无线通讯在工业控制中的应用

孙霞

（哈尔滨铁道职业技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

一、无线通信技术的特点和优势

（一）无线网络技术

无线网络技术其本质是通过电磁波信号来交换信息。该技术主要通过无线网络连接来传输数据（如：信息、语音或视频等）。

目前，无线终端设备得到了快速的发展，已包含诸多便于携带、移动的各类终端，包括手机、笔记本电脑、平板电脑、PDA 等，这些设施可为造船企业在生产过程中带来便利。

无线网络技术较之有线网络技术降低了网络部署的成本，但同时由于无线网络技术的传输介质是大气，所以在传输过程中易受干扰，需在设计阶段通过现场勘测、选择正确的无线点位来降低环境对信号传输的干扰。

（二）无线通信技术的优势

首先，降低成本。有限系统和无线系统的最大区别在于是否有电缆。如果车间或设备之间的距离太长，特别是信号采集和控制非常复杂时，电缆和附件将大大减少。在特殊的环境下，应用无线传输方式可以最大限度地节约成本。

二是转换灵活方便。如果该区域有无线信号覆盖，接入网络可以忽略空间和距离，并且不会受到位置的影响。

最后，完成了总线功能。随着科学技术的进步，工业无线通信技术发展迅速，其水平不断提高。它不仅能成功地检测到现场设备的信号，而且能在没有明显布局的情况下传输不同类型的信息，从而实现高效的信息传输。

二、有线通讯在工业控制中的问题

在早期的工业控制中，大多使用金属线来完成数据传输，即有线通信。它在工业控制中的应用存在几个问题：

首先，传输距离短。大多数旧的金属线主要是双绞线传输。即使增加一个额外的驱动电路，实际通信距离也不能超过20m。

其次，数据在传输过程中会衰减。以工业控制中常见的RS485 双绞线传输为例，虽然传输距离可以有所延长，但随着距离的增加，数据信号会因线路阻抗而不同程度地衰减。

最后，有线传输会在一定程度上增加成本，并且不能及时控制远程运动部件。在有线通信模式下，信号需要通过光缆传输。如果距离太长，需要增加支架电缆。同时，必须相应增加设备的布置空间和行车负荷，这不仅会增加施工成本，而且会由于外部环境的影响而存在一些安全隐患，降低有线运输的安全性和及时性。

由于上述工业控制中有线传输中常见的问题，无线通信已成为工业控制领域的研究热点。

三、无线通信工业控制体系结构

基于无线通信的工业控制主要有两种形式。一种是以PC 机为控制器，利用无线网卡将工业控制系统接入无线网络。与单片机的通信主要依靠数据线和地址线。同时，利用无线路由和网络服务器构建外部局域网。虽然以PC 机为控制器的控制系统投资巨大，但由于采用了标准的网络通信协议，可以实现PC机与外围无线网络的实时连接，从而可以有效提高无线网络的兼容性。二是基于射频模块和单片机的工业控制系统。该工业控制系统主要作用于小型工业领域的自动控制。单片机是主控制器。远程数据传输需要由无线收发模块完成，然后利用传统的串行通信协议完成单片机与无线模块之间的通信。

四、基于无线通讯网络协议的控制

（一）无线网络的通信协议

基于无线通讯协议网络的工业控制，主要是利用PC 机来实现的，现如今在工业自动化领域，IEEE802.15.4(Zig Bee）是使用最为广泛的无线通讯技术协议，能够与无线短程网络高度匹配。如果是交换远程视频监控的数据，经常采用IEEE 802.15.3协议；如果在无线局域网中，需要传输大量数据或者传输范围较大，那么通常采用IEEE 802.11 协议。在工业控制中，无线局域网和无线短程网有着十分广泛应用。

工业以太网也是工业控制网络中的重要组成内容。Internet TCP/IP 协议是工业控制自动化应用的标准，企业网络和控制网络能够在工业以太网中完美兼容，可以在很大程度上为工作人员提供工作便利、降低操作难度，促进工作人员能够快速掌握网络控制要点。

（二）基于PC 机的无线网络工业控制

无线网卡是无线局域网中实现无线通信的主要工具。同时，无线网卡的传输速度直接影响通信数据的传输速度。目前，无线网卡的传输速度大多为54Mbps，计算机会使用网卡随机为每个控制器分配一个单独的IP 地址，并确保每台PC 都能通过无线接入点稳定地连接到网络。同时，工作人员需要检测控制器的IP 地址是否与其他地址冲突。如果没有矛盾，则证明PC 已成功连接到无线网络。如果将大量的PC 机连接到无线网络，将形成网络的点对多点拓扑，然后形成一个完整的控制网络，并将每个PC机作为网络单元。工作时，工作人员可在WLAN的作用下将控制信号传输至控制网络，信号通过隔离转换器，接收网络可将转换后的控制信号通过RS-232 传输至控制设备，实现对机械设备的智能控制。如今，随着科学技术的飞速发展，工业领域中几乎所有的传感器都可以与无线传输模块高度集成，从而大大简化了控制系统的电路，实现了控制系统随时随地的检测。例如，以水泥厂窑炉温度检测仪为例，我们可以充分利用无线传感技术，将实时温度信息及时传输到主监控室，以便及时调整温度。

（三）基于ARM 控制器的无线网络工业控制

如果工业控制中有特殊任务，那么单纯依靠PC 机无法实现对外围设备的精确数据采集和具体控制。此时，工作人员可以充分利用ARM 嵌入式控制器，结合不同的控制要求，设计具有特定功能的工业控制器。随着科学技术的飞速发展，ARM 核的主频已经超过700MHz，在很大程度上可以满足一般工业控制的要求。因此，对于特殊的工业控制，ARM 嵌入式控制器已成为无线网络工业控制的主要方式。

同时，arm 在无线控制领域也有着重要的应用。在arm 控制器中，芯片选择端与无线网卡相连，通过数据线和地址线将数据传输到总线上。设计者可以通过优化电路设计和减少布线来进一步加快数据传输速率。而且，arm 控制器在工业控制中的应用不需要无线网络和PC 机的辅助，大大降低了工程造价。为了进一步完善网络接口的通信功能，技术人员需要输入相应的驱动程序，确保arm 控制器与WLAN 真正兼容，以满足工控的具体需求。

（四）基于无线传输模块的无线控制

嵌入式控制器结合无线模块和单片机结合无线模块是工业控制中最常用的无线传输方式。无论采用哪种传输方式，都不需要额外构建无线局域网，可以在一定程度上降低企业的工控成本。另外，与建设无线局域网相比，无线传输模块的安装效率更高，成本更低，不会在企业内占用太多空间。在无线模块中，数据传输主要由射频完成。目前，CC1100 和CC2500 是最常见的无线传输模块。如果单片机与通讯模块连接，技术人员需要将控制模块与通讯模块分开，以保证通讯模块的通用性。此外，设计人员还可以将其他控制芯片与该工业控制框架集成，制作出新的控制器，不断提高控制器的智能性。

（五）高频传输技术

高频传输的重点就是增加频段数量,实现多频段传输,以此提高传输效率。而在5G 无线通信技术中,具有非常多的频段支撑数据传输需求,而这也意味着需要相关技术人员,使用更高的技术将射频器件的工作频段调整到与之符合的频段,由于现阶段通信技术多元化发展,因此,若匹配低频段频谱为5G 无线通信技术应用,确实存在一定困难。为解决此问题,需要引入高频传输技术,进而达到5G 无线通信技术频段使用需求,改变以往拥挤低频段频谱传输问题,进而有效提升数据传输效率。需要注意的是,在这一过程中,应当考虑到空气中的介质是否会干扰、影响信号质量这一问题,如果存在则需要解决,进而推动高频段传输发展。此外,应用高频传输通信技术,会消耗大量的能量,针对此,可以通过直径传输的方式进行调节。相关领域技术研究人员,有必要进一步探索最佳的传输方式,打破现存限制。

（六）直接通信技术

在冶金工程中,会使用到大量的设备,而设备之间的联系,主要采用的就是直接通信技术,即不借助其他任何载体,开展通信活动,最终可以完成直接交流目标。从以往传统移动通信过程看,在网络面积全覆盖方面存在很大不足。但采用此种直接通信技术,可以很好的完善各种设备,从而提高移动通信质量,为冶金工程建设提供良好的基础保障。在直接通信技术作用下,可以很好的降低各系统运行能耗,进而有效迎合我国提倡的节能减排目标,对冶金工程可持续性发展起到重要作用。

（七）云计算平台与直接通信

云计算平台在5 G 无线通讯技术中占有重要地位。分析冶金工程,当中涉及到了各种智能设备,需要进行自动切换,而将云计算平台应用其中,可以对其实施科学的设置,使得设备智能化运行,进而形成健全、科学、合理的智能组网系统,使得5G 无线通信技术的智能化水平得到提升,同时,也有效降低移动通信能源损耗量。除此之外,直接通讯技术在5G 无线通信技术中的利用可以降低对频谱资源浪费率,起到节约资源的作用。

结论

综上所述，由于有线通信在工业控制中存在着一些惯性问题，因此现如今在工业领域已经更加趋向于无线控制，无线控制已经成为工业控制的主要途径，而且通信协议也更加标准，这使得工业控制系统更加优化、功能更加完善，PC 机结合无线模块、内嵌式控制器结合无线模块的无线通讯方式也降低了工业控制对无线局域网的依赖，带来了更大的操作便利。但是不可否认的是，现代无线通讯与有线通讯相比也存在着一定不足，例如数据传输安全和网络安全有待提高，这都需要技术人员不断创新研究，进一步提高无线控制的应用价值，促使其在工业领域发挥出重要作用。