無線局域網在工業控制中的應用

摘要:本文介紹了無線局域網技術在工業自動化設備中的應用,著重描述了系統配置及控制功能。
關鍵詞: 無線局域網 通訊網絡 通訊協議IEEE 802.11b無線網絡標準
一、 前言
在工業自動化領域,有成千上萬的感應器,檢測器, PLC,讀卡器,或其他設備，互相連接形成一個控制網絡，作為信息系統內管理數據的工具。通常這些設備提供的通信接口是RS-232，如何使現有的設備可立即聯網使用呢？一個經濟、快速的解決方案，利用無線局域網技術連接工業自動化設備！新型的無線局域網設備能隔離型信號轉換器，將工業設備的串口RS-232信號與無線局域網及以太網絡信號相互轉換，符合無線局域網IEEE 802.11b和以太網絡IEEE 802.3標準，支持標準的TCP/IP網絡通信協議，有效的擴展了工業設備的聯網通信能力；使工業設備立即聯網，并且，固定的工業設備成為可以自由移動的無線網絡終端！并且是一個點對點的界面，限制設備和計算機之間的傳輸距離只能為15米。為了克服這個限制，許多用戶使用這種轉換器,將其設備連到工業RS-422或RS-485網絡。利用無線局域網組建自動化工業網絡，相比之下具有有線固定網絡無法比擬的優勢：無線網絡拓撲更適合工業網絡應用；支持RS-232工業設備點到點的連接；支持廣播的拓撲，多個RS-232工業設備組成對等網絡，相互通信 (RS-232通信協議無法支持多點通信)；客戶機/服務器的拓撲，每個RS-232工業設備都可以方便、快捷的接入無線網絡中，極大的提高了信息處理能力；無需布線，省卻施工的麻煩無線局域網利用無線電波傳輸數據信號，適合于難于布線的環境中搭建數據傳輸網絡；在工業現場，鋪設的線纜容易受到頻繁的觸碰損壞，無線網絡保證了網絡的安全性；覆蓋范圍廣無線局域網在開放空間覆蓋半徑達550米，室內一般覆蓋半徑為300-400米，通過室外無線設備傳輸距離可以達到幾十公里。主要應用：遠程視頻傳輸；門禁/考勤管理系統；安防管理系統；生產設備聯網自動化；電信/光纖網絡監控；醫療/實驗儀器聯網自動化；工業/流程聯網控管；組網靈活、迅速無線局域網組網的基本組件為無線訪問點AP和客戶端無線設備。一般情況下，無線網絡的搭建只需要不到半天時間，非常方便快捷。
二、 無線局域網的協議標準介紹
IEEE802.11是IEEE最初制定的一個無線局域網標準，主要用于解決辦公室局域網和校園網中，用戶與用戶終端的無線接入。業務主要限于數據存取，速率最高只能達到2Mb/s。IEEE802.11委員會提出的無線局域網協議體系如圖1所示。IEEE802.11只規定了開放式系統互聯參考模型（OSI/RM）的物理層和介質訪問子層（MAC），其MAC層利用載波監聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）協議，而在物理層，IEEE802.11定義了三種不同的物理介質：紅外線、跳頻擴展頻譜方式（FHSS）以及直接序列擴展頻譜方式（DSSS）。由于IEEE802.11在速率和傳輸距離上都不能滿足人們的需要，因此，IEEE小組又相繼推出了IEEE802.11b和IEEE802.11a兩個新標準。三者之間技術上的主要差別在于MAC層和物理層。
IEEE802.11b物理層支持5.5Mb/s和11Mb/s兩個新速率，并且使用動態速率漂移，可因環境變化，在11Mb/s、5.5Mb/s、2Mb/s、1Mb/s之間切換，且在2Mb/s、1Mb/s速率時與IEEE802.11兼容。
IEEE802.11a工作的工作頻段為5GHz，物理層速率可達54Mb/s。采用正交頻分復用（OFDM）的擴展頻譜技術，可提供25Mb/s的無線ATM接口和10Mb/s的以太網無線幀結構接口，以及TDD/TDMA的空中接口，支持語音、數據、圖像業務。
下面主要介紹IEEE 802.11b無線網絡標準。
1． 無線局域網的物理層
無線局域網同傳統有線局域網的區別，表現在物理層上就是無線局域網一般用無線電作為傳輸介質，而不是傳統的電纜。對于IEEE 802.11b無線局域網，有三種可選物理層：跳頻擴頻（FHSS）物理層、直接序列擴頻（DSSS）物理層和紅外線（IR）物理層。物理層的選擇取決于實際應用的要求。跳頻擴頻和直接序列擴頻是通信技術中兩種常用的擴展頻譜技術，用以提高無線信道的利用率和數據通信的安全性。目前大多數基于IEEE 802.11b的無線局域網產品的物理層介質工作在2.4000~2.4835GHz的無線射頻頻段（ISM頻段），采用直接序列擴展頻譜技術以提供高達11Mbps的數據傳輸速率。
2． 無線局域網的MAC協議
原則上講，無線局域網的MAC協議和有線局域網的MAC協議并無本質上的區別。然而，由于無線傳輸媒體固有的特性以及移動性的影響，無線局域網的MAC協議不能沿用原有的局域網協議。例如，IEEE 802.3的MAC層采用CSMA/CD來使各個不同的站點共享同一物理信道。而實現CSMA/CD的一個重要前提是，各站點能夠非常容易地實現沖突檢測功能。在有線局域網（如以太網）的情況下，可根據檢測電纜線上直流分量的變化容易地實現沖突檢測。然而在使用無線傳輸媒體時，由于以下的原因，很難實現沖突檢測。
1） 沖突檢測的能力要求各站能同時發送（發送自己的信號）和接收（決定其他站的傳輸是否干擾自己的傳輸），這將增加信道的花費。
2） 更重要的是，由于隱藏終端問題的存在，即使一個站有沖突檢測的能力，并已經在發送時檢測到沖突，在接收端仍然會有沖突發生。
鑒于以上原因，無線局域網協議標準IEEE 802.11b采用了一種具有沖突避免的載波監聽多路訪問（CSMA/CA）協議實現無線信道的共享。
　　一種簡單的CSMA/CA可實現如下：在數據包傳輸之前，無線設備將先進行監聽，看是否有其他無線設備正在傳輸。若傳輸正在進行，該設備將等待一段隨機決定的時間，然后再監聽，若沒有其他設備正在使用介質，該設備開始傳輸數據；因為很有可能在一個設備傳輸數據的同時，另一個設備也開始傳輸數據，為了避免此類沖突造成的數據丟失，接收設備檢測所收到的分組的CRC，如果正確，則向發送設備傳輸一個確認信息（acknowledgement）以指示沒有沖突發生。否則，發送設備將重復上述CSMA/CA過程。
　　為了使兩個無線設備同時進行傳輸（這將導致沖突）的可能性減到最小，802.11設計者使用稱為發送請求/清除以發送（RTS/CTS）的機制。例如：若數據到達無線節點指定的無線訪問點（AP），該AP將給那個無線節點發送一個RTS幀，請求一定量的時間向它傳輸數據，無線節點將用CTS幀進行回應，表示它將阻止任何其他的通信，直到AP發送完數據為止。其他無線節點也能聽到正在發生的數據傳輸，并把它們的傳輸延遲到那段時間之后。在這種方式下，數據在節點之間進行傳遞時，由設備導致的在介質上產生沖突的可能性最小。這種傳輸機制同時解決了無線局域網中的隱藏終端問題。
為了確保數據在傳輸中不丟失，CSMA/CA還引入了確認（ACK）機制，接收者在收到數據后，向發送單元發一個確認通知ACK。若發送者沒有收到ACK，表明數據丟失，將再次傳輸該數據。
3．無線局域網實時性性能分析
IEEE 802.11b無線局域網標準在媒體訪問控制層采用CSMA/CA協議以實現無線信道的共享。在網絡負荷較輕的情況下，發生沖突的機會很少，再加上一些無線網絡產品采取了一些附加的措施，甚至可以完全避免沖突的發生。如Wi-LAN的無線產品AWE 120-24無線網絡橋接器利用動態時間分配輪詢的方式：當有多個無線遠端設備要與基站通信時，基站會根據遠端站的ID依次詢問各個遠端站是否有數據要發送，如果有數據要發送，就給其分配時間片，如果沒有，則會繼續向下詢問，周而復始。這里的所謂動態輪詢是指用戶可以設置基站的輪詢方式，對于非活動站減少對其詢問的次數，這樣可以保證時間片不會被浪費。動態時間分配輪詢技術完全避免了沖突的發生，可以獲得比CSMA/CA更好的實時性。這使得無線技術在工業控制網絡中的應用成為可能。
三、無線技術在工控網絡中的一種應用方案
在對安全性和可靠性要求十分高的領域中，SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)是最主要的、最有發展前途的復雜動態系統自動控制方法。依據監控原理，可以為能源、交通、航空和軍事等領域建立自動系統。SCADA 是收集遠程站點和對象的實時數據，以對其進行處理、分析和控制的過程。將必要的信息和數據傳送到中央操作界面的短時性對實時處理提出要求。而且，“實時”這個概念對于不同的SCADA系統含義也不同。早期，SCADA系統的原型是遙測和信號傳輸系統。目前，幾乎所有的SCADA系統都包括以下三部分。
1. Remote Terminal Unit (RTU) ―― 遠程終端。用于進行實時控制；
2. Master Terminal Unit (MTU) ――主控中心。通常進行半實時（quasi-real time）數據處理和高層控制 ；
3. Communication system (CS) ――通訊系統。將數據從遠程站點或對象傳輸給中央操作界面，把控制信號傳輸給RTU或遠程對象（依據系統的具體運行而定）
通過使用基于無線技術的網絡化智能傳感器，結合目前市場上出現的各種基于IEEE 802.11b的無線局域網網橋，就可以實現無線局域網技術在工業控制網絡中的一種應用方案。如圖4所示。在這里，無線局域網網橋用作無線訪問點（AP），基于無線技術的網絡化智能傳感器采集現場數據、處理，并以TCP/IP協議對數據進行打包，通過無線鏈路發送到AP，由于無線鏈路和有線以太網高層均采用TCP/IP協議，且低層協議對高層協議是透明的，就實現了無線網絡和有線網絡的無縫連接。通過Internet，就可以實現遠程監控。當4-20 mA信號簡化無線通訊，取代使用基于以太網策略或現場總線實現無線通訊，將無線通訊集中到設備層，接受4-20 mA信號后，反饋到無線電通訊的另一端。因為這僅僅是4-20 mA數據，因此不需要程序或協議，不需要一個總線系統，它可以使用任何數字或模擬信號，僅需要直接將變送器連接到你想要測量的器件。工作方式為點對點，它僅僅是無線多路器多點中的一個。
四、結束語
無線局域網技術能夠在工廠環境下，為各種智能現場設備、移動機器人以及各種自動化設備之間的通信提供高帶寬的無線數據鏈路和靈活的網絡拓撲結構。在一些特殊環境下有效地彌補了有線網絡的不足，進一步完善了工業控制網絡的通信性能。隨著微電子技術的不斷發展，各種無線模塊體積越來越小，價格越來越便宜，智能現場設備集成無線模塊將更加方便、靈活。無線局域網技術將在工業控制網絡中發揮越來越大的作用。