无线通讯技术在工业自动化领域的应用及发展

游建华

贵州航天电子科技有限公司 贵州贵阳 550009

1 无线通信技术的特征

无线通信技术是利用电磁波信号在空间中进行信息的特殊性传输。在此过程中，体现了它的高效、快速、灵活的特点，可快速且大量地将图片、文字和语音等数据进行直接传输。无线通信技术增加了全国各地无障碍的经济与政治交流，为人们的生活带来了便利。无线通信是通过无线接入的方式进行网络传输，因此其不受任何自然因素的影响，可保持无线通信网络稳定与流畅。

2 无线网络技术的分类

2.1 WLAN技术

WLAN技术的相关科研成果成为无线信息交流技术，逐步普及到我们日常生活中，与之相关的无线网络技术使其运行速度更快、传输容量更大，同时，与此相关的无线网络技术已经运用于相关的办公室办公和家庭网络。然而WLAN技术仅局限于小范围内的相关数据传输[1]。

2.2 UWB技术

UWB相关科研技术成果是一项运行速度快、覆盖范围广的无线信息传递技术。它是通过快速的频率脉冲以及相关技术进行信息的传递，因此其脉冲范围较为广泛。其在基础频率3.1～10.6GHz的范围内占有很大的运行速度，同时减少了运行过程中的相关消耗。

3 无线通讯技术在工业自动化领域的应用

3.1 系统分析

（1）需求分析。以某电机厂无线通信技术为例，电机厂设计了符合ISA100.11a标准的通信网络具有高度可靠、适用于广泛的应用及可扩展之外，它们还与有线通信标准兼容，如现场总线、HART和PROFIBUS等，并以模块形式提供免费或基于许可证的各种基础技术。既可以用于构建高度可靠的大规模工厂网络，也可以与其他电机厂产品在中小型网络中配套使用，从而可以持续扩展其能力。电机厂在开发该系统时主要关注以下3个重要特性：①可靠性：可靠的高性能现场无线和冗余技术；②灵活性：支持范围广的灵活结构，适用于各种规模的工厂；③开放性：开放的ISA100.11a标准，可连接第三方现场无线设备支持高可靠性现场无线系统的技术。电机厂现场无线的接收效率很高，其特点是无线物理层（可靠的无线电）具有高可靠性。该技术可以在无障碍的情况下进行长达600m的长距离通图3系统设计简图信，并且在“障碍物密集环境”的多路径环境中实现低数据包错误率[2]。

（2）系统实施方案。实际生产现场的条件千变万化，在该项目实施前对现场进行调查，了解生产现场的测点、控制室及设备之间妨碍无线通信障碍物的状况，同时进行实际无线信号发送、接收信号强度、通信成功率、路径稳定性等相关指标的测试，从而更有针对性的选用网络设备（如天线型式、中继器数量位置、网关数量位置等等）。在某企业长运输管线气体监测工程项目中，采用了符合ISA100.11a标准的通信网络控制系统。其系统实施方案流程简图见图1。

图1 系统实施方案流程简图

（3）系统设计。针对长运输管线气体监测线路长、测点分散，被铁路、建筑物分割，传输气体为有毒、易燃易爆，监测点分散设计智能无线系统硬件包括1台无线网关，1台无线接入点，3无线变送器中继装置，4台无线变送器。其系统设计简图见图2。长运输管线气体监测点各有2台气体检测仪，每台无线设备了接入两个现信号。

图2 系统实施方案设计简图

一个无线通信网络通常包括网关和数台至数十台无线现场设备，它们之间采用无线通信，现场设备把信号传输至接入点，再由接入点把信号传至网关，然后由网关以有线方式（例如Modbus、TCP/IP、OPC、以太网等）连接到控制系统。

4 实施效果

工业无线通信采用了网状、星型及混合拓扑结构，所以它在网关、接入点和现场设备之间可提供多条冗余通信路径。它能检测到传输路径的恶化并自动修复，可以自动选择路径从而绕过障碍物；还采用了其他技术来保证通信的可靠性：跳频、可设置的传输功率、确定满足监测和控制应用需求的优先级机制等。网络安装以后，通过工业无线网络配套的软件可以在控制室的操作员站的显示画面上实时监控工业无线网络的运行状况见图3。

图3 系统设计简图

每台设备的基础信息，涉及工业无线网络每台设备的运行状况指标，如节点状态、运行的邻居（可提供路由的相邻设备）、邻居数、维护要求、可靠性、路径稳定性、接收信号强度指示等都是判断无线设备通信是否正常的重要参数。通常情况下这些参数是稳定的不会有大的变化，说明其数据传送可靠、工作正常。

从实践中看，运行的效果满意。自工业无线通信技术的标准及相应的产品推出之后，亦经历了从饱受争议到逐渐被认可的过程，很多国内用户已经由开始时的质疑态度，转变为认可态度。因为工业无线通信技术符合节能减排的要求，和有线系统比较无线系统现场安装费用约节省80%～90%；无线系统总费用有较大的节省；无线系统后期维护费用大大低于有线系统；无线系统后期如需改造，其费用大大低于有线系统[3]。

5 结语

综上所述，工业无线通信技术的应用不仅可以对现场仪器仪表提供故障诊断、预测维护功能，而且可以报告与现场仪器仪表相关的工艺过程或工艺设备的健康状态，从而改善生产过程的操作性能。