20061211工业无线通信标准体系研究

项目建议书工业无线通信标准体系研究承担单位：机械工业仪器仪表综合技术经济研究所起止时间：2007年1月～2008年12月项目负责人：申报日期：2006年11月28日一、研究的目的、意义1.1研究目的基于TCP/IP协议的有线以太网为工业控制网络带来了新生。

然而，在工业现场，一些工业环境禁止、限制使用电缆或很难使用电缆。

（例如，建有坚实的混凝土地板和大跨度天花板的建筑物或厂房，或者电缆必须铺入超净或真空封闭的房间）。

其他一些工业环境要求完全把电缆屏蔽起来以高度防止来自大多数工业设施中的机器或其它无线电控制设备的干扰。

更有一些高速旋转的设备根本无法通过电缆来传输数据信息。

而无线局域网技术却很容易解决这些问题。

近年来，无线网络成为工控领域中迅速发展的热点之一，也是工业自动化产品未来的新增长点。

在配置、安装、修改和扩展等方面，无线网络的成本都低于有线网络。

特别是通过无线网络可以很方便地接入移动设备，能够大大提高工作人员的工作效率和精确性。

无线通信技术正成为继现场总线、工业以太网技术后工业控制领域的又一个热点，国际主流自动化供应商与专业厂商都在开发基于无线技术的相关产品，无线传输进入工业控制领域的趋势无可质疑。

当前，将无线通信技术应用于控制领域，仍然需要解决其适应工业现场环境的难点问题。

本项目的目标在于通过对实时性、抗干扰、节能、和安全等关键技术攻关，掌握技术领先的、自主知识产权的基于无线通信的测量控制技术，形成符合我国工业无线需求的工业无线通信标准体系；同时制定具有自主知识产权的工业无线通信国家标准，开发相关工业现场测控设备，加快装备制造业的转行和跨越式发展。

1.2研究意义（1）工业数字通信的发展方向在今天的工业生产过程中，人们在不断提高生产设备的可靠性和产品质量的同时，更注重降低人工、能耗等生产成本以提高竞争力。

在此背景下，将无线技术引入工业控制领域，具有显著的优势：◆降低控制系统成本：在传统的有线系统中，布线的成本是每米$30～$100，在一些恶劣环境下，可达到每米$2000。

系统运行期间需要不断检测系统状态，发现错误，更换电缆。

使用无线技术将极大降低上述控制系统安装与维护成本。

◆提高控制系统可靠性：在有线系统中，绝大部分系统错误是由电缆的连接器件损坏而引发的。

使用无线技术将彻底杜绝此类错误的发生。

◆增强控制系统灵活性：使用无线技术后，现场设备摆脱了电缆的束缚。

管理者可以根据用户需求的变化快速、低成本地重构控制系统。

◆无线通信使控制系统向着智能化的方向发展：在无线技术的基础上发展起来的自组织技术可以使控制系统具有真正的“智能”。

在未来的应用中，使用无线技术的现场设备以自组织的方式构成控制网络，并根据应用的需求进行自配置、自主重构。

（2）现有工业有线通信技术的有效补充无线局域网技术能够在工厂环境下，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构。

在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足，进一步完善了工业控制网络的通信性能。

随着微电子技术的不断发展，各种无线模块体积越来越小，价格越来越便宜，智能现场设备集成无线模块将更加方便、灵活。

无线局域网技术将在工业控制网络中发挥越来越大的作用。

无线通信具有高移动性，通信范围不受环境条件的限制，拓宽了网络的传输范围。

与有线网络相比，无线通信对于干扰比较敏感。

选择有线通信还是无线通信，或是有线无线互为备份，应根据实际情况而定。

无线接入目前还没有统一的国际标准，不同的标准有不同的应用，有的增加了带宽和传输距离，有的则提高了移动性和经济性。

因此，制定适合我国工业自动化现场情况的的工业无线标准，并根据具体的行业应用给出实施建议是非常有必要的。

（3）符合国家政策和中长期科技规划国家“十一五”规划中指出，必须加快转变经济增长方式。

要把节约资源作为基本国策，发展循环经济，保护生态环境，加快建设资源节约型、环境友好型社会。

从根本上转变经济增长方式，从高成本、高能耗的粗放型向集约型发展转变，要用科技手段着力提高产品工作效率、降低物质消耗，实现清洁、安全发展和可持续发展。

国家中长期科技发展纲要中提出制造业的发展思路是发展绿色制造，形成高效、节能、环保和可循环的新型制造工艺。

将无线技术应用于工业控制领域，具有降低控制系统成本，提高控制系统可靠性、灵活性和智能性等方面的优势，符合集约型发展的要求。

据统计，与传统的有线工业控制系统相比，基于无线技术的工业控制系统的安装成本降低了84％，运行能耗降低了20％。

这充分说明，工业无线通信技术将在高成本、高能耗工业系统改造方面将发挥重要作用。

（4）掌握核心技术，提高自主创新能力和产品竞争力国家“十一五”规划中指出要提高自主创新能力。

把增强自主创新能力作为科学技术发展的战略基点和调整产业结构、转变增长方式的中心环节。

当前在我国自动化领域，主流市场仍然被国外产品占领。

自主开发的产品虽然满足了许多消费者的需求，但是主要集中在低端市场的需求，而且以集成为主。

自主开发不应永远停留在低端产品上。

发展中国自主的工业无线通信技术符合当前国际自动化技术趋势，能够显著提升国内自动化产品技术含量，通过良好的性价比替代进口产品，使中国的自动化行业能够在未来的国际竞争中位于同等水平。

（5）以标准引领产品与市场通信协议的标准化，以及不同厂商按照标准通信协议开发的无线通信产品的标准符合性测试就显得至关重要。

另外，不同厂商的设备要在同一个工业无线网络上一起工作，它们之间的互操作能力也是必须经过严格测试才能得到保证的。

因此，对必须制定工业无线通信技术标准，用以评价产品是否符合通信协议的一致性测试以及可互操作性测试，最终达到规范市场的目的。

二、国内外同类研究现状分析及存在的问题2.1研究现状2004年无线工控产品的市场份额达到5亿美元。

美国政府意识到这一发展趋势，对无线技术对未来工业自动化领域的影响进行了深入的分析，并做出推断：无线技术并不是一项简单的替代（有线）或补充技术，而是一项革命性的技术，将推动工业自动化领域的深层次变革。

在明确了无线技术在工业自动化领域的地位和作用后，美国政府开始全面启动工业无线技术的应用与研究工作。

在应用层面，2004年由美国能源部发起Honeywell、RAE等70多家大公司参与成立了无线工业控制网络联盟（WINA），该联盟专门讨论无线技术在工业控制领域的应用问题。

同年，美国工业技术计划“传感器和自动化”方向上设立了5个重点项目，分别推进无线技术在电解铝、采矿、化工、玻璃、钢铁等行业的应用。

在技术层面，美国橡树岭国家实验室成立了面向极端情况的通信研究中心（EMC2），该中心联合一些知名大学和研究所致力于研究无线技术的抗干扰、安全、节能等技术难题，并积极策划制订第一个国际工业无线标准SP100。

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通信系统的标准，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：①运用无线技术的环境，②无线通信设备和系统技术的生命周期，③无线技术的应用。

主要面向现场仪表和设备。

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。

其目标是：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%。

目前，国际一些知名的工控设备厂商纷纷开始研制基于无线技术的现场设备。

2002年，在美国能源部的支持下，Honeywell、RAE等大公司发起成立了无线工业控制网络联盟（WINA）专门讨论工业无线通信技术问题。

该联盟预计到2007年，无线产品在工业控制领域的市场份额将达到35亿美元。

为了推动工业无线技术的有效研究和应用，IEC/TC65也将在2007年成立相应的工业无线国际标准制定工作组，以开展工业无线标准体系的研究和相关国际标准的制定工作。

充分利用工业无线通信，制定具有自主知识产权的工业无线标准，开发适当工业无线产品和系统，是实现我国“十一五”规划中节能降耗目标的重要方法之一。

因而，近几年国内的相关单位也开展了此方面的研究和应用工作，同时为了和国际技术同步，国内沈自所、西南大学等单位也派专家参加了国际标准制定的前期研究工作。

但是国际和国内一直还没有统一的技术规范标准作为研究和应用的基础。

2.2存在问题无线介质不像有线介质那样处在一种受保护的传输环境之下。

在传输过程中，它常常会衰变、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等等。

工业测控应用对无线通信技术提出了以下的挑战： 标准化目前我国还没有工业无线通信技术的标准，因此未能开展相关方面的测试和评价工作，这使得对国内外各工业无线通信设备制造商推出的自称符合某种工业无线通信技术的产品和系统难以进行测试评价，也无法进行互连互操作，并且无法指导国内自动化企业生产相关的无线通信产品和系统，无法规范市场，也就很难保障国家的经济利益。

◆可靠性大部分的工业控制应用要求数据的可靠传输率要超过95％。

在工厂极端恶劣的环境下，无线信号的传播易受由生产设备产生的强噪声、其他无线设备产生的窄带或宽带干扰以及由移动的人或设备反射造成自身信号传播过程中的多途干扰。

针对这种恶劣环境，现有的无线扩频通信技术难以达到高可靠通信的要求。

◆实时性对于工业闭环控制应用，数据传输延迟应低于1.5倍的传感器采样时间。

而现有面向商业应用的无线技术的实时性难以满足应用要求。

◆能耗从运行和维护成本方面考虑，由电池供电的无线设备其自主运行的寿命（无需更换电池）应达到3至5年。

无线设备的能耗由感知、计算和通信三部分组成，而对于快速连续控制过程，现有的节能技术还难以达到实用要求。

◆安全性随着工业控制系统网络化进程的推进，网络安全和数据安全问题日益突出，一些安全漏洞将给工业控制应用造成巨大的损失。

无线通信由于信道的共享特征更容易收到攻击，其安全保障机制将更加复杂，现有的无线网络安全机制还难以达到要求。

◆兼容性为了保护用户的原有投资，新型的工业无线测控网络要具有与工厂原有的有线控制网络互连和互操作的能力。

为了达到闭环控制的要求，互连与互操作技术在实现通信介质和协议转换的同时还要保证通信的可靠和实时，这是以前的互连与互操作技术没有考虑的问题。

2.3无线局域网的协议标准介绍IEEE802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入。

业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2Mb/s。

IEEE802.11委员会提出的无线局域网协议体系如图1所示。