无线通信与现场总线

无线通信技术融入现场总线中的优缺点

（一）无线通信

近年来无线通信技术有了很大的发展，因此也成为了工业通信领域中的研究和应用的热点。无线通信技术与有线通信方式相比有着巨大的技术优势，对工业企业有着巨大的吸引力；无线通信不需要通信电缆，可以减少安装和维护费用、是工厂自动化系统的配置更加方便和容易：可以在腐蚀、易燃、易爆的环境应用。无线通信的就是把原有数据传输的有线信道用无线代替。数据源是指数据产生的来源，较易通过硬件或软件的方法来实现。数据发射是通过单片机无线收发芯片的发射功能来完成。传播路径是无线电波从发射到接受的路径，传播损耗将会直接影响通信的效果。数据接收过程是通过单片机收发芯片的接收功能来完成的。

（二）现场总线

现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。现场总线为开放式互联网络，既可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。现场总线是工厂底层设备之间的通信网络。作为工业控制现场底层网络的现场总线，要构成开放的互连系统，必须考虑到工业生产现场状况，即在现场存在大量的传感器、控制器、执行器等，它们通常相当零散地分布在一个较大的范围。现场总线通信模型需遵循开方系统集成的原则，同时，又要充分兼顾测控和工业应用的特点和特殊要求。现场总线通信模型的主要特点如下：

1、对OSI参考模型进行简化。通常只采用OSI模型的第1层和第2层及最高层应用层。目的是简化通信模型结构，缩短通信开销，降低成本及提高实时性能。

2、各种类型现场总线并存，并在各自的应用领域获得良好的应用效果。

3、采用相应的补充方法实现被删除的OSI各层功能。

4、通信数据的信息量较小，因此，相对其他通信网络来说，通信模型相对简单，结构更紧凑，实时性更好，通信速率更快，成本更低。

（三）无线通信与现场总线的融合

使用无线连接设备的便利已经导致了在消费电子（商业）领域中无线技术被空前成功的应用。在此基础上基于无线技术的应用开始出现在各个领域。在现场总线中的优势更是多方面的：第一，在工业环境中往往需要大量的布线，采用无线技术不仅会使安装和维护的成本有效减少，而且会使设备的调整规划和重新配置更加的容易。

第二，无线技术的引入对于解决在有化学腐蚀、震动和移动部件等恶劣环境中对各种线缆的潜在损伤等问题显得更加有效。

第三，考虑到工厂设备中适应性和灵活性，固定系统可以通过无线技术和现有的移动子系统或移动机器人连接通信。

第四，对在工厂设备进行临时访问任务（如诊断或程序设计等）使用无线技术会更加简化（如使用无线手持设备）。

在解决工业环境及过程控制环境下的许多移动对象，如移动机器人与自治运输设备之间的协调;旋转对象，如机械臂;危险环境对象的监测与控制问题，如分布式控制等工业环境无线技术发挥极大的作用。

在二者融合的融合的同时也带来一些问题：

1) 融合的方法大多处于理论研究阶段或需要对原有的现场总线进行改造，而业厂家又不想使现正运行的现场总线暂停工作。这使得现阶段的一些其无线接入技术在现场总线中应用变得困难。

2) 可靠性不是很高，易受外界的电磁场的干扰。

3) 无线信道的实时性和出错率达不到要求

4) 没有合适的协议机制和传输调度

（四）现场总线的无线接入方法

为了使无线技术能够无缝而更广泛地应用于工业现场，使现场设备无线接入到现存的现场总线，国内外相关领域的技术人员进行了一定的尝试。按在不同层上实现接入可以将接入方案分为三大类：用户层接入、数据链路层接入和物理层接入。

（1）用户层接入：在用户层设一个OPC服务器,通过OPC服务器进行有线网段与无线网段之间的数据交换。该方案其优点是简单易实现,双方可保持原有结构不动,两侧的“连接”可随时通过软件的控制建立或分离。缺点是中间环节太多,实时性得不到保证。

（2）物理层的接入：在某些站点的有线连接“下”面加装Modem。无线站点的信号经过此无线收发装置将帧格式转换后,联入有线网段接口,因此远端的无线站点被“视为”同质站点。这样,所有的有线、无线站点均采用原有现场总线协议,只是在最底层的某些物理连接上,无线连接代替了有线的连接。其缺点是此方法仅实现了点对点的连接,无线站点不具有“漫游接入”的能力。

（3）数据链路层的接入：此方法源自WLAN和以太网的联接方式,即在PHY 层和DDL层之上加一个无线网关。该无线网关实现了无线网段数据与有线网段之间的数据格式转换和转发。原有的现场总线保持不动,加装一个无线网段的AP

接入点。当两网段间有数据交换时,才会通过AP点经过协议转换把数据转发到另一端。

数据链路层的接入是现阶段最被关注的方法。其具体实现方法较多，但大多处于理论研究阶段或需要对原有的现场总线进行改造，而工业厂家又不想使现正运行的现场总线暂停工作。这使得现阶段的一些其无线接入技术在现场总线中应用变得困难。为了使无线现场设备能够应用于工业现场，又不改动现有的现场总线系统，目前较成熟的技术就是使用无线分散控制站来与原有的现场总线连接，实现现场设备的无线接入。无线分散控制站一般由IO模块控制卡、无线通信卡两部分组成。两块板卡通过IO模块控制卡上的双端口RAM交换数据，通过中断触发数据读写操作，从而达到通信效果。其关键技术就是如何实现无线通信卡的软件设计。