠、延時低的優(yōu)勢，同時網(wǎng)絡(luò)內(nèi)隨時增減智能終端不影響網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。

（3）智能網(wǎng)關(guān)與云端控制中心之間的通訊

云端控制中心可根據(jù)現(xiàn)場需要建設(shè)為局域網(wǎng)云端控制中心和互聯(lián)網(wǎng)云端控制中心；局域網(wǎng)云端控制中心與智能網(wǎng)關(guān)的通訊可通過使用WIFI和有線網(wǎng)絡(luò)建立的局域網(wǎng)進行通訊；互聯(lián)網(wǎng)云端控制中心與智能網(wǎng)關(guān)的通訊可通過GPRS/3G/4G通訊也可通過現(xiàn)場的局域網(wǎng)連接互聯(lián)網(wǎng)通訊。

（4）云端控制中心與客戶端之間的通訊

局域網(wǎng)云端控制中心與客戶端的通訊可通過使用WIFI和有線網(wǎng)絡(luò)建立的局域網(wǎng)進行通訊；互聯(lián)網(wǎng)云端控制中心與客戶端的通訊通過互聯(lián)網(wǎng)通訊。

4.3系統(tǒng)其它應(yīng)用方式

基于ZigBee與IPv6的物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)控制系統(tǒng)除了作為一個獨立的工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，還可作為一個通訊系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)有的DCS和FCS系統(tǒng)中。當(dāng)作為通訊系統(tǒng)部署時，只需在DCS 和FCS的控制中心安裝協(xié)議轉(zhuǎn)換組件，即可實現(xiàn)使用無線通訊技術(shù)替換現(xiàn)場通訊線纜的工作，這種應(yīng)用方式在工廠的改擴建工程中可節(jié)約大量的材料成本與時間成本。

5　總結(jié)

本文提出了將基于IPv66Lowpan標準的Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的一種應(yīng)用方案，能夠解決工業(yè)控制領(lǐng)域傳統(tǒng)布線的局限性，本文作者相信在眾多無線通訊技術(shù)日益成熟的當(dāng)代，將各種無線通訊技術(shù)引入工業(yè)控制領(lǐng)域，改變工業(yè)控制領(lǐng)域的技術(shù)格局是一種發(fā)展趨勢，而這種改變將促進一場工業(yè)領(lǐng)域的革命。

TP212

B

1672-5387（2016）08-0044-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.013

2016-06-29

張冠杰（1972-），男，高級工程師，從事水利樞紐機電設(shè)備的檢修維護工作。