工业控制中无线短程网和无线局域网的应用前景分析

2020/11/11
工业控制中无线短程网和无线局域网 的应用前景分析
现场设备级无线网络的要求(5/6)
现场设备就地 接入
现 在正常条件下用手持式PDA接入任意现场设备的能力和通
场 过控制系统作代理服务器方式的接入能力
设 备 就
注:在以代理服务器方式接入强制保证安全和可计算的,同时对常 认为驻设备的信息作快速拷贝时每次均保持一致
由其功能决定可能是1类、2类，甚至为0类
要
监 4类：标记产生短期操作结果（例如：基于事件的维 程
测 护）
度
监 5类：记录和下载/上载不产生直接的操作结果 控 （例如：历史数据采集、事件顺序记录SOE、预防性维护）
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SP100规定的五类应用（5）
工业控制中无线短程网 和无线局域网的应用前
景分析
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工业控制中无线短程网和无线局域网 的应用前景分析
内容提要
无线网络技术概述 为什么无线通信在工业中应用特别受到重视？ ISA SP100—控制环境下无线系统的标准 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 结 束 语
现场设备级无线网络的要求(6/6)
服 务 质 量 QoS
服 务 质 量
立即(如紧急消息,高中断级报警)
信 息
按预定时间传送(如周期性闭环控制模块)
时 间
等待一定时间可得到(如监控数据,低中断级报警)
性 的
重
QoS 高吞吐量数据(如历史数据上传,组态数据库下载, 要
分 代码下载)
程 度
类
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SP100规定的五类应用（1）
安 0类：紧急动作（恒为关键）
信
全
息
1类：闭环调节控制（通常关键）
时 间
控 2类：闭环监督控制 （经常非关键）
性
3类：开环控制（由人工控制）
的
制 注：批量控制的3级（“单元“）和4级（”过程小单元“） 重
❖ 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。
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INVENSYS的无线网络业应用策 略
➢ 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强烈相关，一般大 致在150毫米至80公里。
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当前影响无线网络应用的主要障碍
➢ 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。
芯片组约20美元 高
53.3~480Mbps
Wi-Fi
芯片组约25美元 低
54Mbps
NFC
芯片组约2.4~4美 元
极高 424Kbps
0~10m
0~100m
0~20m
3.1GHz~10.6GH z
标准尚未制订
2.4GHz
IEEE802.11b IEEE802.11g
13.56MHz
ISO/IEC 18092 (ECMA340) ISO/IEC
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概述
目前市场上近距离无线通信产品层出不穷，广泛应用 的还是蓝牙(Bluetooth)，红外(IrDA) 和无线局域网802.11 （Wi-Fi）。同时还有一些具有发展潜力的近距离无线技术 标准，它们分别是：zigbee、超宽频（UltraWideBand）、 短距离通信（NFC）、WiMedia、GPS、无线139和专用无 线系统等。它们都有各自立足的特点，或基于传输速度、 距离、耗电量的特殊要求；但没有一种技术完美到可以满 足所有的要求。
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美国ISA SP100标准委员会正在加紧制定工业环境下 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。
❖ 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。
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无线通信网络的工业应用正在发展
地 在投用调试的情况下用手持式PDA接入任意现场设备的能
接 力,或在紧急情况下不能利用控制系统作代理服务器方式接入
入 而又要作预组态时接入
注:在其他时间必须禁止使用这一特性,在投用调试结束后如果使 用之应作为潜在的安全危险加以记录
必须支持现场设备的无线就地接入
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/
成 本 复 杂 度
功
室内
耗
专用无线网络
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室外
数据传输率
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工业应用无线传输的优势
❖ 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。
兼容性和规模可扩可缩
可互操作性 一个支持SP 100无线应用协议的开放型无线现场
/
设备的底层结构,可通过网关变换为现今的应用协议
公用底层结构 与工厂内其他非公用底层结构的RF共存
在世界范围均 尽管各国允许的使用频带不尽相同,但无线设备必
可使用
须在世界各国都能使用
网络容量 每个网络容量可高达1,000个现场设备
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
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用于工业无线网络的最紧要的要求
成本
减少安装成本
减少运行维护成本
21481(ECMA352)
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为什么无线通信在工业应用 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。
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蓝牙技术 Wi-Fi技术 红外线接口-IrDA技术 Zigbee技术 NFC技术 UWB技术
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几种无线网络比较
价格 安全性 传输速度 通信距离
频段
国际标准
zigbee
可向DCS或类似控制系统发送消息；能同时向其他现场 设备发送消息，以形成现场回路
像有线数字通信网络一样可提供和支持闭环控制
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现场设备级无线网络的要求(4/6)
网络 安全
消息 传送 安全
信息安全
无线网络对故意攻击或人为差错有安全防护
设备均提供识别码 通信关系授权 自动密钥管理 对可能发生的攻击进行推理、记录和报告
易于安装和维护
电源管理(采用电池运行)
兼容性和 可扩可缩
可互操作性/共用基础设施/共存性(与其他射频设备共存) 在全世界范围军能使用(与使用国家无关)
网络容量和网络规模可扩可缩
性能
通信可靠(正确传输的百分比%)
适于闭环控制
快速的报告速率
支持现场点对点控制
信息安全 网络安全
网格拓扑自组织(meshing)安全
芯片组约4美元
中等 10Kbps~250Kbps
有效范围 10m~75m143公尺 （当传输速率降到
26Kbps） 2.4GHz 866MHz(欧 洲) 915MHz（美国）
IEEE 802.15.4
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
bluetooth
芯片组约5美元 高
1Mbps 0~10m
2.4GHz
IEEE802.15.1x
UWB超宽带
通过对消息的检查防止恶意攻击或消息发送系统出错
由要求消息的源节点进行检查 原封不动和不加修改 在QoS等级内按数据包的顺序传送，对同一数据包不重发 传送的及时性根据应用的需要
通信有防止窃听保护
对所传送的消息作适当的保密处理使之好像是随机数据
QoS服务质量(如立即传送、按预定时间传送、等待一定时间)
保持信息安全的过程具有智能特性
和
每个网络最多可有100个中继节点
可扩可缩性能 在所覆盖的区域内容许多个网络
具有可预测的性能
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
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现场设备级无线网络的要求(3/6)
性
能
通信可靠
报告速率 适于
闭环控制 在现场支持 点对点控制
就地现场设备接入
服务质量(QoS)等级和使用情况
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现场设备级无线网络的要求(1/6)
成
本
安装成本 安装成本远低于有线网络(至少为2:1)
运行成本 仪表维护成本与有线网络相似 底层结构的连接其维护成本低于有线网络
易于安装 增加一台无线设备的工作量,与在有线数字通信网络增加一台 和维护 设备的工作量相同
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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）
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
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工业控制中无线短程网和无线局域网 的应用前景分析
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
能在恶劣的工业环境下(EMI、多径、衰变等)正常工作 能与现场中同时存在WiFi、RFID、对讲机、手机、寻 呼机、无线远程控制和其他无线数据网络共存 对数据传输的阻塞有抗拒能力 单点故障不致对整个网络产生影响
最佳性能与有线数字通信相仿（与具体应用场合有关）
在受调度时间间隔内以极高的消息传输百分比进行传输 因连续丢失消息而脱离预定模式的事件极少发生
内在的诊断集和标准化的补纠办法,以及支持工具(如电池、 RF MODEM、天线等)
电源管理 不论是自附电源还是由其他方法供电,不管所用电池的类型,在 正常条件下都至少使用3年
成本目标 = ½(有线) + 不致增加任何维护成本
2020/11/11
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现场设备级无线网络的要求(2/6)
➢ 工业环境对无线通信的挑战有：
工作环境温度由-40C—+70C；
高湿度（当温度为40C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）。
2020/11/11