無線通訊在工業(yè)控制中的應(yīng)用

孫霞

（哈爾濱鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

一、無線通信技術(shù)的特點和優(yōu)勢

（一）無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)其本質(zhì)是通過電磁波信號來交換信息。該技術(shù)主要通過無線網(wǎng)絡(luò)連接來傳輸數(shù)據(jù)（如：信息、語音或視頻等）。

目前，無線終端設(shè)備得到了快速的發(fā)展，已包含諸多便于攜帶、移動的各類終端，包括手機、筆記本電腦、平板電腦、PDA 等，這些設(shè)施可為造船企業(yè)在生產(chǎn)過程中帶來便利。

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)較之有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)降低了網(wǎng)絡(luò)部署的成本，但同時由于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的傳輸介質(zhì)是大氣，所以在傳輸過程中易受干擾，需在設(shè)計階段通過現(xiàn)場勘測、選擇正確的無線點位來降低環(huán)境對信號傳輸?shù)母蓴_。

（二）無線通信技術(shù)的優(yōu)勢

首先，降低成本。有限系統(tǒng)和無線系統(tǒng)的最大區(qū)別在于是否有電纜。如果車間或設(shè)備之間的距離太長，特別是信號采集和控制非常復(fù)雜時，電纜和附件將大大減少。在特殊的環(huán)境下，應(yīng)用無線傳輸方式可以最大限度地節(jié)約成本。

二是轉(zhuǎn)換靈活方便。如果該區(qū)域有無線信號覆蓋，接入網(wǎng)絡(luò)可以忽略空間和距離，并且不會受到位置的影響。

最后，完成了總線功能。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，工業(yè)無線通信技術(shù)發(fā)展迅速，其水平不斷提高。它不僅能成功地檢測到現(xiàn)場設(shè)備的信號，而且能在沒有明顯布局的情況下傳輸不同類型的信息，從而實現(xiàn)高效的信息傳輸。

二、有線通訊在工業(yè)控制中的問題

在早期的工業(yè)控制中，大多使用金屬線來完成數(shù)據(jù)傳輸，即有線通信。它在工業(yè)控制中的應(yīng)用存在幾個問題：

首先，傳輸距離短。大多數(shù)舊的金屬線主要是雙絞線傳輸。即使增加一個額外的驅(qū)動電路，實際通信距離也不能超過20m。

其次，數(shù)據(jù)在傳輸過程中會衰減。以工業(yè)控制中常見的RS485 雙絞線傳輸為例，雖然傳輸距離可以有所延長，但隨著距離的增加，數(shù)據(jù)信號會因線路阻抗而不同程度地衰減。

最后，有線傳輸會在一定程度上增加成本，并且不能及時控制遠程運動部件。在有線通信模式下，信號需要通過光纜傳輸。如果距離太長，需要增加支架電纜。同時，必須相應(yīng)增加設(shè)備的布置空間和行車負荷，這不僅會增加施工成本，而且會由于外部環(huán)境的影響而存在一些安全隱患，降低有線運輸?shù)陌踩院图皶r性。

由于上述工業(yè)控制中有線傳輸中常見的問題，無線通信已成為工業(yè)控制領(lǐng)域的研究熱點。

三、無線通信工業(yè)控制體系結(jié)構(gòu)

基于無線通信的工業(yè)控制主要有兩種形式。一種是以PC 機為控制器，利用無線網(wǎng)卡將工業(yè)控制系統(tǒng)接入無線網(wǎng)絡(luò)。與單片機的通信主要依靠數(shù)據(jù)線和地址線。同時，利用無線路由和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器構(gòu)建外部局域網(wǎng)。雖然以PC 機為控制器的控制系統(tǒng)投資巨大，但由于采用了標準的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，可以實現(xiàn)PC機與外圍無線網(wǎng)絡(luò)的實時連接，從而可以有效提高無線網(wǎng)絡(luò)的兼容性。二是基于射頻模塊和單片機的工業(yè)控制系統(tǒng)。該工業(yè)控制系統(tǒng)主要作用于小型工業(yè)領(lǐng)域的自動控制。單片機是主控制器。遠程數(shù)據(jù)傳輸需要由無線收發(fā)模塊完成，然后利用傳統(tǒng)的串行通信協(xié)議完成單片機與無線模塊之間的通信。

四、基于無線通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的控制

（一）無線網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議

基于無線通訊協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)控制，主要是利用PC 機來實現(xiàn)的，現(xiàn)如今在工業(yè)自動化領(lǐng)域，IEEE802.15.4(Zig Bee）是使用最為廣泛的無線通訊技術(shù)協(xié)議，能夠與無線短程網(wǎng)絡(luò)高度匹配。如果是交換遠程視頻監(jiān)控的數(shù)據(jù)，經(jīng)常采用IEEE 802.15.3協(xié)議；如果在無線局域網(wǎng)中，需要傳輸大量數(shù)據(jù)或者傳輸范圍較大，那么通常采用IEEE 802.11 協(xié)議。在工業(yè)控制中，無線局域網(wǎng)和無線短程網(wǎng)有著十分廣泛應(yīng)用。

工業(yè)以太網(wǎng)也是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的重要組成內(nèi)容。Internet TCP/IP 協(xié)議是工業(yè)控制自動化應(yīng)用的標準，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)能夠在工業(yè)以太網(wǎng)中完美兼容，可以在很大程度上為工作人員提供工作便利、降低操作難度，促進工作人員能夠快速掌握網(wǎng)絡(luò)控制要點。

（二）基于PC 機的無線網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制

無線網(wǎng)卡是無線局域網(wǎng)中實現(xiàn)無線通信的主要工具。同時，無線網(wǎng)卡的傳輸速度直接影響通信數(shù)據(jù)的傳輸速度。目前，無線網(wǎng)卡的傳輸速度大多為54Mbps，計算機會使用網(wǎng)卡隨機為每個控制器分配一個單獨的IP 地址，并確保每臺PC 都能通過無線接入點穩(wěn)定地連接到網(wǎng)絡(luò)。同時，工作人員需要檢測控制器的IP 地址是否與其他地址沖突。如果沒有矛盾，則證明PC 已成功連接到無線網(wǎng)絡(luò)。如果將大量的PC 機連接到無線網(wǎng)絡(luò)，將形成網(wǎng)絡(luò)的點對多點拓撲，然后形成一個完整的控制網(wǎng)絡(luò)，并將每個PC機作為網(wǎng)絡(luò)單元。工作時，工作人員可在WLAN的作用下將控制信號傳輸至控制網(wǎng)絡(luò)，信號通過隔離轉(zhuǎn)換器，接收網(wǎng)絡(luò)可將轉(zhuǎn)換后的控制信號通過RS-232 傳輸至控制設(shè)備，實現(xiàn)對機械設(shè)備的智能控制。如今，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域中幾乎所有的傳感器都可以與無線傳輸模塊高度集成，從而大大簡化了控制系統(tǒng)的電路，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)隨時隨地的檢測。例如，以水泥廠窯爐溫度檢測儀為例，我們可以充分利用無線傳感技術(shù)，將實時溫度信息及時傳輸?shù)街鞅O(jiān)控室，以便及時調(diào)整溫度。

（三）基于ARM 控制器的無線網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制

如果工業(yè)控制中有特殊任務(wù)，那么單純依靠PC 機無法實現(xiàn)對外圍設(shè)備的精確數(shù)據(jù)采集和具體控制。此時，工作人員可以充分利用ARM 嵌入式控制器，結(jié)合不同的控制要求，設(shè)計具有特定功能的工業(yè)控制器。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，ARM 核的主頻已經(jīng)超過700MHz，在很大程度上可以滿足一般工業(yè)控制的要求。因此，對于特殊的工業(yè)控制，ARM 嵌入式控制器已成為無線網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制的主要方式。

同時，arm 在無線控制領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用。在arm 控制器中，芯片選擇端與無線網(wǎng)卡相連，通過數(shù)據(jù)線和地址線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偩€上。設(shè)計者可以通過優(yōu)化電路設(shè)計和減少布線來進一步加快數(shù)據(jù)傳輸速率。而且，arm 控制器在工業(yè)控制中的應(yīng)用不需要無線網(wǎng)絡(luò)和PC 機的輔助，大大降低了工程造價。為了進一步完善網(wǎng)絡(luò)接口的通信功能，技術(shù)人員需要輸入相應(yīng)的驅(qū)動程序，確保arm 控制器與WLAN 真正兼容，以滿足工控的具體需求。

（四）基于無線傳輸模塊的無線控制

嵌入式控制器結(jié)合無線模塊和單片機結(jié)合無線模塊是工業(yè)控制中最常用的無線傳輸方式。無論采用哪種傳輸方式，都不需要額外構(gòu)建無線局域網(wǎng)，可以在一定程度上降低企業(yè)的工控成本。另外，與建設(shè)無線局域網(wǎng)相比，無線傳輸模塊的安裝效率更高，成本更低，不會在企業(yè)內(nèi)占用太多空間。在無線模塊中，數(shù)據(jù)傳輸主要由射頻完成。目前，CC1100 和CC2500 是最常見的無線傳輸模塊。如果單片機與通訊模塊連接，技術(shù)人員需要將控制模塊與通訊模塊分開，以保證通訊模塊的通用性。此外，設(shè)計人員還可以將其他控制芯片與該工業(yè)控制框架集成，制作出新的控制器，不斷提高控制器的智能性。

（五）高頻傳輸技術(shù)

高頻傳輸?shù)闹攸c就是增加頻段數(shù)量,實現(xiàn)多頻段傳輸,以此提高傳輸效率。而在5G 無線通信技術(shù)中,具有非常多的頻段支撐數(shù)據(jù)傳輸需求,而這也意味著需要相關(guān)技術(shù)人員,使用更高的技術(shù)將射頻器件的工作頻段調(diào)整到與之符合的頻段,由于現(xiàn)階段通信技術(shù)多元化發(fā)展,因此,若匹配低頻段頻譜為5G 無線通信技術(shù)應(yīng)用,確實存在一定困難。為解決此問題,需要引入高頻傳輸技術(shù),進而達到5G 無線通信技術(shù)頻段使用需求,改變以往擁擠低頻段頻譜傳輸問題,進而有效提升數(shù)據(jù)傳輸效率。需要注意的是,在這一過程中,應(yīng)當(dāng)考慮到空氣中的介質(zhì)是否會干擾、影響信號質(zhì)量這一問題,如果存在則需要解決,進而推動高頻段傳輸發(fā)展。此外,應(yīng)用高頻傳輸通信技術(shù),會消耗大量的能量,針對此,可以通過直徑傳輸?shù)姆绞竭M行調(diào)節(jié)。相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)研究人員,有必要進一步探索最佳的傳輸方式,打破現(xiàn)存限制。

（六）直接通信技術(shù)

在冶金工程中,會使用到大量的設(shè)備,而設(shè)備之間的聯(lián)系,主要采用的就是直接通信技術(shù),即不借助其他任何載體,開展通信活動,最終可以完成直接交流目標。從以往傳統(tǒng)移動通信過程看,在網(wǎng)絡(luò)面積全覆蓋方面存在很大不足。但采用此種直接通信技術(shù),可以很好的完善各種設(shè)備,從而提高移動通信質(zhì)量,為冶金工程建設(shè)提供良好的基礎(chǔ)保障。在直接通信技術(shù)作用下,可以很好的降低各系統(tǒng)運行能耗,進而有效迎合我國提倡的節(jié)能減排目標,對冶金工程可持續(xù)性發(fā)展起到重要作用。

（七）云計算平臺與直接通信

云計算平臺在5 G 無線通訊技術(shù)中占有重要地位。分析冶金工程,當(dāng)中涉及到了各種智能設(shè)備,需要進行自動切換,而將云計算平臺應(yīng)用其中,可以對其實施科學(xué)的設(shè)置,使得設(shè)備智能化運行,進而形成健全、科學(xué)、合理的智能組網(wǎng)系統(tǒng),使得5G 無線通信技術(shù)的智能化水平得到提升,同時,也有效降低移動通信能源損耗量。除此之外,直接通訊技術(shù)在5G 無線通信技術(shù)中的利用可以降低對頻譜資源浪費率,起到節(jié)約資源的作用。

結(jié)論

綜上所述，由于有線通信在工業(yè)控制中存在著一些慣性問題，因此現(xiàn)如今在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)更加趨向于無線控制，無線控制已經(jīng)成為工業(yè)控制的主要途徑，而且通信協(xié)議也更加標準，這使得工業(yè)控制系統(tǒng)更加優(yōu)化、功能更加完善，PC 機結(jié)合無線模塊、內(nèi)嵌式控制器結(jié)合無線模塊的無線通訊方式也降低了工業(yè)控制對無線局域網(wǎng)的依賴，帶來了更大的操作便利。但是不可否認的是，現(xiàn)代無線通訊與有線通訊相比也存在著一定不足，例如數(shù)據(jù)傳輸安全和網(wǎng)絡(luò)安全有待提高，這都需要技術(shù)人員不斷創(chuàng)新研究，進一步提高無線控制的應(yīng)用價值，促使其在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮出重要作用。