1、工厂自动化和过程自动化中无线短程网和无线局域网的应用前景分析,上海工业自动化仪表研究所 彭瑜P2006年5月,内 容 提 要,为什么无线通信在工业环境中的应用特别受到重视？ISA SP100自动化和控制环境下实现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已进入工控领域 ABB进行的现场设备层无线通信实验 BP进行的现场设备层无线通信实验 HART基金会正在积极开发无线HART协议结 束 语,为 什 么 现 在 无 线 通 信在 工 业 环 境 中 的 应 用特 别 受 到 重 视？,为什么无线通信在工业环境中的应用特别受到重视？,工业发达国家和新兴
2、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。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。,Invensys的无线工业应用策略,室内,室外,专用无线网络,数据传输率,功耗,成本/复杂度,欧洲无线工
3、控应用项目RUNES的开发路线图,欧洲无线工控应用项目RUNES的开发路线图,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。背景：及时而牢固地抓住无线网络为工业系统安装和运行的高度灵活性和成本优势创造的机会。目标：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%。,欧洲无线工控应用项目RUNES的开发路线图,发展无线应用必须考虑的原则：在工业控制和自动化中尽可能利用无线通信是必然的选择无线通信应与传统有线通信系统有互操作
4、性开发可重复配置（reconfigurable）的设备尽可能地从环境中取得电源（如用太阳能电池）尽可能采用开放的频段（如世界通用的ISM频段2.4GMHz）,工业环境下利用无线传输的优势,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。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。,无线通信网络的工业应用正在发展,无线的工业应用当前出现的
5、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（工厂自动化、过程自动化和SCADA系统）强烈相关，一般大致在150毫米至80公里。,当 前 影 响 无 线 系 统广 泛 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。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
6、、节点隐蔽和与安全有关的问题）。,ISA SP100自 动 化 和 控 制 环 境 下实 现 无 线 系 统 的 标 准,ISA SP100自动化和控制环境下实现无线系统的标准,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。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,制定SP100的标准化方法论,SP 100在制定标准前提出标准
7、化方法论： 环境评估射频、光照影响 应用评估传输时间、传输容量 可选项评估技术、产品、标准 无线网络节点部署的评估初始稳定性、部 署方便 性能评估针对用户要求 维护工具、成本、升级,符合SP 100标准保证各方受益,符合SP 100将保证： 供应商的规范的一致性，并易于解释 用户要求简明扼要、贴近，并易于解释 可选项清晰而易于鉴别 对于要克服的问题所提供的可选项是可以进行定量估算,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
8、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,SP100规定的五类应用（1）,SP100规定的五类应用（2）,直接的操作结果的数据和消息，譬如历史数据的采集，为预防性维护而必须进行的周期性采集的数据，事件顺序记录数据的上传（这类似于文件传递，不能因通信类型而发生数据丢失，属于监控的第5类应用，是指通过无线传输那些不会产生但又非像控制信号那样必须考虑时间性），其它的上装和下载。属于监控的第4类应用，是指通过无线传输那些只在短时间内产生操作结果的数据和消息，例如基于事件的维护而必须采集的
9、数据，为测试需要而发往现场的限界动作所产生的临时而短暂的结果，无线设备上的电压低限指示器所产生的告知更换电池的信号等等。,SP100规定的五类应用（3）,第3类开环控制是指在回路中还有人在作用，例如操作人员手动启动一个信号装置且注视着这个装置，远程指导开启一个安全门，操作人员执行手动调节泵/阀门等。第2类闭环监督控制，通常并非关键部位，如不频繁的串级控制，多变量控制，优化控制等。第1类闭环调节控制，一般均为关键回路，如现场执行器的直接控制，频繁的串级控制等。第0类恒为关键的紧急行动，包括安全联锁，紧急停车，自动消防控制等。,SP100规定的五类应用（4）,报警信号根据具体应用场合，分属以上由0
10、类至5类。例如： 0类报警是指那些具有自动响应的、致命有毒气体的泄漏检测器信号（如对污染的自动响应）， 1类报警是指具有自动响应的、对流程状态会带来高度影响的信号（如自动停止反应的停车信号）， 2类报警是指对流程状态自动响应的信号（如要对某种参与反应的流体做分流处理）， 3类报警是指对流程状态作手动启动的操作响应的信号（如由操作人员来判断决定是否分流至另一并行的反应器）， 4类报警是指有关设备状态的报警，以通知维护人员在短时间内到达现场， 5类报警指那些有关设备状态的报警，要求维护人员采取长期维护的动作。,SP100规定的五类应用（5）,英国石油公司CTO提出：实际对这些类别（不包括0类）的应
11、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,用于工业自动化的无线网络的最紧要的要求,现场设备级无线网络的要求(1/6),成本目标 = (有线) + 不致增加任何维护成本,现场设备级无线网络的要求(2/6),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,现场设备级无线网络的要求(3/6),像有线数字通信网络一样可提供和支持闭环控制,现场设备级无线网络的要求(4/6),保持信息安全的过程具有智能特性,现场设备级无线网络的要求(5/6),必须支持现场设备的无线就地接入,现场设备级无线网络的要求(6/
12、6),信息时间性的重要程度,无 线 通 信 网 络 的 分 类,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）,IEEE 802标准的无线空间,数据传输率 (Mbps),传输范围,ZigBee802.15.4,802.15.3802.15.3a802.15.3c,WPAN,WLAN,WMAN,WWAN,WiFi802.11,0.01,0.1,1,10,100,1000,Bluet
13、ooth802.15.1,IEEE 802.22,WiMaxIEEE 802.16,IEEE 802.20,正在发展的一些无线传输的技术,无线交换技术 简化无线网络的规划和部署 简化无线网络管理 快速交付使用网状网络技术 构成接入点和客户的协作网络 改善传输范围，通过数据包的再传输可减少对返输要求 通过多路径传输可提高传输的可靠性 显著改善网络管理和网络能力智能天线 多发射和/或接收天线（MIMO） 定向聚焦射频电磁波 为改善链接能力和可靠性进行高级信号处理,backhaul,正在发展的一些无线传输的标准,ZigBee/IEEE 802.15.4 特长的电池寿命 很适合工业自动化，家用电器，传
14、感器网络 超宽带（UWB，IEEE 802.15.3a 和802.15.4a） 美国FCC开放一无须申请的自由宽带频率范围3.1- 10.6GHz 无射频载波，低成本，低功耗，非直线传输 在低传输速率模式，可用于一个重要的工业市场：位置感知（在2厘米-20米范围内） WiMax（IEEE 802.16，Intel 提出） 适于住宅区/经营性建筑的长距离（ 1km）射频链接 较高数据传输率（在一个20MHz的信道约70Mbps） 也可用于大型工业部署 今年将有商品问世,用于工业控制领域的无线传输网络,近些年来，无线传输网络成为工控领域中正在迅速发展的技术热点之一，也是被不少工业自动化供应厂商看好
15、的一种新的增长点。发展重点主要集中在无线局域网和无线短程网。一如以往所有的IT技术移植到工控应用中来所采取的方法一样，基础是IT行业的各种无线传输标准。但充分考虑在这种专门应用中的特别要求，开发适应这些特别要求的技术、规范、标准和行规。,适应不同无线传输要求而发展的标准和技术,短程 长程,低 高,TEXT,INTERNET/AUDIO,COMPRESSEDVIDEO,MULTI-CHANNELDIGITAL VIDEO,Bluetooth1,Bluetooth 2,ZigBee,802.11b,802.11a/HL2 & 802.11g,802.15.3/WIMEDIA,文本 因特网/声音 压
16、缩图像 多通道数字图像,无 线 网 络 标 准 的 比 较,无线局域网WLAN标准,WLAN标准IEEE 802.11系列还在发展中，已完成的有:其中， 涉及安全的有：802.11i 安全扩展 涉及性能增强的有： 802.11e MAC层的QoS扩展， 802.11r快速漫游， 802.11n 极高吞吐能力方式，802.11s 网格状联网 涉及投用和管理的有： 802.11k 射频资源管理， 802.11t 无线性能预测，802.11v 无线网络管理,全球WLAN的市场容量及预测,设备单价,市场投放量,价格从300美元（2000）降至十几美元（2007），市场投放达5000万台。,工业WLAN
17、和WLAN要求不同,工业WLAN的市场容量相对较小，但性能要求高。工业WLAN的产品应可灵活地通过软件模块实现802.11的分标准。如Siemens的工业WLAN产品SCALANCE-W，就可提供工业QoS和快速漫游（IEEE 802.11r）的解决方案。IEEE 802.11在技术上并不能提供确定性的保证，但在802.11e 中给出了在MAC层支持多传输介质应用及保证通信质量QoS的扩展：解决了在MAC层的优先级服务，又通过轮询规约（polling protocol）实现多介质的通信调度。由于轮询在本质上具有确定性，因而可以避免由802.11的信道争用和指数补偿而造成的延迟。为了防止轮询可能
18、带来的不良问题（如在需要发送的数据尚未形成之前轮询信号已到，那么该数据的发送则不得不再等待一个轮询周期），需要通过自适应轮询算法保证现场设备同步。,工业无线局域网WLAN的要求,工业WLAN具有与企业办公和家庭应用环境不同的要求。这些要求可归纳为： 严格的延迟要求。 确定性性能的保证 支持大量的设备挂网，并支持挂网的设备数量可变化。 网络安全的保证。 网络投用的保证。,工业无线局域网WLAN的要求,严格的延迟要求： 用于现场设备要求延迟不大于10ms，用于运动控制不大于1ms，对于周期性的控制通信，使延迟时间的波动减至最小也是很重要的指标。确定性性能的保证： 保证确定性是对任务执行有严苛保证的
19、工业通信系统必备的特性。即使设备处于漫游状态也有此要求，否则会丧失实时性能。支持大量设备挂网，并容许挂网设备的数量可变化：工业WLAN的接入点约为数百个的数量级。若节点过多和接入的节点数有变化，有可能导致IEEE 802.11的MAC协议层效率太低。网络安全的保证：满足安全保密法规是工业WLAN的基本要求。包括对黑客接入点的检测和保护的前提条件。网络投用的保证：由于运行故障是不可接受的，因此对于有几百个设备节点的WLAN来讲要求网络具有自投用功能，并能执行无线规划和辅助节点位置调查。,短 程 无 线 网 络 的 标 准,IEEE 802.15 WPAN工作组负责制定无线个人网WPAN的通信标准
20、。IEEE 802.15下面有4个分标准： 802.15.1为BlueTeeth（蓝牙）， 802.15.2为共存性 802.15.3为高数据传输率的WPAN， 802.15.4为低数据传输率的WPAN。802.15.1、802.15.2和802.15.4均正式公布。 802.15.3工作组因两个草案投票军未超过75%，已宣布解散。,ZigBee与蓝牙的一些比较,在现场层无线网络中，同样属于无线短程网的IEC 802.15.4/ZigBee要比IEC 802.15.1/蓝牙更具广泛的应用前景。这主要是基于以下三个原因：ZigBee的应用开发门槛远低于蓝牙，其最复杂的网络协调器节点的软件开发工作
21、量仅为蓝牙节点开发的10%，其最简单的RFD节点的软件开发工作量仅为蓝牙的2%； ZigBee的功耗远低于蓝牙，这是因为就发射的频宽比来讲，ZigBee为0.01，蓝牙为0.99，即ZigBee的发射时间只占其周期的1%，而蓝牙却占99%； ZigBee的网络节点容量远多于蓝牙。,IEEE 802.15.4/ZigBee的市场特性,低功耗； 低成本； 较低的报文吞吐率； 支持大型网络接点的数量级（不多于65K个接点）； 对通信服务质量QoS要求不高（甚至无QoS）； 提供可选择的安全等级（采用AES-128）， 加密 发送鉴别 报文的完整性 为适合于多方面的应用而进行的灵活协议设计。,IEEE
22、 802.15.4/ZigBee的一般技术性能,数据传输率250Kb/s(2.4GHz)和20/40Kb/s(868/915MHz)； 在2.4GHz工业、科学、医学频带（ISM频带）为16个信道，在915MHz ISM频道为10个信道，在欧洲用868MHz 频道为1个信道； 采用信道共享多点接入技术CSMA-CA（载波监听多信道接入/避免冲突）协议； 为保证传输的可靠性，采用完整的握手协议； 为实现低功耗，配备极低的（小于1/1000）频宽比（duty-cycle）能力，可提供无信标（beaconless）操作； 支持等待时间低的设备（在使用星型网络时可使用有保证的时隙）； 支持点对点、星型
23、、簇状树型和网状的网络拓扑。,ZigBee 与 IEEE 802.15.4的关系,ZigBee 采取了 IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用软件 ZigBee继续与IEEE紧密结合，以保证向市场提供一种完整的集成解决方案,ZigBee协 议 栈的 特 性,8-bit微处理器 (例如 80c51)协议栈简捷紧凑甚而支持更简单的仅为从站的协议栈,ZigBee的频带和数据传输率,频带 使用范围 数据传输率 信道数2.4 GHz ISM 全世界 250 kbps 16868 MHz欧洲 20 kbps 1915 MHz ISM 北美 4
24、0 kbps 10,ZigBee 技术可靠性怎么保证?,可靠性来自以下措施的组合物理层RF 通信链接直序阔频采用高处理增益明晰的信道检测对干扰能量进行检测采用跳频技术Frequency agility协议基于CRC的误码检测/校正采取了避免冲突的策略CSMA/CA为固定带宽的通信业务预留了专用的有保证的时隙发送的数据包都有待于接受方的确认，如出现问题进行重发保持数据包的及时传输Packet data freshness经过强有力认证的标准化开放协议及可互操作性,物 理 层 特 性,802.15.4 在低信噪比的环境下误码率很低,Bluetooth,信噪比dB,位误码率,蓝牙要达到10-9误码率
25、，信噪比要为16,在低信噪比的环境下ZigBee的性能超群,蓝牙,FSK,WiFi B,信噪比,位误码率,IEEE 802.15.4/ZigBee的物理层协议设计保证了它的高抗干扰能力,在物理层采用高处理增益的 直序/频率快变DS/FA （DirectSequence/Frequency Agility）IEEE 802的直序扩频的处理增益比较处理增益越大，抗干扰和抗多径时延扩展的能力越强。频率快变就是改变频率，以避开从一个已知干扰源或信号源来的影响的能力。 实验证明IEEE 802.15.4/ZigBee的误码率，特别是在信噪比为4dB的情况下可达到10-9；达到同样误码率，蓝牙/802.1
26、5.1信噪比要达16dB，802.11b要达10dB 。,IEEE 802.15.4 MAC 概述,应用64-bit IEEE & 16-bit 短地址网络理论上最大 可达264 nodes (超过实际需要的数量)采用简约地址开销的就地寻址，可对多达 65,000 （216 ） 节点的简单网络进行组态 规定了三种设备Network Coordinator网络协调器Full Function Device (FFD)全功能设备Reduced Function Device (RFD)简约功能设备帧结构较简单数据传送可靠Association/disassociation关联/去关联AES-128
27、 安全密钥CSMA-CA 信道存取可选带信标（ beacons）的超帧结构有保证的时间间隙GTS （Gaurantted Time Slot ）机制可选,网络 (客户) 节点最多为65,536对于要求快速响应的应用场合予以优化网络参与时间: 30 ms (典型值)由休眠从站转化为工作状态: 15 ms (典型值)处于工作状态的从站的存取时间: 15 ms (典型值),ZigBee基 本 网 络 特 点,ZigBee可构成网状（Mesh）网络,ZigBee 终端设备 (RFD 或 FFD),ZigBee 路由器 (FFD),ZigBee 协调器(FFD),网状链接,星形炼接,ZigBee的Mes
28、h组网方式,Mesh是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构。其路由可自动建立和维护。通过以上ZigBee Mesh结构图可以得知，一个ZigBee网络只有一个网络协调器，但可以有若干个路由器。协调器负责整个网络的建网，同时它也可作为与其它类型网络的通讯节点（网关）。构成协调器和路由器的器件必须是全功能器件（FFD），而构成终端设备的器件可以是全功能器件，也可是简约功能器件（RFD）。,Mesh自组网络的路由算法,针对移动通信的要求，近些年来已提出的自组织网路由算法主要分为两大类： 基于表驱动的路由算法(table driven) 源始发的按需路由算法(source-initiated
29、on-demand driven),表 驱 动 路 由 算 法,表驱动路由继承了传统的IP 路由,但在消除路由环路和已过时路由等方面做了适应于自组织网特性的改进。在这种路由协议中，无论路由是否被用到,每个节点都要维持路由表，并进行周期性的路由信息交换。这样会增大移动终端的储存和计算负担,且大量浪费了网络带宽。网络拓扑变化较快时,这些大量交换的控制信息将在很大程度上影响数据信息的传送。,源始发的按需路由算法,源始发的按需路由算法因其更适合自组织网特性而成为现今研究重点。按需路由一般分为路由建立和路由维护两个过程。它仅在节点有信息要发送时,广播路由建立分组,寻找最佳路由,而不需维护所有路由信息,也
30、不用定期交换路由信息。这样就有效地节省带宽和内存。如何在按需路由算法中进一步地降低开销是提高其性能的关键。自组网的网络需要一个优良的网络拓扑算法。ZigBee使用了简化的AODV（Ad hoc On Demand Distance Vector Routing）的网络路由结构。,ZigBee使用简化的AODV网络路由结构,AODV路由协议是一种基于距离矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要节点维持通信过程中未达目的节点的路由。节点仅记住下一跳，而非像源节点路由那样记住整个路由。它能在网络中的各移动节点之间动态地、自启动地建立逐跳路由。当链路断开时，AODV会通知受影响的节点，从而使这些
31、节点能被确认为无效路由。AODV允许移动节点响应链路的破损情况，并以一种及时的方式更新网络拓扑。AODV操作是无环回的，并避免了当Ad hoc网络拓扑变化时快速收敛的无限计算问题(特别是当一个节点进入网络时)。ZigBee采用按需路由算法AODV，在节能和网络性能上都有着很大的优势。,ZigBee的Mesh拓朴需要解决的问题,目前自组网网络的发展，对于Mesh结构的节电模式还没有统一的方式。需要结合实际情况加以解决。由于采用多跳的路由方式，所以对于整个网络的统一调度还要做很多工作。需要结合实际情况在应用层上开发整个网络的统一路由优化调度算法。同样，对于大量的节点，怎样合理调度使得最后产生的路由
32、路径合理有效，也是需要根据实际情况研究的方向。其他包括全网跳频技术、抗干扰技术等都是需要探讨的。,802.15.4和802.11b的共存性问题,利用802.15.4的信道#15、#20、#25和#26可避免受802 .11b的信道#1、#6和#11的干扰。后者的发射功率为前者的30倍。,无线信息骨干网的一种构型,由于ZigBee是短程网，不可能覆盖整个厂区，加之原有的现场总线也很有效，所以设计了一种无线信息骨干网系统。,Wireless Information Backbones,Profibus,ZigBee传感器,DeviceNet,Ethernet,WIB节点,ZigBee 簇状树形,Z
33、igBee 簇状树形,典型工厂的ZigBee无线传感器覆盖范围,典型工厂的无线信息骨干网覆盖范围,通过无线信息骨干网实现信息共享,通过建立发射功率较大的无线信息骨干网（WIB，Wireless Information Backbones），可将ZigBee传感器的信息传输给各种挂在以太网、现场总线上的物理设备。WIB的节点一方面是无线网络上的一个节点，另一方面又起着无线通信协议和其它通信协议的转换作用。实践证明1W的发射功率可以穿透多数的工厂和成套设备。但目前我国的无线法规只限定在30 mW内。应该说，ZigBee因其低功耗、低成本、传输可靠性高、简便实用，发展潜力很大。其发射功率小、易受钢结
34、构所衰减、传输距离短等固有问题，完全可以经由WIB予以解决。,现 场 设 备 层 无 线 通 信正 在 进 入 工 控 领 域,现场设备层无线通信正进入工控领域,2004年Honeywell推出基于ZigBee无线传输协议的无线变送器XYR 5000系列，可精确检测表压力、绝对压力、温度，还有4-20mA接口，供其它传感器转为无线输出。OMRON推出的无线链接DeviceNet现场总线主站：WD30-ME和从站：WD30-SE，最多可支持DI/DO各1600点的通信。已成功应用于丰田汽车装配线的控制系统中。,现场设备层无线通信迅速进入工控领域，其中一个突破口是现场总线和无线通信技术的结合。以下
35、是若干有象征意义的动作和产品:,现场设备层无线通信正进入工控领域,德国schild knecht公司推出的无线Profibus-DP产品DE 3000系列，可在主站与多个从站之间建立无线链接。其使用的载频为2.4GHz，数据包 187.5KB，无线通信协议分别是： IEEE 802.11b(数据传输率11Mbit) IEEE 802.11(数据传输率1Mbit) IEEE 802.15.1(数据传输率700Kbit)HART通信基金会HCF投资开发新的技术能力和工具，无线HART已成为开发重点，成立的无线工作组正在制定新的技术规范，要求HART无线通信技术保证支持产品的互操作性，提升HART智
36、能仪表的智能和可连接性，预计在2006年上半年完成规范草案，并与工业无线组织如SP 100无线委员会协调、合作，以确保工作的连续性和均衡性。,WLANWPAN,ABB进行的现场设备层无线通信实验,ABB在瑞典的Boliden加工厂利用Ember的无线技术进行了无线通信的评估试验。 开环系统应用,ABB进行的现场设备层无线通信实验,要求是：通过无线通信传输非过程关键数据，短数据包，低平均数据率，低功耗具体应用范围有：设备管理、状态检测、预防性维护和服务应用结果证明： ZigBee完全满足要求,ABB进行的现场设备层无线通信实验,闭环系统应用,ABB进行的现场设备层无线通信实验,要求是：通过无线通
37、信传输过程关键数据，短数据包，低平均数据率，低功耗，迟延短，数据包传送有保证应用范围：制造自动化，过程控制试验证明：对于实时数据，当节点较少时，通过网状拓扑进行5次接力（hop），运行结果很好，在延迟、稳定性和功耗等方面均符合要求。节点密度对数据包的传输存在较大影响。节点在50个以内，数据包时间间隔在30秒以上丢包率1%以下。这表明如何让节点密度、数据包间隔时间满足应用的要求，对ZigBee无线传输成功应用于现场层设备是一个巨大挑战。需要进一步研究开发的问题有：在多跳网络中保证合理的迟延，稳健的控制算法（如为减少功耗，让节点保持同步休眠的网络同步算法）。,丢包率（%）,节点数,包间隔 50秒,
38、包间隔 15秒,ZigBee无线传输的挑战：节点密度，数据包间隔时间,包间隔 30秒,英国石油公司BP的无线应用实验,液化天然气容器跟踪L,油船引擎振动监控,润滑油供应链,液化天然气罐远程监控,化工产品铁路槽车的远程信息处理,劳动保护服装检查,油罐车驾驶员安全措施,油气管线的腐蚀检测,油气官线侵入者检测,无线网格网络 (Motes),Motes概念给BP带来巨大利益，但 .Motes 主要用于研究活动、清洁区域.在严酷工业环境中（天气、振动、温度、金属结构和设备等）它能用吗？要Motes 在严酷工业环境中完全可以使用，还待实验证明但 大部分BP的工业场所要求本质安全等级的设备，目前尚找不到本质
39、安全的Motes 在油船的轮机间还要求抗振动、高温等许多环境挑战，尽管不要求本质安全 接下去要在炼油厂进行有关本质安无线技术的实验,采用Mesh拓扑的无线传感器网络解决测量问题已成共识,Early Motes,BP在Schiehallion对mote技术进行试验,12万吨运油船Loch Rannoch号上的 Motes试验,在严酷工业环境下用motes进行轮机状态监控，减少了停机时间和非计划维护,在BP的 Loch Rannoch号油船上做实验从Schiehallion油田装载 120,000 吨原油运到Shetland的 Sullom Voe, 进行了6个月的实验，主要检测旋转设备的振动情况
40、,现在用手动方法进行状态检测，慢且不能做到定时检测 用有线传感器作状态检测在成本上是不实际的为此不得不定期将轮机拆开检查,技 术 解 决 方 案,2004年运行了6个月26个 motes, 115 传感器, 4个网关 节点的部署需要克服高射频背景、电压变化以及由振动产生的高机械应力，并考虑轮机舱的舱口和隔间对无线网络的影响还试验利用振动产生的机械能转换成电能，向mote供电取得很好的经验,检查motes的安装位置,炼油过程的无线测量平台,严酷的工业环境下（class 1 div 2）工作的 mote,电池寿命长,在相当大的范围进行工业测量，可靠性达99.99% 仪表安装成本节约一个数量级无线通
41、信可以支持各类的数字式和模拟式传感器,炼油厂内实验效果令人满意,按运行要求进行周期性的测量实验,BP无线通信的工业实验的几点经验,对SP100 4类 和 5类应用有强烈需求通过实验证明在实际中完全可以应用： 状态检测 振动和温度/压力 性能检测 热交换、环境状态、机械运行状态 3类应用（开环控制）也有需求希望 2类和慢速1类随着用户不断取得经验，在对传输延迟、信息安全和稳健性（robustness）等有更好了解之后，而逐渐有所应用 ，以利于更多地引导对此类应用的要求。,HART基金会正在积极开发无线HART协议,HART基金会正在积极开发无线HART协议,ARC的统计数据表明，在全世界已安装的
42、现场仪表达4,0004,500万台，其中采用420mA信号的达48%，采用HART的达26%，采用气动信号的为13%，采用现场总线的仅1%左右。HART通信基金会HCF投资开发新的技术能力和工具，无线HART已成为开发重点，成立的无线工作组正在制定新的技术规范。,无线HART协议应该具有目前有线HART协议能够解决的所有应用，也就是说可以满足在SP 100规定的第0类到第5类的全部应用的要求。,无线HART通信的要求（1）,一般要求 HART无线标准支持公用无线现场设备的基础结构，与正在开发的工业标准（如SP 100）在互操作性、易于安装和维护等方面密切合作。 为保证可靠性和规模可增可减，协议
43、必须适用与点对点和网格（mesh）拓扑结构，其中点对点为最小网络。 重点是工厂内现场设备网络级的通信，作为有线连接的一种替代。 对于单个现场设备，网络至少必须支持两种应用存取信息，例如DCS和手持式存取设备。 规模可增可减性能：一个无线接入点（WAP）可根据网络拓扑和应用场合接入从一台到多台设备。 一台回路供电的4-20mA/HART现场设备也可有第二个数字通信通道无线HART通道，而不致于使4-20mA/HART回路性能变坏。 远程设备组态不用物理连线可对设备进行组态的能力。 无线现场设备及网络部件必须具有在危险区正常运行的性能。 当前生产和使用的HART设备也可具有无线HART通道，作为冗
44、余通信信道。 允许设备间通过无线网络交换信息、扩展HART 6（存取设备参数变量）的能力。,无线HART通信的要求（2）,成本和使用简便 网络安装和维护成本要比有线网络少一个数量级（至少1/2，目标是不1/10），例如安装难度不超过无线家庭网络、不要求对安装现场进行预评估。 设备安装成本小于或等于有线设备。信息安全 网络对于“非授权接入”的信息安全能力（如加密、周期性对授权密钥自动赋值要优于有线系统，不会对用户带来任何影响）,无线HART通信的要求（3）,性能和可靠性 电源管理电池寿命至少3年。最佳目标为与设备的寿命相同（15年以上），这与应用的具体要求和环境条件有 在要求高可靠的通信时，HA
45、RT无线网络支持冗余无线路径和冗余网关/网络协调器 为现场仪表组态、调试投运，由移动设备（手持式操作器、PDA、便携式电脑）与现场设备的无线链接，其最佳响应时间性能与现有的手持式操作器相同，目标小于10秒。 无线请求/响应延迟的最佳性能与有线相似，最大的可接受性能与网络拓扑和应用有关。 在对无线网络安装评估、测试和监控性能是网络管理工具（如物理信道的信号质量测量、接受信号强度指示器、位出错率或包出错率监控和链接质量指示器）,无线HART通信的要求（4）,共存性和可互操作性在同一逻辑HART网络中，有线HART仪表和无线HART仪表其共存和可互操作性能不致变差。在同一个无线网络中，无线HART设
46、备与无线非HART设备的共存性，表现为在运行限制内，以及对信息安全、性能、可靠性、功耗和带宽影响最小等方面。无线HART仪表必须在全世界都能用，都具有互操作性，也就是说目标是全球使用单一频带，最坏情况汇报是使用3个频带（即欧洲、北美和其他所有地方）。在同一个无线空间中，无线HART设备与无线非HART设备的共存性，表现为对信息安全、性能、可靠性、功耗和带宽影响最小。与RFID标记（供识别和定位）的共存性表现为对信息安全、性能、可靠性、功耗和带宽影响最小。在同一个无线空间不同无线HART网络群的共存性，例如有两中不同的应用要求，一是高采样率网络，另外一个为低采样率。与其他无线网络的共存性，最佳是在保证最好性能的前提下可自动忽略其它信道，最差则可用手动选择信道。,无 线 HART 的 通 信 模 型,OSI模型物理层(PHY)IEEE 802.15.4/2.4GHz(目前) 915MHz(未来)数据链路层/MAC以TDMA为基础、兼带CSMA增强混合协议 数据包跳频网络层以全网格拓扑结构为基线若要精简功能性，用户可组态若要求特殊拓扑，用户可组态传输层分隔在应用层与网络层之间会话层包括在应用层内表示层包括在应用层内应用层用户定义/与电子设备描述语言eDDL信息安全基于现有标准电源路由选择要考虑电源状态问题,
