无线工业控制网络的发展与应用

工业无线控制网络的发展与应用
Wireless industrial control network development and
Application
摘要：简要介绍了目前国际上已经应用的几种主要的控制网络：工业以太网以及无线网络（Zigbee、无线HART、SPl00）。

最后对控制网络的发展趋势进行了展望。

关键词：工业控制网络；工业以太网； Zigbee；无线HART； SPl00；发展趋势。

Abstract: This paper briefly introduced the current international has been applied several major control network: Industrial Ethernet and wireless network (Zigbee, wireless HART, SPl00 ). Finally, the development trend of control network is discussed.
Key words: industrial control network、 industrial Ethernet、 Zigbee、 wireless HART、SPl00、 development trend。

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一、工业以太网
以太网最早出现在上世纪70年代，是一种总线式局域网，采用CSMA / CD （Carrier Sense Multiple Access / Collision Detect，载波监听多路访问/冲突检测）协议，1985年，IEEE802委员会吸收以太网标准为IEEE 802.3标准，以太网是现有局域网采用的最通用的通信协议标准，包括在局域网中采用的电缆类型和信号处理方法。

以太网在互联设备之间以100~1000 Mbps 甚至更高的速率传输信息包。

1、工业以太网的主要技术特性
l) 系统响应的实时性。

工业以太网是与工业现场测量控制设备相连接的一类特殊通信网络，控制网络中数据传输的及时性与系统响应的实时性是控制系统最基本的要求。

2 ) 网络传输的确定性。

即要保证以太网设备间的传输不能发生冲突或数据的碰撞，让不同设备对网络资源的使用合理有序化。

3) 总线供电技术。

电气电子工程师协会于2003年6月批准了以太网供电PoE 标准-IEEE 802.3af。

4) 要求极高的可靠性。

工业控制网络必须连续运行，它的任何中断和故障都可能造成停产，甚至引起设备和人身事故，因此必须具有极高的可靠性，具体表现在以下三个方面：可使用性要好，容错能力强，可维护性高。

2、工业以太网技术的发展趋势与前景
未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。

工业以太网技术的发展趋势将体现在以下几个方面：
（1）工业以太网与现场总线相结合的形式
1）物理介质采用标准以太网连线，如双绞线、光纤等；
2）使用标准以太网连接设备（如交换机等），在工业现场使用工业以太网交换机；
3）采用IEEE 802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议栈；
4）应用层（甚至是用户层）采用现场总线的应用层、用户层协议；
5）兼容现有成熟的传统控制系统，如DCS、PLC等；
（2）工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信趋势
1）实时通信技术
其中采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术，以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通信实时性措施，解决了以太网通信的实时性。

2）总线供电技术
采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设计了能实现网络供电或总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。

3）远距离传输技术
采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继以及光纤等技术解决以太网的远距离传输问题。

4）网络安全技术
采用控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离和安全过滤的现场控制器与系统主干相连，实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。

5）可靠性技术
采用分散结构化设计、EMC 设计、冗余、自诊断等可靠性设计技术等，提高基于以太网技术的现场设备可靠性。

二、工业无线网络
1、ZigBee标准
ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率、低成本的双向无线通信技术，由IEEE802．15．4和ZigBee联盟共同制定。

ZigBee协议主要由物理层、数据链路层、网络／安全层、应用框架及高层应用规范构成。

其中物理层与数据链路层由IEEE定义，网络层与应用层由ZigBee联盟定义。

ZigBee 技术的主要特点如下：
(1)低功耗：采用ZigBee技术的设备功耗非常低，仅几个MW，普通五号电池可使用6个月以上；
(2)短距离：节点设备间的距离一般在10～75m，用于短距离通信；
(3)低数据传输率：数据传输率只有10—250kb／s，用于低速率通信；
(4)低成本：ZigBee数据传输速率低，协议简单，大大降低了成本；
(5)低延时：设备节点的时延很短，信道接人时延为15ms，休眠激活的时延为30ms；
(6)网络容量大：ZigBee网络可以容纳65 536个节点；
(7)高可靠性和安全性：可根据不同的应用场合实施不同的安全加密算法。

ZigBee技术广泛应用于各种短距低速的场合，如医疗护理、汽车自动化、农业自动化和遥测遥控等。

2、无线HART标准
WirelessHART是基于IEEE 802．15．4，可在全球应用的2．4GHz频带，具有信道跳频、Mesh网络拓扑鲁棒性和信息安全的低功耗无线通信规范。

它旨在为过程测量和控制提供有足够确定性、并具有可互操作性的无线通信标准。

将无线通信纳入HART规范，将在HART原有一切功能的基础上进一步提升具有HART 功能的现场仪表和主系统的技术能力。

这就是说，有线HART和无线HART除了通信介质不同而产生的必要规范以外，它们运用同样的HART命令结构、同样的软件丁具。

现有的HART应用(包括控制系统、PLC工具、资产设备管理应用等)，无需进行任何软件升级，都可以利用无线HART协议。

3、 SPl00标准
(1)各层次之间的相互独立性：ISAl00．1la允许不同的层次进行独立修改。

(2)设备的可交换性：来自于不同厂商的具有相同结构、功能并符合ISAl00．1la标准的设备之间是可交换的。

(3)世界范围的适应性：ISAl00．11a标准旨在支持所有世界主要领域的已建立标准。

ISAl00．1 l a设备必须能够支持具体领域的规定，不能执行那些会阻止它在该领域操作的特性。

ISAl00．1la标准提供了一些可选项使设备用于未指定领域。

4、工业无线网络的发展趋势
无线通信网络技术在工业现场中的应用并不是简单的化有线为无线，它延伸了原有的工业网络的控制范围，并提供了极高的灵活性，成为有线网络、现场总线的一个有效补充。

在未来的若干年内，工业无线网络将会得到快速的发展，市
场预测，大约到2010年，大多数仪表及自动化产品都将嵌入无线传输功能。

但是无线通讯并不会代替有线通讯，无线只会在有线不能实现或成本比较高的地方代替有线。

两种通讯技术结合起来，有线的稳定性、可靠性和无线的灵活性、经济性互相补充，将会有效地促进我国工业技术的发展。

三、控制网络的发展趋势
工业控制网络的发展历经了从传统控制网络到现场总线，再到目前广泛研究的工业以太网以及无线网络的过程。

以太网的广泛使用为工业控制的发展提供了良好的基础结构，但如何保证工业通信的实时性是研究的关键。

本文综述了目前广泛研究的工业控制网络技术的几项关键技术。

最后就工业控制网络未来发展的一些技术难题及相关解决方法进行总结，主要包括：
(1)提高通信的实时性
提高操作系统和交换技术以支持实时通信。

操作系统基于优先级策略对非实时和实时传输提供多队列排队方式。

交换技术支持高优先级的数据包接人到高优先级的端口，以便高优先级的数据包能够快速进人到传输队列。

此外，可改善拓扑结构以提高实时性。

其他研究方向还包括怎样提高在MAC层上的数据传输的调度方法等。

(2)提高通信的安全性
安全性意味着能预防危险，如系统故障、电磁干扰、高温辐射以及恶意攻击等因素所带来的威胁。

IEC 61508针对安全通信提出了黑通道机制并制定了安全完整性等级SIL,提高工业通信的安全性，以满足SIL高级别的要求，是工业控制网络安全性发展的趋势。

(3)提高通信可靠性
工业控制网络基于不同的网络交换技术，需进行不同类型网络站点之间的通信，因此通信的可靠性显得尤为重要。

(4)多总线集成
多总线并存且相互竞争的局面由来已久，在未来相当长的时间内这种局面还将继续。

多总线集成协同完成工业控制任务，是未来发展的趋势。

(5)实时异构网络
无线通信进人工业控制领域的趋势无可置疑。

通过有线网络与无线网络融合、广域网与局域网集成来构建实时异构网络，是未来发展的趋势。

四、总结
工业控制网络既是一个开放的通信网络，又是一个全分布控制系统，它作为智能设备的联系纽带，挂接在总线上，作为网络节点的智能设备连接成网络系统，并通过组态进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化以及测、控、管一体化的综合自动化功能。

工业控制网络是一个以智能传感器、自动控制、计算机、通信、网络等技术为主要内容的多学科交叉的新兴技术，在过程自动化、制造自动化、楼宇自动化、交通、电力等领域都有广泛的应用前景，被誉为21世纪最有希望的自动化技术。

参考资料
[1] 王琳.以太网技术在工程上的应用.
[2] 张丽娜.工业以太网的应用与发展.
[3] 聂新年.工业以太网现场控制技术的发展.
[4] 罗安明，韩新民.现场总线技术的发展及趋势.
[5] 高汉荣，冯冬芹.工业无线网络的现状及发展趋势.
[6] 夏继强，邢春香，耿春明,等.工业现场总线技术的新进展.
[7] 胡毅，于东，刘明烈.工业控制网络的研究现状及发展趋势.
[8] 顾阳，尚群立，余善恩，等.工业以太网的技术特性及关键技术研究.
[9] 豆丁网.
[10] 百度文库.
[11] cnki学术期刊.。