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    彭瑜
（1938－）
男，湖南長沙人，教授級高級工程師，上海工業(yè)自動化儀表研究所，1960年畢業(yè)于清華大學(xué)動力系，長期從事工業(yè)過程控制系統(tǒng)的研究開發(fā)工作，1993年獲國務(wù)院特殊津貼，現(xiàn)任中國自動化學(xué)會儀表與裝置專業(yè)委員會常務(wù)委員，上海市自動化學(xué)會常務(wù)理事，中國儀器儀表學(xué)會專家委員會委員。

    關(guān)注工業(yè)自動化一定會關(guān)注無線通信在工業(yè)廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用前景。而無線通信涉及的技術(shù)極其廣泛和復(fù)雜。其中，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)測量控制的基礎(chǔ)性技術(shù)，所以才引起了眾多科技工作者持久的研究開發(fā)熱情。本文想就這方面的應(yīng)用進展和相關(guān)標準的開發(fā)作一概述。文中引用的材料一部分來源于有關(guān)的自動化網(wǎng)站，一部分來源于一些國際性自動化技術(shù)協(xié)會如HART通信基金會的內(nèi)部文件。當然，經(jīng)過作者的消化、整理和理解，不免帶有作者自己在近些年在此領(lǐng)域做了一些研究之后形成的看法和傾向。

1 無線通信在工業(yè)中的應(yīng)用聚焦于無線短程網(wǎng)的發(fā)展

    進入二十一世紀以來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已成為工業(yè)發(fā)達國家科研開發(fā)的一個熱點。無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，估計至少將會帶來10%的生產(chǎn)效率改善和減少25%的排放或泄漏。具有足夠的可靠性和自治處理能力、又能在工業(yè)環(huán)境下任何地點安裝使用的智能無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)，將為各種生產(chǎn)裝置配備實時共享的數(shù)據(jù)采集能力，從而為提高生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本發(fā)揮重要作用。

    無線系統(tǒng)以電磁波作為傳輸介質(zhì)，避免了有線系統(tǒng)安裝成本高、維護成本高、價格不斷上升、接插件的故障率高、查找接插件的故障困難等限制，提供了低成本、靈活性和使用方便等競爭優(yōu)勢。一些具有前向思維的企業(yè)洞察工業(yè)無線系統(tǒng)的巨大潛力，對此給予極大關(guān)注。而現(xiàn)場儀表和傳感器的無線傳輸表現(xiàn)出諸如安裝和維護成本低、更換方便、便于升級、減少接插件故障、移動自由且不受限制、投運快速，可以實際利用MEMS（微機電系統(tǒng)）技術(shù)等前所未有的優(yōu)勢，更成為當前最受重視的領(lǐng)域之一。

    對于無線的工業(yè)應(yīng)用，當前出現(xiàn)的新動態(tài)是使用高傳輸率、無須申請頻率許可證、低價的技術(shù)。無線通信距離與具體應(yīng)用（工廠自動化、過程自動化和SCADA系統(tǒng)）強烈相關(guān)，一般大致在150毫米至80公里。當前影響無線系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的主要障礙是：工業(yè)環(huán)境和無線技術(shù)的狀態(tài)。工業(yè)環(huán)境對無線通信的挑戰(zhàn)有：工作環(huán)境溫度由-40℃—+70℃；高濕度（當溫度為40℃濕度 95%時不結(jié)露）；本質(zhì)安全防爆要求；固定設(shè)備和移動設(shè)備對無線傳輸路徑的影響（衰變、中斷和發(fā)生各種各樣的缺陷，諸如頻散、多徑時延、干擾、與頻率有關(guān)的衰減，節(jié)點休眠、節(jié)點隱蔽和與安全有關(guān)的問題）等。

    無線傳輸進入工業(yè)控制領(lǐng)域的趨勢無可置疑。估計再過四、五年，即2010年前，從技術(shù)的角度講大多數(shù)儀表和自動化產(chǎn)品都可以嵌入無線傳輸?shù)墓δ堋Ｓ捎跓o線現(xiàn)場儀表的優(yōu)點一定要體現(xiàn)在就地長期供電（如電池、太陽能電池等），也即形成數(shù)據(jù)傳輸無線、電源供給無線的全無線網(wǎng)絡(luò)。從這個意義上講，在高速控制的場合要實現(xiàn)足夠低功耗高可靠的無線傳輸是相當困難的，因而至少在相當?shù)臅r間內(nèi)不適合應(yīng)用。但是實踐證明，對大多數(shù)監(jiān)控和慢速控制場合，它足夠可靠；也就是說可以用在將近80%的自動化和過程控制場合。在過程控制和制造自動化領(lǐng)域，無線傳輸目前主要用于設(shè)備資產(chǎn)管理和狀態(tài)監(jiān)測（維護），而基本上不考慮應(yīng)用于生產(chǎn)運行的實時控制。如果說有所應(yīng)用，也是使用于相當慢的過程中緩慢變化的參數(shù)（如溫度控制和一部分流量控制）。或者是用于測量可通過無線、控制則由操作人員決策而非自動的閉環(huán)控制場合，如行車、起重機。這主要基于以下兩方面的考慮：無線傳輸?shù)男盘栐诮邮者^程中存在漏碼或丟包、衰減和阻塞，以及射頻干擾。

    在現(xiàn)有的無線傳輸技術(shù)中，紅外線傳輸不能繞過障礙物，應(yīng)用面窄；藍牙技術(shù)傳輸距離太短、功耗及成本還不夠低、開發(fā)較復(fù)雜，都限制了它的推廣應(yīng)用；無線局域網(wǎng)IEEE 802.11/Wi-Fi技術(shù)就其本質(zhì)而言，目前尚屬于無線接入技術(shù)，要構(gòu)成Mesh拓樸和自組織網(wǎng)絡(luò)尚需時日。唯有問世3—4年的IEEE 802.15.4短程無線傳輸技術(shù)，才真正具備低成本、低功耗、高可靠性、組網(wǎng)方便簡捷的綜合優(yōu)勢，是受到普遍重視的無線短程網(wǎng)絡(luò)，也是當前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)。基于IEEE 802.15.4的無線傳輸協(xié)議，是一種按短距離的監(jiān)控和控制要求而設(shè)計的通信技術(shù)。它采用2.4GHz頻道，可實現(xiàn)包括點對點、星型、網(wǎng)狀等多種拓撲結(jié)構(gòu)，在低信號噪聲比的環(huán)境下其位誤碼率達到10-9，提供由芯片實現(xiàn)AES-128加密算法，且組網(wǎng)方便，功耗又低。其核心技術(shù)包括：①實現(xiàn)網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)技術(shù)，即自組織（ad hoc）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別是考慮到實用情況下的路由優(yōu)化。②保證在工業(yè)環(huán)境下無線信息傳輸?shù)陌踩院涂煽啃约叭W(wǎng)自適應(yīng)跳頻。③在保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量的前提下，實現(xiàn)全網(wǎng)運行的低功耗。

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是指一類為傳感器、執(zhí)行器和控制器之間提供冗余、容錯的無線連接的嵌入式通信產(chǎn)品。目前WSN正處在發(fā)展階段，遠未成熟。打上WSN標簽的產(chǎn)品除了能提供冗余、容錯的無線連接外，還有遠遠超過傳統(tǒng)的點對點的解決方案的特性：自組網(wǎng)、低功耗和低安裝成本，等等。WSN具有自組織(self-organizing)和自愈(self-healing)智能，因此當WSN中的任意節(jié)點發(fā)生故障，或從網(wǎng)絡(luò)中退出，WSN會將這個別節(jié)點從網(wǎng)絡(luò)中隔開，并另行建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚桑ＷC高度的傳輸可靠性。理想的WSN中每個節(jié)點都能實現(xiàn)低功耗，獨立供電；能適應(yīng)環(huán)境的變化，能以零維護保證長期穩(wěn)定工作。

2 ISA SP100—自動化和控制環(huán)境下實現(xiàn)無線系統(tǒng)的標準

    美國儀表系統(tǒng)和自動化學(xué)會的ISA SP100標準委員會正在加緊制定自動化和控制環(huán)境下實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的標準，推薦實踐指南、技術(shù)報告和相關(guān)的信息。標準主要面向現(xiàn)場儀表和設(shè)備。著重在三方面予以規(guī)范：①運用無線技術(shù)的環(huán)境， ②無線通信設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)的生命周期， ③無線技術(shù)的應(yīng)用。

    SP100將在工業(yè)自動化和控制環(huán)境中的無線應(yīng)用劃分為監(jiān)控、控制和安全應(yīng)用三大類，有細分為六小類（見表1）。這種分類既考慮無線通信在實際使用條件下必須滿足的要求，又體現(xiàn)了這些無線通信應(yīng)用的時間屬性。

    * 屬于監(jiān)控的第5類應(yīng)用，是指不產(chǎn)生直接操作結(jié)果的數(shù)據(jù)和消息，譬如歷史數(shù)據(jù)的采集，為預(yù)防性維護而必須進行的周期性采集的數(shù)據(jù)，事件順序記錄數(shù)據(jù)的上傳（這類似于文件傳遞，不能因通信類型而發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，但又非像控制信號那樣必須考慮時間性），其它的上裝和下載。

    * 屬于監(jiān)控的第4類應(yīng)用，是指通過無線傳輸那些只在短時間內(nèi)產(chǎn)生操作結(jié)果的數(shù)據(jù)和消息，例如基于事件的維護而必須采集的數(shù)據(jù)，為測試需要而發(fā)往現(xiàn)場的限界動作所產(chǎn)生的臨時而短暫的結(jié)果，無線設(shè)備上的電壓低限指示器所產(chǎn)生的告知更換電池的信號等等。

    * 第3類開環(huán)控制是指在回路中還有人在起著作用，例如操作人員手動啟動一個信號裝置且注視著這個裝置，遠程指導(dǎo)開啟一個安全門，操作人員執(zhí)行手動調(diào)節(jié)泵/閥門等。

    * 第2類閉環(huán)監(jiān)督控制，通常并非關(guān)鍵部位，如不頻繁的串級控制，多變量控制、優(yōu)化控制所形成的設(shè)定值等。

    * 第1類閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，一般均為關(guān)鍵回路，如現(xiàn)場執(zhí)行器的直接控制，頻繁的串級控制等。

    * 第0類恒為關(guān)鍵的緊急行動，包括安全聯(lián)鎖，緊急停車，自動消防控制等。

    表1     SP100在工業(yè)自動化和控制環(huán)境中的六類無線應(yīng)用：
 

    至于通過無線通信傳輸?shù)膱缶盘枺哺鶕?jù)具體應(yīng)用場合分屬以上由0類至5類。例如：0類報警是指那些具有自動響應(yīng)的、致命有毒氣體的泄漏檢測器信號（如對污染的自動響應(yīng)）；1類報警是指具有自動響應(yīng)的、對流程狀態(tài)會帶來高度（見圖1）影響的信號（如自動停止反應(yīng)的停車信號）；2類報警是指對流程狀態(tài)自動響應(yīng)的信號（如要對某種參與反應(yīng)的流體做分流處理）；3類報警是指對流程狀態(tài)作手動啟動的操作響應(yīng)的信號（如由操作人員判斷是否分流至另一并行的反應(yīng)器）；4類報警是指有關(guān)設(shè)備狀態(tài)的報警，以通知維護人員在短時間內(nèi)到達現(xiàn)場；5類報警指那些有關(guān)設(shè)備狀態(tài)的報警，要求維護人員采取長期維護的動作。

    英國石油公司（BP）在經(jīng)過相當規(guī)模和許多不同的應(yīng)用場合的無線通信試驗后其負責(zé)主持試驗的CTO指出：實際對這些類別（不包括0類）的應(yīng)用需求，大致是按以下的比例 1：2：4：10：10（見圖1）。這就是說，第四、五類應(yīng)用是大量的，如隊狀態(tài)（振動，溫度/壓力）監(jiān)控；性能（熱交換，環(huán)境狀態(tài)、機械運行狀態(tài)）監(jiān)控。第三類應(yīng)用（開環(huán)控制）也有需求。至于第二類和慢速第一類應(yīng)用，將隨著用戶不斷取得經(jīng)驗，在對傳輸延遲、信息安全和穩(wěn)健性（robustness）等有更好了解之后，而逐漸有所應(yīng)用 ，以利于更多地引導(dǎo)對此類應(yīng)用的要求。

    SP 100 還對無線通信在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用就成本、兼容性和系統(tǒng)的可擴可縮、性能、信息安全現(xiàn)場設(shè)備的就地接入，以及服務(wù)質(zhì)量等作了明確規(guī)定（見表2）。

圖1  實際對這些類別（不包括0類）的應(yīng)用需求（據(jù)BP的首席技術(shù)管）