浅谈ZigBee和IPv6在工业控制中的应用

2016-04-07张冠杰辛星召

水电站机电技术 2016年8期

张冠杰，辛星召，张　玺

张冠杰1，辛星召1，张玺2

（1.黄河水资源投资有限公司，河南郑州 450003；2.河南天擎机电技术有限公司，河南郑州 450000）

通过对基于ZigBee与IPv6的物联网工业控制系统的介绍，提出了一种解决工业控制系统部署时需要繁杂的通讯线路与众多的设备接入设备问题的办法。并在系统建设上提出了由多个独立的智能控制单元和云端智能控制单元组成的智能控制系统的新的自动控制理念。希望该技术在众多无线通讯技术日益成熟的今天，能有效地应用于工业控制领域；改变工业控制领域的技术格局，这也将是自动控制系统和智能控制系统的一种发展趋势。

传感器；ZigBee；网络通信；自动化；物联网；控制系统

1　引言

在大型工业企业中存在生产地域分散、业务分工细致复杂、设备数量多等特点。企业需要对各种设备的状态进行实时监控，以便出现问题时能够及时报警与处理。现有的工业控制系统中一般采用工业以太网和现场总线这两种来建立通讯方式，这两种通讯方式都有布线麻烦、接线复杂、维护困难、成本高等缺点。随着网络通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展，具有感知计算能力和通信能力的智能传感器开始出现。这些智能传感器构成的传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够实时监测、感知和采集网络分布区域的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送给后台用户数据库。ZigBee是一种新型的无线通讯技术，具有低功率、低成本、近距离的通讯特点，是实现无线智能传感器理想的网络通讯协议。本文根据工业控制系统现状，对使用基于IPV6网络应用的ZigBee数据通讯系统在工业控制系统领域的应用进行了探讨。

2　ZigBee技术及特性

ZigBee由IEEE802.15工作组中提出，并由其TG4工作组制定规范。ZigBee的底层技术基于IEEE802.15.4，即其物理层和媒体访问控制层直接使用了IEEE802.15.4的定义。

简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。

ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。

ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事？举一个简单的例子就可以说明这个问题。当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。这就是自组织网。

网状网通信实际上就是多通道通信，在实际工业现场，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样，可能因为车祸，道路维修等，使得某条道路的交通出现暂时中断，此时由于我们有多个通道，车辆（相当于我们的控制数据）仍然可以通过其他道路到达目的地。而这一点对工业现场控制而言则非常重要。

自组织网要采用动态路由的方式。所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。在我们的网络管理软件中，路径的选择使用的是“梯度法”，即先选择路径最近的一条通道进行传输，如传不通，再使用另外一条稍远一点的通路进行传输，以此类推，直到数据送达目的地为止。在实际工业现场，预先确定的传输路径随时都可能发生变化，或者因各种原因路径被中断了，或者过于繁忙不能进行及时传送。动态路由结合网状拓扑结构，就可以很好解决这个问题，从而保证数据的可靠传输。

3　工业控制系统现状

当前工业控制系统主要应用的系统为分散控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）。

3.1分散控制系统（DCS）

当前工业控制计算机的应用范围仍以大系统、分散对象、连续生产过程（如冶金、石化、电力）为主，采用分布式系统结构的分散控制系统仍在发展。由于开放结构和集成技术的发展，进一步扩展了大型分散控制系统的应用。

（1）应用现状

DCS自1975年问世以来，大约有3次比较大的变革，70年代操作站的硬件、操作系统、监视软件都是专用的，由各DCS厂家自己开发并没有动态流程图，通信网络基本上是轮询方式；80年代通信网络较多使用令牌方式；90年代操作站出现了通用系统，90年代末通信网络有的部分遵循TCP/IP协议，有的开始采用以太网。20多年来，DCS已广泛应用于各工业领域并趋于成熟，成为工业控制系统的主流。

虽以现场总线为基础的FCS发展很快，最终将取代传统DCS，但其发展仍面临一些问题，如统一标准、仪表智能化等。而传统控制系统的维护和改造还需DCS，因此FCS完全取代传统DCS尚有较长过程。现DCS的新产品的特点为：系统开放、管控一体化及带有先进控制软件，DCS生产厂家也从事FCS的研发、生产和推广应用。

（2）DCS存在的问题

1）对1结构。1台仪表，1对传输线，单向传输1个信号。这种结构造成接线庞杂、工程周期长、安装费用高、维护困难。

2）可靠性差。模拟信号传输不仅精确度低，且易受干扰。为此采用各种措施提高抗干扰性和传输精确度，其结果是增加了成本。

3）失控状态。操作员在控制室既不了解现场模拟仪表的工作状况，也不能对其进行参数调整，更不能预测事故，导致操作员对其处于失控状态。因操作员不能及时发现现场仪表故障，而发生事故已屡见不鲜。

4）互操作性差。尽管模拟仪表已统一4～20mA信号标准，可大部分技术参数仍由制造商自定，致使不同品牌仪表无法互换。因此导致用户依赖制造厂，无法使用性能价格比最优的配套仪表，甚至出现个别制造商垄断市场的局面。

3.2现场总线控制系统(FCS)

现场总线控制系统是继DCS之后的又一种新型工业控制系统，它的出现带来了工业控制领域的一场深刻革命。现场总线代表一种突破意义的控制思想，改变了原有控制体系结构，使模拟与数字混合的DCS更新换代为全数字现场总线控制系统，真正做到危险分散、控制分散、集中监控和全数字化。

（1）应用现状

现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开发出40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、Modbus、ARCent、P-Net、FIP、ISP等，其中最有影响力的有5种，分别为FF、Profibus、HART、CAN、LonWorks。

FCS全数字化通信使过程控制具有更高可靠性，从传感器、变送器到调节器，均为数字信号，这就使得复杂、精确的信号处理得以实现。因采用数字总线式通信线路代替DCS1对1的I/O连线，对于大规模I/O系统，减少了由连线带来的不可靠，同时也降低了布线成本。此外FCS还具有互操作性、分散性、EIC(电气传动、仪表、计算机)一体化等优点。在由现场总线构成的FCS中，仪表实际上已成为具有综合功能的智能仪表。EIC一体化结构恰恰是钢铁工业自动化用得较多而又急需的控制系统结构。

（2）现场总线存在的不足

现场总线是一种正在发展中的技术，在许多方面还需改善。IEC61158规定了 FF、Profibus、WorldFIP等8种现场总线标准，还有一些事实上的标准，如LonWorks和CAN总线等。现有8种现场总线为国际标准，它们采用的通信协议完全不同，因此要实现这些总线的兼容和互操作十分困难。许多标准的并存，将导致现场总线技术不易广泛应用。

现场总线还存在着瓶颈问题，表现在：

1）总线切断后，系统有可能产生不可预知的后果；

2）在本安防爆应用中，现有防爆规定限制总线长度和总线上所挂设备数量，同时也限制了现场总线节省线缆优点的发挥；

3）系统组态参数过于复杂，不易掌握，而其设定的好坏对系统性能影响很大。

4　基于ZigBee与IPv6　的物联网工业控制系统浅谈

从上述的DCS和FCS应用现状中可以看出，DCS和FCS系统尽管在我国大规模使用，但还存在着各种问题，同时DCS和FCS系统部署的工作量与耗费的资源巨大。

本文通过对ZigBee通讯技术与IPv6网络技术的研究，设计了一种基于ZigBee与IPv6的物联网工业控制系统，主要解决工业控制系统部署时需要繁杂的通讯线路与众多的设备接入设备的问题。下面本文对基于ZigBee与IPv6的物联网工业控制系统的系统结构、通讯方式等方面进行介绍以供大家探讨。

4.1系统结构

根据工业控制系统的应用现状，本文将基于ZigBee与IPv6的物联网工业控制系统分为下列模块组成：

（1）检测仪表：负责工业现场各种参数的测试，并具有数据接口可将数据上传。

（2）电动执行机构：负责执行控制系统的控制命令，并具有数据接口可接收控制指令。

（3）ZigBee智能终端：每一台智能终端具有唯一的IPv6地址，用于改造仪表和执行机构，可将仪表的数据上传至控制中心，也可将控制中心的控制指令发送至执行机构，也可将仪表数据共享至其他的ZigBee智能终端，可接收控制中心下发的控制规则，根据ZigBee网络内共享的仪表数据对执行机构进行实时控制。

（4）智能网关：用于ZigBee智能终端与控制中心通讯转接，与智能终端通过ZigBee技术通讯，与云端控制中心直接的通讯可根据现场的实际需求使用WIFI、GPRS/3G/4G、网线或光纤通讯，与云端控制中心的通讯使用TCP/IP通讯协议。

（5）远端控制中心：远端控制中心由核心服务器与云存储系统组成，负责数据存储分析和处理，并根据仪表数据进行自动控制，云端控制中心还可将一些固定的和对时效性要求高的控制规则下发到相关的智能终端，将整个系统划分为多个独立智能控制单元，实现高时效的智能控制。

（6）客户端：为系统的人机交互界面，用于用户参看仪表数据，人为控制生产过程，同时为云端控制中心推送的消息提供显示界面。

本系统中的检测仪表和电动执行机构直接使用现在市场通用的产品即可，同时由于系统中使用了ZigBee智能终端，由智能终端将仪表和电动执行机构的数据转换为系统的标准消息上传，解决了在同一个系统中无法兼容多种总线和通讯协议的问题，系统内可兼容多种总线设备。

由于ZigBee通讯技术允许同一网络内的数据进行数据共享，智能终端可将采集到的信息共享至其他指定的智能终端，这就可以实现将整个系统建设成为有多个独立的智能控制单元和1个云端智能控制单元组成的智能控制系统，对于工业过程中时效性要求高的控制过程有非常好的适用性。

4.2系统通讯方式

基于ZigBee与IPv6的物联网工业控制系统中有4个通讯环节，分别为：

（1）ZigBee智能终端与检测仪表、电动执行机构之间的通讯

ZigBee智能终端与检测仪表、电动执行机构之间使用有线连接，智能终端可根据现场实际情况选择使用电池供电或电源线供电。

（2）ZigBee智能终端与智能网关之间或智能终端之间的通讯

ZigBee智能终端与智能网关之间或智能终端之间使用ZigBee无线通讯，组建基于IPv66Lowpan标准的ZigBee网络，该网络相对于其他的ZigBee网络具有结构稳定、通讯可靠、延时低的优势，同时网络内随时增减智能终端不影响网络稳定性。

（3）智能网关与云端控制中心之间的通讯

云端控制中心可根据现场需要建设为局域网云端控制中心和互联网云端控制中心；局域网云端控制中心与智能网关的通讯可通过使用WIFI和有线网络建立的局域网进行通讯；互联网云端控制中心与智能网关的通讯可通过GPRS/3G/4G通讯也可通过现场的局域网连接互联网通讯。

（4）云端控制中心与客户端之间的通讯

局域网云端控制中心与客户端的通讯可通过使用WIFI和有线网络建立的局域网进行通讯；互联网云端控制中心与客户端的通讯通过互联网通讯。

4.3系统其它应用方式

基于ZigBee与IPv6的物联网工业控制系统除了作为一个独立的工业控制系统应用于实际生产中，还可作为一个通讯系统应用于现有的DCS和FCS系统中。当作为通讯系统部署时，只需在DCS 和FCS的控制中心安装协议转换组件，即可实现使用无线通讯技术替换现场通讯线缆的工作，这种应用方式在工厂的改扩建工程中可节约大量的材料成本与时间成本。