无线通讯在工业控制系统中的应用

王晓光(陕煤集团榆林化学有限责任公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

随着计算机网络技术、无线技术、智能传感器技术的融合，产生了基于无线通讯技术的网络化智能传感器。伴随着化工行业高速发展，无线通讯技术推动了自动化仪表与控制系统的应用需求。基于无线传输中的ZigBee 、RF技术、移动通讯技术的网络化通讯和分布式智能技术，到目前无论在理论上还是在实践上都未出现显著突破，数据传输速率、传输稳定性在具体工业应用中的复杂控制和快速响应方面还有待提高，同时极大地制约了化工自动化行业的发展。

1 无线通讯的工业应用

1.1 工业无线控制系统

目前，从行业应用及普及性，集散控制系统(DCS)、可编程逻辑控制器(PLC)以其高可靠性、高性能、集中管理、配置灵活而在石油、化工、造纸、电力、冶金等各行各业都获得了极其广泛的应用。工业生产过程的各种工艺参数通过自动化控制装置转化为可操作、监视的可视数据，同时操作的各种信息通过DCS或PLC装置送到执行机构，控制着生产线的正常运行。在DCS或PLC站系统内，进行模拟量与数字量的相互转换、运算，对输入量与输出量进行软件滤波。其中数据间的传输方式以有线数据传输为主[1]。

1.2 无线传输仪表工作原理

常规仪表数据的传输通过双绞线作为数据流传输介质，以硬接线做为载体，发送标准信号如4～20 mA电流或0～10 VDC电压，输送至控制系统IO模块做AD转换后，成为可监测的实时数据。

无线传输仪表与有线仪表的区别在于是否使用双绞线或其他硬接线做为传输介质；在有线仪表内增加数据转换模块、无线通讯模块，实现数据的转换与无线通讯传输，即可实现仪表数据无线传输。无线传感器网络的使用以ZigBee无线传输、RF无线传输的为主，红外通讯及移动通讯相对较少。

1.3 ZigBee无线传输

ZigBee是由ZigBee ALliance制定的无线网络协议，采用IEEE802.15.4协议作为规范，是一种高可靠的无线数传网络，主要由无线处理器模块、传感器模块、控制转换模块(A/D，D/A)、电源模块及其他外围模块组成。

无线工业监控节点通常自带电池，其能耗由传感 、计算、通讯三部分组成。zigbee网络是对等网络，即所有结点在通讯上是相当的，既可作为路由器又可作为终端设备。由于采用无线方案，原来必须大量控制线缆，可选择性地部分省去。节约成本，节约铜的使用，属于环保节约资源类型产品。不仅如此，在添加新的控制点时，可随时添加，不受原来DCS需要预留控制点，预留控制线的影响，体现了系统可扩展性及控制的灵活性。尤其对于要经常移动的设备更体现了其独特的优越性。安装时，只要接上电源，设备即可运行，便于维护与安装[2]。

1.4 RF无线传输

RF无线(radio frequency，RF)是一种高频交流变化电磁波的传输方式，是20世纪90年代兴起的一种非接触式的自动识别技术，频率范围为300 kHz～30 GHz之间。

信号传输方式为信息源(模拟或数字的)用高频电流进行调制(调幅或调频)，形成射频信号，经过天线发射到空中；远距离将射频信号接收后进行反调制，还原成电信息源。RF无线传输技术在阅读器和射频卡之间进行非接触式双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的双重目的。与传统的条形码、磁卡、IC卡相比，射频卡具有非接触、阅读速度快、环境影响较小、寿命较长、便于使用的特点，同时具有防冲突功能，能同时处理多张卡片。

无线传感器网络节点通常应用在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，其中少数节点基本是静止的。传输网络的设计遵循点对 点的理念，中间节点主要负责数据的分组转发，在密集性传感器网络中，相邻传输节点间的距离短，增加节点便捷。

1.5 移动通讯

移动通讯指通讯双方或至少一方是处在移动状态下进行信息交换，实现数据通信。它包括移动体与固定点之间、移动点与移动点之间、移动用户与固定用户之间的通讯。随着通讯技术应用的日趋广泛，已深入到社会的各个行业，随着我国自主知识产权移动技术的发展，经过不断努力及大量实践研究，已取的较大的进步。

历经1G 技术至5G的不断创新，已由1G时代的采用模拟技术和频分多址(FDMA)技术发展至5G技术。随着移动通讯系统带宽和能力的增强，移动网络的速率也高速提升，从2G时代的每秒10 kbit，发展到4G时代的每秒1 Gbit，足足增长 了10万倍。4G网络造就了繁荣的互联网经济，随着移动通讯技术的发展，5G成为了一种应用趋势，5G采用全服务化设计，模块化网络功能，支持按需调用，实现功能重构；采用服务化描述，易于实现能力开放。2019年10月31日，三大运营商公布5G商用套餐。5G峰值速率达到10～20 Gbit/s、流量密度达到10 Mbps/m2以上、具备百万连接/km2的设备连接能力。5G在工业领域丰富的融合应用场景将为工业体系变革带来极大潜力，大幅降低人工成本，达到了生产效率提高的目的。未来，远程控制、设备预测性维护等场景预计将会产生较高的商业价值。

2 无线传感器应用网络研究

随着低功耗无线通信技术、嵌入式技术、传感器技术及集成电路技术的高速发展和成熟应用， 使得由大量成本较低、功耗较低、体积较小、短距离通信多功能的微型传感器可以通过无线通讯自行组织为无线传感器网络成为现实。

2.1 无线传感器网络结构

无线传感器网络基本对象主指：目标、观测节点、传感节点、感知视场。还需定义外部网络、任务管理单元对整个系统的应用描述。观测节点向网络发布查询请求和控制指令，接收传感节点返回的目标信息。目标有时特指信号源，传感节点通过对目标的红外、雷达等信号获取目标的温度、压力、位移、速度等数据。网络中所有的节点集合称为网络的感知视场。传感节点主要功能为数据采集、信息处理、数据传输及其他节点协同传输。

网络结构形式主要如图1所示。

2.2 无线传感器的传输特点

无线传感器网络具有规模大、密度高的特点。无线传感器网络通较常以密集型的模式部署在较大范围的监测区域， 由传感器节点的处理能力、存储能力、通信能力都是十分有限的。由于应用的环境不同，无线传感器网络节点对网络系统的要求也同， 硬件平台架构、软件系统功能、通信协议形式都会有非常明显的差异。无线通信技术与网络宽带化相结合，是工业现代智能化发展的需求。宽带化能促使进无线通讯技术更加稳定、快速，符合工业生产企业的需求。随着无线通讯技术的不断创新和发展，在这方面的研究不断深入，无线通信技术在工业控制领域的深度、广度也越来越广泛。由于应用的环境的不同，无线传感器网络对网络系统的要求也不相同， 硬件平台、软件系统和通信协议都会有很大的差异。

2.3 热点趋势

在石油化工、煤化工项目中，传统控制系统有非常广泛与成熟的使用经验，但近些年来，随着项目规模的增大与产品线系列数的增多及用户使用功能的需求不断提高，现场仪表的点数与控制系统的规模也越来越大。产能的扩大一般通过增加产品线系列数来实现，因此控制系统的规模在成倍的增长，DCS 控制系统的点数从最初的几千点上升到上万点以及10万点，目前超大型的煤化工项目 DCS 控制系统的点数已经达到了20万点。无线通讯应用的主要技术难点是工业控制中工业检测、控制的可靠、响应和及时准确。但是工业应用环境较为复杂，在部分应用场景中可能存在蓝牙、IEEE802.11、IEEE802.15、红外等多种不同类型的无线网络产品应用，发生同频干扰的可能性较高。同时各种大型机械、塔器、管道以及大型电动设备产生的电磁噪均可能信号的传播产生影响，导致数据串扰、失真、波动。

3 无线仪表在工业领域的应用

以ZigBee无线传输、RF射频发射、移动通讯传输为主的无线数据传输，广泛地运用在石油、化工等领域，实现数据遥控、遥测、小型无线网络数据传输、工业数据系统采集、无线标签识别、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频传输、数字图像传输等功能。

3.1 现阶段无线传输技术场景应用技术的特点

(1)采用RF射频技术的产品是用无线电波来传送控制信号的，它的特点没有方向性，数据传输仅达数十米。发射器和接收器之间受金属阻挡物屏蔽限制作用。

(2) Zigbee在应用中功耗低，自组网，可组成网状网(通过路由延长传输距离)，但存在传输速率低，只能传输简单的数据的缺陷，同时存在受阻挡物限制作用。

(3)射频通信，频率越高，穿透性越强，但是绕射能力越弱。

(4)系统抗干扰能力差，通读环境总是存在各种干扰源，如直流电机、高压电网、电焊机、高频电子设备等设备对ZigBee无线传输、RF无线传输均有不同程度的影响、干扰。

(5)单纯采用移动通讯技术存在安全缺陷。主要因素在于无意识人为因素错误、有意人为攻击影响、信息泄露与系统漏洞等，而移动通讯信系统当前并没有形成有效预防病毒的机制，仅有用户通过自行系统升级，对病毒形成限制，预防安全隐患进一步扩大，较难确保不出现任何问题。

(6) 5G基站建设前期投入大，相对4G来说，要保障用户体验必须建设更多的5G基站，也代表更多的硬件设备投入成本，其用户的使用成本将较高于4G。

(7)虽然现场Zigbee、RF、移动通讯技术出现较早，但它在工业控制领域应用在国际标准化的进程却经历了很多年，但在通讯协议的通用性问题上，并未取得建设性的进展和规模性普及。目前无线通讯协议的通用性，仍是困扰用户的一大问题。

3.2 改进方法分析

(1)传统无线传中，当受到强电磁干扰或金属或物理阻隔时，信号将出现中断或延时迟滞，监测系统将不能直实、实进地监测测量数据。如采用ZigBee无线传输、RF无线传输，移动通信技术三合一时，系统通读表决模块如监测到系统测量环境处于强电磁干扰或金属或物理阻隔，数据流将优先经移动通讯功能单元模块传输数据流，可保证数据的准确性、稳定性。

(2)在传统通讯传输过程，采用单一的ZigBee无线传输或RF无线传输，如出现ZigBee无线传输、RF无线传输单数据处理模导体故障，将出现数据流中断现象，监测系统将不能反监测源真实数据。在采用三合一通讯模式，出现单一ZigBee无线传输、RF无线传输、移动通信技术故障，通读表决功能模块将做出表决处理，功换至无故障模块传输数据，保证数据流的持续。

(3)近年来，随着5G网络技术的发展应用，5G因具备高速度、低时延时、高可靠、低功率海量连接的特点而具有无限的潜力。但在工业自动化领域的应用还是相对较少。

4 结语

随着工业自动化技术的飞速发展和工业智造化的迫切需求，工业控制无线通讯仪表功能需求急需增加，无线通讯将是工业无线通信技术的必然趋势。无线通讯仪表应用于石油、化工等工业自动化系统中，数据传输的可靠性、稳定性犹为重要，相关技术工作者应充分考虑工业化应用中的通讯环境，以及化工行业操作控制对数据通讯性能等要求，加快普及无线通讯仪表应用，助力国家现代工业实现自动化、智能化。