工厂自动化和过程自动化中 无线短程网和无线局域网 的应用前景分析

1. 工厂自动化和过程自动化中无线短程网和无线局域网的应用前景分析工厂自动化和过程自动化中无线短程网和无线局域网的应用前景分析 上海工业自动化仪表研究所 彭瑜 Pengyu@sipai.com 2006年5月

2. 内 容 提 要 • 为什么无线通信在工业环境中的应用特别受到重视？ • ISA SP100—自动化和控制环境下实现无线系统的标准 • 无线通信网络的分类 无线局域网WLAN 无线短程网WPAN • 现场设备层无线通信已进入工控领域  ABB进行的现场设备层无线通信实验  BP进行的现场设备层无线通信实验 • HART基金会正在积极开发无线HART协议 • 结 束 语

3. 为 什 么 现 在 无 线 通 信在 工 业 环 境 中 的 应 用特 别 受 到 重 视？

4. 为什么无线通信在工业环境中的应用特别受到重视？为什么无线通信在工业环境中的应用特别受到重视？ • 工业发达国家和新兴崛起国家为提高其产品在全球市场的竞争力，都力求在提高生产率的同时，降低包括能源消耗、原材料消耗和劳务成本。对于发达国家来讲，其劳务成本远远高于新兴崛起国家，因此特别重视促进创新和技术进步，采用新的技术手段。在这场竞争日益激烈的比赛中，无线通信技术在工业中的推广应用受到了特殊的重视，显然是基于这样的大背景。 • 在工业环境下任何地点均能安装使用的智能无线传感器及其网络，具有足够的可靠性和自治处理能力，将为各种生产装置配备实时共享的数据采集能力，从而为提高生产率，改善产品质量，降低成本发挥重要作用。

5. Invensys的无线工业应用策略 成本/复杂度 室内 功耗 室外 数据传输率 专用无线网络

6. 欧洲无线工控应用项目RUNES的开发路线图

7. 欧洲无线工控应用项目RUNES的开发路线图 • 在欧洲，从2004年10月至2005年4月，集中了25个组织（大小公司和研究所）制定了一个名为RUNES、在未来10年内无线技术在工业控制和自动化发展应用的路线图。 • 背景：及时而牢固地抓住无线网络为工业系统安装和运行的高度灵活性和成本优势创造的机会。 • 目标：到2008年将安装成本降低50%，运行成本降低30%；到2014年将安装成本降低80%，运行成本降低50%。

8. 欧洲无线工控应用项目RUNES的开发路线图 发展无线应用必须考虑的原则： • 在工业控制和自动化中尽可能利用无线通信是必然的选择 • 无线通信应与传统有线通信系统有互操作性 • 开发可重复配置（reconfigurable）的设备 • 尽可能地从环境中取得电源（如用太阳能电池） • 尽可能采用开放的频段（如世界通用的ISM频段2.4GMHz）

9. 工业环境下利用无线传输的优势 • 无线传输的优势表现在：极大降低安装成本、持续降低运行维护成本，更换方便，便于升级，减少接插件故障，移动自由且不受限制，投运快速，可以实际利用MEMS（微机电系统）技术。 • 美国能源部的研究估计，无线传感器网络会为工业现场节能10%和降低排放或泄漏15%提供良好手段。 • 应充分利用无线通信，开发适当无线产品和系统，为实现我国“十一五”规划的节能降耗目标建功立业。

10. 无线通信网络的工业应用正在发展 • 无线的工业应用当前出现的新动态是使用高速、无须申请频率许可证、低价的技术。 • 无线通信距离与具体应用（工厂自动化、过程自动化和SCADA系统）强烈相关，一般大致在150毫米至80公里。

11. 当 前 影 响 无 线 系 统广 泛 应 用 的 主 要 障 碍 • 当前影响无线系统广泛应用的主要障碍是：如何克服工业环境对无线传输的影响和无线技术目前发展的状态尚难以满足工业应用的要求。 • 工业环境对无线通信的挑战有： 工作环境温度由-40C—+70C； 高湿度（当温度为40C湿度 95%时不结露）； 本质安全防爆要求； 固定设备和移动设备对无线传输路径的影响（衰变、中断和发生各种各样的缺陷，诸如频散、多径时延、干扰、与频率有关的衰减，节点休眠、节点隐蔽和与安全有关的问题）。

12. ISA SP100—自 动 化 和 控 制 环 境 下实 现 无 线 系 统 的 标 准

13. ISA SP100—自动化和控制环境下实现无线系统的标准 • 美国仪表系统和自动化学会的ISA SP100标准委员会正在加紧制定自动化和控制环境下实现无线系统的标准，推荐实践指南、技术报告和相关的信息。着重在三方面制定标准：运用无线技术的环境， 无线通信设备和系统技术的生命周期， 无线技术的应用。主要面向现场仪表和设备。 • 在SP 100标委会下设五个主要的分标委会：  射频物理学基础  可互操作性  用户要求  用户指南  集成

14. 制定SP100的标准化方法论 • SP 100在制定标准前提出标准化方法论：  环境评估—射频、光照影响  应用评估—传输时间、传输容量  可选项评估—技术、产品、标准  无线网络节点部署的评估—初始稳定性、部 署方便  性能评估—针对用户要求  维护—工具、成本、升级

15. 符合SP 100标准保证各方受益 • 符合SP 100将保证：  供应商的规范的一致性，并易于解释  用户要求简明扼要、贴近，并易于解释  可选项清晰而易于鉴别  对于要克服的问题所提供的可选项是可以进行定量估算

16. 面 向 成 功 的 SP 100 • SP 100力求在现有相关标准的基础上，能在一个较短的时间内取得符合要求的结果。 SP 100尽可能应用下列标准并有所提高：  ISA SP 99—信息安全  IEEE 1451—智能传感器  FIPS 140-2—信息安全  ISO/OSI 网络可连接的7层模型 SP 100力争促进  新技术的发展应用  无线网络的节点合理部署  从业人员和公司相互间的交流

17. SP100规定的五类应用（1）

18. SP100规定的五类应用（2） • 直接的操作结果的数据和消息，譬如历史数据的采集，为预防性维护而必须进行的周期性采集的数据，事件顺序记录数据的上传（这类似于文件传递，不能因通信类型而发生数据丢失，属于监控的第5类应用，是指通过无线传输那些不会产生但又非像控制信号那样必须考虑时间性），其它的上装和下载。 • 属于监控的第4类应用，是指通过无线传输那些只在短时间内产生操作结果的数据和消息，例如基于事件的维护而必须采集的数据，为测试需要而发往现场的限界动作所产生的临时而短暂的结果，无线设备上的电压低限指示器所产生的告知更换电池的信号等等。

19. SP100规定的五类应用（3） • 第3类开环控制是指在回路中还有人在作用，例如操作人员手动启动一个信号装置且注视着这个装置，远程指导开启一个安全门，操作人员执行手动调节泵/阀门等。 • 第2类闭环监督控制，通常并非关键部位，如不频繁的串级控制，多变量控制，优化控制等。 • 第1类闭环调节控制，一般均为关键回路，如现场执行器的直接控制，频繁的串级控制等。 • 第0类恒为关键的紧急行动，包括安全联锁，紧急停车，自动消防控制等。

20. SP100规定的五类应用（4） • 报警信号根据具体应用场合，分属以上由0类至5类。 • 例如： 0类报警是指那些具有自动响应的、致命有毒气体的泄漏检测器信号（如对污染的自动响应）， 1类报警是指具有自动响应的、对流程状态会带来高度影响的信号（如自动停止反应的停车信号）， 2类报警是指对流程状态自动响应的信号（如要对某种参与反应的流体做分流处理），  3类报警是指对流程状态作手动启动的操作响应的信号（如由操作人员来判断决定是否分流至另一并行的反应器），  4类报警是指有关设备状态的报警，以通知维护人员在短时间内到达现场， 5类报警指那些有关设备状态的报警，要求维护人员采取长期维护的动作。

21. SP100规定的五类应用（5） 英国石油公司CTO提出：实际对这些类别（不包括0类）的应用需求，大致是按以下的比例 1：2：4：10：10 第四、五类应用是大量的 状态监控—振动，温度/压力 性能监控—热交换，环境，机械性能

22. 用于工业自动化的无线网络的最紧要的要求

23. 现场设备级无线网络的要求(1/6) 成本目标 = ½(有线) + 不致增加任何维护成本

24. 现场设备级无线网络的要求(2/6) 底层结构支持不同供货商提供的设备, 而不致干扰现有的无线设备

25. 现场设备级无线网络的要求(3/6) 像有线数字通信网络一样可提供和支持闭环控制

26. 现场设备级无线网络的要求(4/6) 保持信息安全的过程具有智能特性

27. 现场设备级无线网络的要求(5/6) 必须支持现场设备的无线就地接入

28. 现场设备级无线网络的要求(6/6) 信息时间性的重要程度

29. 无 线 通 信 网 络 的 分 类

30. 无线通信网络的分类 • 无线通信网络按传输距离可分为：  城际网（WMAN）  局域网（WLAN）  个人网（短程网，WPAN） • 无线通信网络的标准  城际网（IEEE 802.20， IEEE 802.16）  局域网（IEEE 802.11）  短程网（IEEE 802.15）

31. IEEE 802标准的无线空间 WWAN IEEE 802.22 IEEE 802.20 传输范围 WMAN WiMax IEEE 802.16 WLAN WiFi 802.11 ZigBee 802.15.4 802.15.3 802.15.3a 802.15.3c Bluetooth 802.15.1 WPAN 0.01 0.1 1 10 100 1000 数据传输率 (Mbps)

32. 正在发展的一些无线传输的技术 • 无线交换技术  简化无线网络的规划和部署  简化无线网络管理  快速交付使用 • 网状网络技术  构成接入点和客户的协作网络  改善传输范围，通过数据包的再传输可减少对返输要求  通过多路径传输可提高传输的可靠性  显著改善网络管理和网络能力 智能天线  多发射和/或接收天线（MIMO）  定向聚焦射频电磁波  为改善链接能力和可靠性进行高级信号处理 backhaul

33. 正在发展的一些无线传输的标准 • ZigBee/IEEE 802.15.4  特长的电池寿命  很适合工业自动化，家用电器，传感器网络 • 超宽带（UWB，IEEE 802.15.3a 和802.15.4a）  美国FCC开放一无须申请的自由宽带频率范围3.1- 10.6GHz  无射频载波，低成本，低功耗，非直线传输  在低传输速率模式，可用于一个重要的工业市场： 位置感知（在2厘米-20米范围内） • WiMax（IEEE 802.16，Intel 提出）  适于住宅区/经营性建筑的长距离（ 1km）射频链接  较高数据传输率（在一个20MHz的信道约70Mbps）  也可用于大型工业部署  今年将有商品问世

34. 用于工业控制领域的无线传输网络 • 近些年来，无线传输网络成为工控领域中正在迅速发展的技术热点之一，也是被不少工业自动化供应厂商看好的一种新的增长点。 • 发展重点主要集中在无线局域网和无线短程网。 • 一如以往所有的IT技术移植到工控应用中来所采取的方法一样，基础是IT行业的各种无线传输标准。但充分考虑在这种专门应用中的特别要求，开发适应这些特别要求的技术、规范、标准和行规。

35. 适应不同无线传输要求而发展的标准和技术 文本 因特网/声音 压缩图像 多通道数字图像 INTERNET/AUDIO COMPRESSED VIDEO TEXT MULTI-CHANNEL DIGITAL VIDEO ZigBee 802.11b 802.15.3/WIMEDIA 802.11a/HL2 & 802.11g 短程 < 传输范围> 长程 Bluetooth 2 Bluetooth1 低 < 实际数据传输率> 高

36. 无 线 网 络 标 准 的 比 较

37. 无线局域网WLAN标准 • WLAN标准IEEE 802.11系列还在发展中，已完成的有: • 其中， 涉及安全的有：802.11i 安全扩展 涉及性能增强的有： 802.11e MAC层的QoS扩展， 802.11r快速漫游， 802.11n 极高吞吐能力方式， 802.11s 网格状联网 涉及投用和管理的有： 802.11k 射频资源管理， 802.11t 无线性能预测，802.11v 无线网络管理

38. 全球WLAN的市场容量及预测 市场投放量 设备单价 价格从300美元（2000）降至十几美元（2007）， 市场投放达5000万台。

39. 工业WLAN和WLAN要求不同 • 工业WLAN的市场容量相对较小，但性能要求高。 • 工业WLAN的产品应可灵活地通过软件模块实现802.11的分标准。如Siemens的工业WLAN产品SCALANCE-W，就可提供工业QoS和快速漫游（IEEE 802.11r）的解决方案。 • IEEE 802.11在技术上并不能提供确定性的保证，但在802.11e 中给出了在MAC层支持多传输介质应用及保证通信质量QoS的扩展：解决了在MAC层的优先级服务，又通过轮询规约（polling protocol）实现多介质的通信调度。 • 由于轮询在本质上具有确定性，因而可以避免由802.11的信道争用和指数补偿而造成的延迟。 • 为了防止轮询可能带来的不良问题（如在需要发送的数据尚未形成之前轮询信号已到，那么该数据的发送则不得不再等待一个轮询周期），需要通过自适应轮询算法保证现场设备同步。

40. 工业无线局域网WLAN的要求 • 工业WLAN具有与企业办公和家庭应用环境不同的要求。这些要求可归纳为： 严格的延迟要求。 确定性性能的保证 支持大量的设备挂网，并支持挂网的设备数量可变化。 网络安全的保证。 网络投用的保证。

41. 工业无线局域网WLAN的要求 严格的延迟要求： 用于现场设备要求延迟不大于10ms，用于运动控制不大于1ms，对于周期性的控制通信，使延迟时间的波动减至最小也是很重要的指标。 确定性性能的保证： 保证确定性是对任务执行有严苛保证的工业通信系统必备的特性。即使设备处于漫游状态也有此要求，否则会丧失实时性能。 支持大量设备挂网，并容许挂网设备的数量可变化：工业WLAN的接入点约为数百个的数量级。若节点过多和接入的节点数有变化，有可能导致IEEE 802.11的MAC协议层效率太低。 网络安全的保证：满足安全保密法规是工业WLAN的基本要求。包括对黑客接入点的检测和保护的前提条件。 网络投用的保证：由于运行故障是不可接受的，因此对于有几百个设备节点的WLAN来讲要求网络具有自投用功能，并能执行无线规划和辅助节点位置调查。

42. 短 程 无 线 网 络 的 标 准 • IEEE 802.15 WPAN工作组负责制定无线个人网WPAN的通信标准。 • IEEE 802.15下面有4个分标准： 802.15.1为BlueTeeth（蓝牙）， 802.15.2为共存性 802.15.3为高数据传输率的WPAN， 802.15.4为低数据传输率的WPAN。 • 802.15.1、802.15.2和802.15.4均正式公布。 802.15.3工作组因两个草案投票军未超过75%，已宣布解散。

43. ZigBee与蓝牙的一些比较 • 在现场层无线网络中，同样属于无线短程网的IEC 802.15.4/ZigBee要比IEC 802.15.1/蓝牙更具广泛的应用前景。 • 这主要是基于以下三个原因： ZigBee的应用开发门槛远低于蓝牙，其最复杂的网络协调器节点的软件开发工作量仅为蓝牙节点开发的10%，其最简单的RFD节点的软件开发工作量仅为蓝牙的2%； ZigBee的功耗远低于蓝牙，这是因为就发射的频宽比来讲，ZigBee为0.01，蓝牙为0.99，即ZigBee的发射时间只占其周期的1%，而蓝牙却占99%； ZigBee的网络节点容量远多于蓝牙。

44. IEEE 802.15.4/ZigBee的市场特性 • 低功耗； • 低成本； • 较低的报文吞吐率； • 支持大型网络接点的数量级（不多于65K个接点）； • 对通信服务质量QoS要求不高（甚至无QoS）； • 提供可选择的安全等级（采用AES-128），  加密  发送鉴别  报文的完整性 • 为适合于多方面的应用而进行的灵活协议设计。

45. IEEE 802.15.4/ZigBee的一般技术性能 • 数据传输率250Kb/s(2.4GHz)和20/40Kb/s(868/915MHz)； • 在2.4GHz工业、科学、医学频带（ISM频带）为16个信道，在915MHz ISM频道为10个信道，在欧洲用868MHz 频道为1个信道； • 采用信道共享多点接入技术CSMA-CA（载波监听多信道接入/避免冲突）协议； • 为保证传输的可靠性，采用完整的握手协议； • 为实现低功耗，配备极低的（小于1/1000）频宽比（duty-cycle）能力，可提供无信标（beaconless）操作； • 支持等待时间低的设备（在使用星型网络时可使用有保证的时隙）； • 支持点对点、星型、簇状树型和网状的网络拓扑。

46. ZigBee 与 IEEE 802.15.4的关系 • ZigBee 采取了 IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点 • ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用软件 • ZigBee继续与IEEE紧密结合，以保证向市场提供一种完整的集成解决方案

47. 8-bit微处理器 (例如 80c51) 协议栈简捷紧凑 甚而支持更简单的仅为从站的协议栈 应用层/行规 ZigBee 或OEM 应用架构 网络/安全层 ZigBee 联盟平台 MAC子层 802.15.4 物理层 应用层 ZigBee 平台通信栈 硬件实现 ZigBee协 议 栈的 特 性

48. ZigBee的频带和数据传输率 频带使用范围 数据传输率信道数 2.4 GHz ISM 全世界 250 kbps 16 868 MHz 欧洲 20 kbps 1 915 MHz ISM 北美 40 kbps 10

49. ZigBee 技术可靠性怎么保证? 可靠性来自以下措施的组合 • 物理层RF 通信链接 • 直序阔频采用高处理增益 • 明晰的信道检测 • 对干扰能量进行检测 • 采用跳频技术Frequency agility • 协议 • 基于CRC的误码检测/校正 • 采取了避免冲突的策略CSMA/CA • 为固定带宽的通信业务预留了专用的有保证的时隙 • 发送的数据包都有待于接受方的确认，如出现问题进行重发 • 保持数据包的及时传输Packet data freshness • 经过强有力认证的标准化开放协议及可互操作性

50. 物 理 层 特 性 802.15.4 在低信噪比的环境下误码率很低 蓝牙要达到10-9误 码率，信噪比要为16 位误码率 Bluetooth 信噪比dB