無線通訊在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

王曉光(陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線技術(shù)、智能傳感器技術(shù)的融合，產(chǎn)生了基于無線通訊技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器。伴隨著化工行業(yè)高速發(fā)展，無線通訊技術(shù)推動了自動化儀表與控制系統(tǒng)的應(yīng)用需求。基于無線傳輸中的ZigBee 、RF技術(shù)、移動通訊技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化通訊和分布式智能技術(shù)，到目前無論在理論上還是在實(shí)踐上都未出現(xiàn)顯著突破，數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸穩(wěn)定性在具體工業(yè)應(yīng)用中的復(fù)雜控制和快速響應(yīng)方面還有待提高，同時(shí)極大地制約了化工自動化行業(yè)的發(fā)展。

1 無線通訊的工業(yè)應(yīng)用

1.1 工業(yè)無線控制系統(tǒng)

目前，從行業(yè)應(yīng)用及普及性，集散控制系統(tǒng)(DCS)、可編程邏輯控制器(PLC)以其高可靠性、高性能、集中管理、配置靈活而在石油、化工、造紙、電力、冶金等各行各業(yè)都獲得了極其廣泛的應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)過程的各種工藝參數(shù)通過自動化控制裝置轉(zhuǎn)化為可操作、監(jiān)視的可視數(shù)據(jù)，同時(shí)操作的各種信息通過DCS或PLC裝置送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制著生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。在DCS或PLC站系統(tǒng)內(nèi)，進(jìn)行模擬量與數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換、運(yùn)算，對輸入量與輸出量進(jìn)行軟件濾波。其中數(shù)據(jù)間的傳輸方式以有線數(shù)據(jù)傳輸為主[1]。

1.2 無線傳輸儀表工作原理

常規(guī)儀表數(shù)據(jù)的傳輸通過雙絞線作為數(shù)據(jù)流傳輸介質(zhì)，以硬接線做為載體，發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)信號如4～20 mA電流或0～10 VDC電壓，輸送至控制系統(tǒng)IO模塊做AD轉(zhuǎn)換后，成為可監(jiān)測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

無線傳輸儀表與有線儀表的區(qū)別在于是否使用雙絞線或其他硬接線做為傳輸介質(zhì)；在有線儀表內(nèi)增加數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、無線通訊模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與無線通訊傳輸，即可實(shí)現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)無線傳輸。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用以ZigBee無線傳輸、RF無線傳輸?shù)臑橹鳎t外通訊及移動通訊相對較少。

1.3 ZigBee無線傳輸

ZigBee是由ZigBee ALliance制定的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，采用IEEE802.15.4協(xié)議作為規(guī)范，是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，主要由無線處理器模塊、傳感器模塊、控制轉(zhuǎn)換模塊(A/D，D/A)、電源模塊及其他外圍模塊組成。

無線工業(yè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通常自帶電池，其能耗由傳感 、計(jì)算、通訊三部分組成。zigbee網(wǎng)絡(luò)是對等網(wǎng)絡(luò)，即所有結(jié)點(diǎn)在通訊上是相當(dāng)?shù)模瓤勺鳛槁酚善饔挚勺鳛榻K端設(shè)備。由于采用無線方案，原來必須大量控制線纜，可選擇性地部分省去。節(jié)約成本，節(jié)約銅的使用，屬于環(huán)保節(jié)約資源類型產(chǎn)品。不僅如此，在添加新的控制點(diǎn)時(shí)，可隨時(shí)添加，不受原來DCS需要預(yù)留控制點(diǎn)，預(yù)留控制線的影響，體現(xiàn)了系統(tǒng)可擴(kuò)展性及控制的靈活性。尤其對于要經(jīng)常移動的設(shè)備更體現(xiàn)了其獨(dú)特的優(yōu)越性。安裝時(shí)，只要接上電源，設(shè)備即可運(yùn)行，便于維護(hù)與安裝[2]。

1.4 RF無線傳輸

RF無線(radio frequency，RF)是一種高頻交流變化電磁波的傳輸方式，是20世紀(jì)90年代興起的一種非接觸式的自動識別技術(shù)，頻率范圍為300 kHz～30 GHz之間。

信號傳輸方式為信息源(模擬或數(shù)字的)用高頻電流進(jìn)行調(diào)制(調(diào)幅或調(diào)頻)，形成射頻信號，經(jīng)過天線發(fā)射到空中；遠(yuǎn)距離將射頻信號接收后進(jìn)行反調(diào)制，還原成電信息源。RF無線傳輸技術(shù)在閱讀器和射頻卡之間進(jìn)行非接觸式雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達(dá)到目標(biāo)識別和數(shù)據(jù)交換的雙重目的。與傳統(tǒng)的條形碼、磁卡、IC卡相比，射頻卡具有非接觸、閱讀速度快、環(huán)境影響較小、壽命較長、便于使用的特點(diǎn)，同時(shí)具有防沖突功能，能同時(shí)處理多張卡片。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常應(yīng)用在人無法接近的惡劣甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程環(huán)境中，其中少數(shù)節(jié)點(diǎn)基本是靜止的。傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)遵循點(diǎn)對 點(diǎn)的理念，中間節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分組轉(zhuǎn)發(fā)，在密集性傳感器網(wǎng)絡(luò)中，相鄰傳輸節(jié)點(diǎn)間的距離短，增加節(jié)點(diǎn)便捷。

1.5 移動通訊

移動通訊指通訊雙方或至少一方是處在移動狀態(tài)下進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。它包括移動體與固定點(diǎn)之間、移動點(diǎn)與移動點(diǎn)之間、移動用戶與固定用戶之間的通訊。隨著通訊技術(shù)應(yīng)用的日趨廣泛，已深入到社會的各個(gè)行業(yè)，隨著我國自主知識產(chǎn)權(quán)移動技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過不斷努力及大量實(shí)踐研究，已取的較大的進(jìn)步。

歷經(jīng)1G 技術(shù)至5G的不斷創(chuàng)新，已由1G時(shí)代的采用模擬技術(shù)和頻分多址(FDMA)技術(shù)發(fā)展至5G技術(shù)。隨著移動通訊系統(tǒng)帶寬和能力的增強(qiáng)，移動網(wǎng)絡(luò)的速率也高速提升，從2G時(shí)代的每秒10 kbit，發(fā)展到4G時(shí)代的每秒1 Gbit，足足增長 了10萬倍。4G網(wǎng)絡(luò)造就了繁榮的互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)，隨著移動通訊技術(shù)的發(fā)展，5G成為了一種應(yīng)用趨勢，5G采用全服務(wù)化設(shè)計(jì)，模塊化網(wǎng)絡(luò)功能，支持按需調(diào)用，實(shí)現(xiàn)功能重構(gòu)；采用服務(wù)化描述，易于實(shí)現(xiàn)能力開放。2019年10月31日，三大運(yùn)營商公布5G商用套餐。5G峰值速率達(dá)到10～20 Gbit/s、流量密度達(dá)到10 Mbps/m2以上、具備百萬連接/km2的設(shè)備連接能力。5G在工業(yè)領(lǐng)域豐富的融合應(yīng)用場景將為工業(yè)體系變革帶來極大潛力，大幅降低人工成本，達(dá)到了生產(chǎn)效率提高的目的。未來，遠(yuǎn)程控制、設(shè)備預(yù)測性維護(hù)等場景預(yù)計(jì)將會產(chǎn)生較高的商業(yè)價(jià)值。

2 無線傳感器應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)研究

隨著低功耗無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)及集成電路技術(shù)的高速發(fā)展和成熟應(yīng)用， 使得由大量成本較低、功耗較低、體積較小、短距離通信多功能的微型傳感器可以通過無線通訊自行組織為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)。

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本對象主指：目標(biāo)、觀測節(jié)點(diǎn)、傳感節(jié)點(diǎn)、感知視場。還需定義外部網(wǎng)絡(luò)、任務(wù)管理單元對整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用描述。觀測節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請求和控制指令，接收傳感節(jié)點(diǎn)返回的目標(biāo)信息。目標(biāo)有時(shí)特指信號源，傳感節(jié)點(diǎn)通過對目標(biāo)的紅外、雷達(dá)等信號獲取目標(biāo)的溫度、壓力、位移、速度等數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)集合稱為網(wǎng)絡(luò)的感知視場。傳感節(jié)點(diǎn)主要功能為數(shù)據(jù)采集、信息處理、數(shù)據(jù)傳輸及其他節(jié)點(diǎn)協(xié)同傳輸。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式主要如圖1所示。

2.2 無線傳感器的傳輸特點(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有規(guī)模大、密度高的特點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通較常以密集型的模式部署在較大范圍的監(jiān)測區(qū)域， 由傳感器節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲能力、通信能力都是十分有限的。由于應(yīng)用的環(huán)境不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要求也同， 硬件平臺架構(gòu)、軟件系統(tǒng)功能、通信協(xié)議形式都會有非常明顯的差異。無線通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)寬帶化相結(jié)合，是工業(yè)現(xiàn)代智能化發(fā)展的需求。寬帶化能促使進(jìn)無線通訊技術(shù)更加穩(wěn)定、快速，符合工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的需求。隨著無線通訊技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，在這方面的研究不斷深入，無線通信技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的深度、廣度也越來越廣泛。由于應(yīng)用的環(huán)境的不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要求也不相同， 硬件平臺、軟件系統(tǒng)和通信協(xié)議都會有很大的差異。

2.3 熱點(diǎn)趨勢

在石油化工、煤化工項(xiàng)目中，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)有非常廣泛與成熟的使用經(jīng)驗(yàn)，但近些年來，隨著項(xiàng)目規(guī)模的增大與產(chǎn)品線系列數(shù)的增多及用戶使用功能的需求不斷提高，現(xiàn)場儀表的點(diǎn)數(shù)與控制系統(tǒng)的規(guī)模也越來越大。產(chǎn)能的擴(kuò)大一般通過增加產(chǎn)品線系列數(shù)來實(shí)現(xiàn)，因此控制系統(tǒng)的規(guī)模在成倍的增長，DCS 控制系統(tǒng)的點(diǎn)數(shù)從最初的幾千點(diǎn)上升到上萬點(diǎn)以及10萬點(diǎn)，目前超大型的煤化工項(xiàng)目 DCS 控制系統(tǒng)的點(diǎn)數(shù)已經(jīng)達(dá)到了20萬點(diǎn)。無線通訊應(yīng)用的主要技術(shù)難點(diǎn)是工業(yè)控制中工業(yè)檢測、控制的可靠、響應(yīng)和及時(shí)準(zhǔn)確。但是工業(yè)應(yīng)用環(huán)境較為復(fù)雜，在部分應(yīng)用場景中可能存在藍(lán)牙、IEEE802.11、IEEE802.15、紅外等多種不同類型的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品應(yīng)用，發(fā)生同頻干擾的可能性較高。同時(shí)各種大型機(jī)械、塔器、管道以及大型電動設(shè)備產(chǎn)生的電磁噪均可能信號的傳播產(chǎn)生影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)串?dāng)_、失真、波動。

3 無線儀表在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

以ZigBee無線傳輸、RF射頻發(fā)射、移動通訊傳輸為主的無線數(shù)據(jù)傳輸，廣泛地運(yùn)用在石油、化工等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遙控、遙測、小型無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、工業(yè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集、無線標(biāo)簽識別、無線232數(shù)據(jù)通信、無線485/422數(shù)據(jù)通信、數(shù)字音頻傳輸、數(shù)字圖像傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3.1 現(xiàn)階段無線傳輸技術(shù)場景應(yīng)用技術(shù)的特點(diǎn)

(1)采用RF射頻技術(shù)的產(chǎn)品是用無線電波來傳送控制信號的，它的特點(diǎn)沒有方向性，數(shù)據(jù)傳輸僅達(dá)數(shù)十米。發(fā)射器和接收器之間受金屬阻擋物屏蔽限制作用。

(2) Zigbee在應(yīng)用中功耗低，自組網(wǎng)，可組成網(wǎng)狀網(wǎng)(通過路由延長傳輸距離)，但存在傳輸速率低，只能傳輸簡單的數(shù)據(jù)的缺陷，同時(shí)存在受阻擋物限制作用。

(3)射頻通信，頻率越高，穿透性越強(qiáng)，但是繞射能力越弱。

(4)系統(tǒng)抗干擾能力差，通讀環(huán)境總是存在各種干擾源，如直流電機(jī)、高壓電網(wǎng)、電焊機(jī)、高頻電子設(shè)備等設(shè)備對ZigBee無線傳輸、RF無線傳輸均有不同程度的影響、干擾。

(5)單純采用移動通訊技術(shù)存在安全缺陷。主要因素在于無意識人為因素錯(cuò)誤、有意人為攻擊影響、信息泄露與系統(tǒng)漏洞等，而移動通訊信系統(tǒng)當(dāng)前并沒有形成有效預(yù)防病毒的機(jī)制，僅有用戶通過自行系統(tǒng)升級，對病毒形成限制，預(yù)防安全隱患進(jìn)一步擴(kuò)大，較難確保不出現(xiàn)任何問題。

(6) 5G基站建設(shè)前期投入大，相對4G來說，要保障用戶體驗(yàn)必須建設(shè)更多的5G基站，也代表更多的硬件設(shè)備投入成本，其用戶的使用成本將較高于4G。

(7)雖然現(xiàn)場Zigbee、RF、移動通訊技術(shù)出現(xiàn)較早，但它在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用在國際標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程卻經(jīng)歷了很多年，但在通訊協(xié)議的通用性問題上，并未取得建設(shè)性的進(jìn)展和規(guī)模性普及。目前無線通訊協(xié)議的通用性，仍是困擾用戶的一大問題。

3.2 改進(jìn)方法分析

(1)傳統(tǒng)無線傳中，當(dāng)受到強(qiáng)電磁干擾或金屬或物理阻隔時(shí)，信號將出現(xiàn)中斷或延時(shí)遲滯，監(jiān)測系統(tǒng)將不能直實(shí)、實(shí)進(jìn)地監(jiān)測測量數(shù)據(jù)。如采用ZigBee無線傳輸、RF無線傳輸，移動通信技術(shù)三合一時(shí)，系統(tǒng)通讀表決模塊如監(jiān)測到系統(tǒng)測量環(huán)境處于強(qiáng)電磁干擾或金屬或物理阻隔，數(shù)據(jù)流將優(yōu)先經(jīng)移動通訊功能單元模塊傳輸數(shù)據(jù)流，可保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性。

(2)在傳統(tǒng)通訊傳輸過程，采用單一的ZigBee無線傳輸或RF無線傳輸，如出現(xiàn)ZigBee無線傳輸、RF無線傳輸單數(shù)據(jù)處理模導(dǎo)體故障，將出現(xiàn)數(shù)據(jù)流中斷現(xiàn)象，監(jiān)測系統(tǒng)將不能反監(jiān)測源真實(shí)數(shù)據(jù)。在采用三合一通訊模式，出現(xiàn)單一ZigBee無線傳輸、RF無線傳輸、移動通信技術(shù)故障，通讀表決功能模塊將做出表決處理，功換至無故障模塊傳輸數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)流的持續(xù)。

(3)近年來，隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，5G因具備高速度、低時(shí)延時(shí)、高可靠、低功率海量連接的特點(diǎn)而具有無限的潛力。但在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用還是相對較少。

4 結(jié)語

隨著工業(yè)自動化技術(shù)的飛速發(fā)展和工業(yè)智造化的迫切需求，工業(yè)控制無線通訊儀表功能需求急需增加，無線通訊將是工業(yè)無線通信技術(shù)的必然趨勢。無線通訊儀表應(yīng)用于石油、化工等工業(yè)自動化系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、穩(wěn)定性猶為重要，相關(guān)技術(shù)工作者應(yīng)充分考慮工業(yè)化應(yīng)用中的通訊環(huán)境，以及化工行業(yè)操作控制對數(shù)據(jù)通訊性能等要求，加快普及無線通訊儀表應(yīng)用，助力國家現(xiàn)代工業(yè)實(shí)現(xiàn)自動化、智能化。