工业无线网络WIA技术与应用

一个无线网关 十二个工业无线通信模块 一个CD-ROM光盘，包括上 位机软件、相关用户文挡 电池、AC/DC适配器、网线
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RS485/232无线透传模块
功能 —实现RS485总线和无线 通信之间的透明传输，可 替换现有的RS485总线 基本参数 —8cm×10cm×2cm小 体积铝合金外壳 —模块具有电源指示 灯，系统状态指示灯 —+9 ~ +24 VDC供电， 也可采用两节普通AA电池 供电
高速控制 其它
数据来源：ISA100/Control Magazine Survey
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工业无线技术发展所面临的问题
技术问题 标准化问题 应用验证问题 需求了解问题 市场发展问题
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现有成员单位
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Biblioteka Baidu
现有工作之一 提出了WIA技术体系
GW
Host Router Handle
endpoint
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高可靠Mesh路由 问题：端到端高可靠通信需求 方法：多径路由
每个设备至少有两条可用的通信路径
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WIA无线网络性能指标
网络规模：一个无线网关最多可 以带150台无线仪表设备，系统可 以通过多个无线网关互连形成大规 模网络 传输距离：工业环境下，室内 200米，室外1000米 可靠性：工业环境下，数据可靠 性大于99% 设备刷新率：设备支持最快数据 刷新率为1秒 电源寿命：设备数据率为1min， 电源寿命至少为1~2年
自主研发 的工业无线 通信模块 OEM产品
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无线网关
设备技术指标： 网络大小：一个网关最 多可以管理150个设备 多种通信接口：支持以 太网、RS232等通信接口 波段：2.4GHz 用户接口：为用户应用 提供OPC、XML及HART
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工业无线仪表强势增长
1,200 1,000
百万美元
1035.7
ThemeGallery
is a Design Digital 800 Content & Contents mall developed by 600 Design Inc. Guild
现有工作之四——测试验证平台建设
工厂射频环境测量 及分析平台 工厂射频环境模拟 平台
系统级物理实验平台
工业无线网络仿真平台
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WIA技术追求的目标 针对恶劣的工厂环境，能够保持网络性能的可靠和
稳定 能够在低成本的商用器件上实现，降低技术开发与 实现难度 用户可以方便地使用、管理，无需较高的专业知识
mall developed by Guild Design Inc. 低速率控制 is a Design Digital
Response Response Percent Total 53.3% 57 88.8% 24.3% 25.2% 13.1% 9.3% Total Respondents (skipped this question) 95 26 27 14 10 107 253
系统级
模块 + 协议 级 模块级
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工业无线通信模块
技术指标：
MCU：MSP430F1611 Flash：48KB RAM：10KB 工作频率：2.400~2.4835GHz 输出功率：18dBm 传输距离：室内200m，室外 1000m 灵敏度：-98dBm 传输速率：250kbps 发射电流：<120mA 接收电流：<45mA 休眠电流：<30uA 工作电压：2.8~3.6V 温度范围： -40~85℃ 外部管脚：24
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无线技术的研究
国内最早开展工业无线网络技术的研究和应用，主要包括 相关技术的研究与攻关、国家/国际标准的制定及示范应 用，是中国工业无线网络的开拓者及领导者 是中国工业无线联盟的发起者与组织者、ZigBee联盟、 HART通信基金会、ISA100成员 主要进行WIA协议、ZigBee、WirelessHART的产品开发及 应用，并且承担工业无线国家标准的制定、产品化与示范 应用等工作
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WIA工业无线构架
OPC & Host 工业以太网 防火墙 路由器 现场无线仪表 冗余网关 Server 传统DCS 现场仪表 PDA 网关
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基于高精度时间同步的TDMA接入模式 问题：无线信道的共享特性造成通信冲突 方法：TDMA接入模式，微秒级的全网高精度时
…… ……
Sensor node 1
……
Sensor node 3
……
Sensor node 1
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设备健康监测系统—— 大规模轧辊轴承健康状态在线监测
C/S client1 C/S client n B/S client 1 B/S client n C/S client1 C/S client n B/S client 1 B/S client n Local network Local network
间同步
B－>D
B A C
D
. . . . . .
A－>B
Channel 3 Channel 2 Channel 1 Channel 0
A－>C
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自适应跳频机制 问题：抑制多频段随机窄带 方法：自适应跳频
根据检测到的信道状况跳频。信道质量好时，不跳 频；信道质量差时，跳频。
智能网络控制 管理 网络核心部件
三种接口方式
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工业无线网络开发套件
WirelessHART与WIA 两种网络原型产品 面向仪表企业及OEM ThemeGallery 厂商 is a Design Digital Content & Contents 提供一切模块编程接 mall developed by Guild Design Inc. 口和配置、模块与传 感器连接、网络建立 和测试全套解决方案 帮助快速开发出工业 无线网络产品，占领 工业无线市场
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switch Switch
Backup sink server
sink Cluster-head Alarm cluster-head Backup… cluster-head Cluster-head Alarm Backup cluster-head cluster-head
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工业无线网络WIA技术与应用
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内容提要
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中科院沈阳自动化所简介 工业无线技术与标准 工业无线系列产品 工业无线应用案例
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接口 —3000 VDC隔离RS485 接口 —标准DB9 RS232接口
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无线仪表
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内容提要
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中科院沈阳自动化所简介 工业无线技术与标准 工业无线系列产品 工业无线应用案例
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内容提要
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中科院沈阳自动化所简介 工业无线技术与标准 工业无线系列产品 工业无线应用案例
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当前工业测控领域存在的问题
工业测控系统投资和使用成本过高
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研究架构
•国家标准 •国际标准
标准制定
•射频分析 •环境模拟 •系统仿真
•可靠 •安全 •实时 •能耗
技术攻关 无线网络 通信协议栈
测试验证平台
产品开发
•仪表产品 •系统级产品
行业应用
•电力 •石化 •冶金 •纺织 •矿山 •建筑
中国工业无线联盟
2007年成立，成员组成：
技术提供商 OEM 系统集成商 测试认证组织 标准化组织 企业用户
应用
技术
标准
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核心使命 解决工业无线技术难题，为用户提供可行的解决方
案 支持并参与工业无线标准化工作 为工业无线系统的鲁棒性与可靠性提供认证 推动工业无线技术的产业化与市场开发
CAGR
25% - 35%
743.9 569.5 375.8 453.4
400 200 0
325.7
2005
2006
2007
2008
2009
2010
数据来源：ARC Advisory Group
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无线仪表在工业中的应用
报警 监控 ThemeGallery 开环控制 Content & Contents
—2001年全球工业用传感器的市场份额是110亿美 元，而安装和使用成本（主要是布线成本）超过1000 亿美元
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工业无线网络
无线技术在工业自动化中的应用范围和份额将极大 提高 将从点对点通信的模式向网络化模式发展 商用无线网络关注“吞吐量”，而工业无线网络关注 “高可靠”、“高安全”、“实时性”和“节能”。
现有工作之二
技术验证与示范应用
有杆泵抽油井无线监测系统 集装箱吊车无线监测及定位系统 焊接过程质量监控系统 连轧生产线设备状态监测系统 污水处理监控系统
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现有工作之三
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内容提要
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中科院沈阳自动化所简介 工业无线技术与标准 工业无线系列产品 工业无线应用案例
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工业无线产品完全解决方案
服务
技术咨询 技术服务 技术开发 仪表整机 网关 组态软件 OEM协议级 模块 开发套件 工具软件 OEM裸模块 传感器网络硬 件平台
关于中科院沈阳自动化所
始建于1958年，国立科研机构，直属于中国科学院 现有科研人员500多人，其中院士2人，科研实力雄厚，拥 有一个国家重点实验室，是国家高技术研究发展计划成果 产业化基地，机器人技术国家工程研究中心，中国科学院 知识创新工程先进制造基地 建所以来共完成各类科研项目1000多项，获得国家、中国 科学院和各部委及省、市科技成果奖200多项 全所每年科研经费2亿多元，现有固定资产10亿元，拥有8 家所投资控股或合资的高新产业公司