何谓无线技术---艾默生无线技术--控制网



何谓无线技术---艾默生无线技术
企业：艾默生 日期：2008-07-07
领域：运动控制 点击数：1115
无线系统构成
 
对任何通信系统的结构来说，不管是无线还是有线，都包含三个基本的组成部分。
信号发送的来源
承载信号的媒介
接受并使用信号的接收器
 
 

传感器/变送器
控制系统
 
例如，在传统的“有线”过程控制自动化中， 测量变送器（信号来源）通过双绞线（媒介）将数据发送给分布式控制系统或者其他的主机（接收器）。

 

传统的过程自动化系统通信使用电线来连接信号源和接收器。

在无线技术方案中，无线电波取代电线成为了通信媒介。通过无线装置和天线，来自于测量变送器的电子信号被转变成无线电波，而相应在主机方面也有另外一个接收天线和无线装置再将电波转变回去，重新成为可用的信息。

传感器/变送器
控制系统



无线连接利用无线电波作为通信媒介。

虽然无线网络中的变送器和其他部件可以使用硬线连接来为他们的电子部件和无线装置提供电源，然而一个“真正无线”的装置，是不会利用电线来进行通信和供电的。 在这些“真正无线”的装置中，通常是使用电池或者通过能量搜集技术利用可用的太阳能、热能或振动能等进行供电，或者使用两者同时供电。

所有无线应用均遵循这一基本的系统模型。但是不同的工业或应用会选用不同的无线技术，以便满足其特定的要求。
例如，在一个工厂内，您可能会采用无线现场网络技术将数据在传感器和其他现场部件之间进行传送，也可能采用无线过程控制网络技术，利用它处于机动工作状态的工作人员可以很容易地对信息系统进行控制和维护； 以及其他技术，以通过无线方法进入工厂局域网，进行资产跟踪和安全方面的应用。

下一节：频率
 
频率
 

可见光
音频             射频      红外线     紫外线 X光        宇宙射线      
在有些无线应用中，例如电视机遥控功能――利用红外光波来传送数据。然而这些基于光波的无线通信应用范围较窄，要求在发送器和接收器之间视线清晰，这就是为什么在大多数无线应用中改用电磁光谱的射频部分的原因了。



无线通信中应用的无线电波作为电磁频谱上的一部分。


绝大多数的无线频率都在加以分配之后进行应用。 有许多频率处于特别许可的频段，这些频段专门预留出来作为军事、警察或者其他专门的用途。 某些行业内的公司，例如手机和卫星电视也需要缴付可观的费用来获取使用某些频率的许可。对于一个特定的国家或地区，这些许可常常也是特定的。

然而有一些频段是可以不经许可，自由使用的，包括工业、科学或医疗（ISM）频段。对使用者的要求是，他们需要遵守某些管制的规定，例如限制发送功率等等。

通常使用的与过程工业相关的ISM 频段有三个 ：900MHz, 868MHz, 以及2.4GHz.
900MHz频率最常用于美国。 这个频率实际上包含一个频率范围，从902到928MHz，信号可以在这个范围内以多个指定频率进行传播。通过这种传播方式，通信过程可以抵制多种类型的干扰。 如果其中的某个频道闭塞，下一个频道很容易提供一个清晰的连接――这种方式可以大大地提高网络可靠性。
868MHz频率可以在欧洲大部分地区用于ISM通信。由于它是一个单一固定频率，所以不具备同900MHz一样的抗干扰能力。 这就大大地限制了它在工业环境之下的适应能力。
2.4GHz 频率作为Wi-Fi 标准的一部分，在全球范围内适用，亦可应用于无线以太网通信用途。其他非以太网设备也可以在此频段内进行通信。 由于这个频率也不是一个单一固定频率，所以也可以利用频谱扩展技术以提高网络可靠性。

下一节：干扰处理
 
干扰处理
 
有电波传播的拥挤环境会对无线信号产生干扰。其他的无线频率“噪音”源，例如电气电子设备，也会产生同样的干扰。

克服干扰的方法之一，是通过增加传输功率来增加信号强度。 但是信号增强之后可能会对区域内其他正常的信号传输造成干扰。对于利用电池供电的设备，增强传输的信号还会在相当程度上降低电池的预期寿命。

信号传输的物理障碍也会吸收射频能量，从而对无线信号产生干扰，这会导致信号有效强度的降低。
 
某些材料会反射射频信号。 虽然这种反射实际上可以帮助信号“绕过”一些障碍，它也会导致信号强度的损失，并导致时间延迟，带来“回波”效应。

大多数接收器的设计方式，都是锁定最强信号，忽略回波。但是即使最强的信号也只是信号源最初发射的信号的一部分，它也可能在传输过程中大大地减弱。 因此无线信号必须克服的障碍越多，信号也就越弱，无线通信的有效范围也就越窄。

幸运的是，随着无线技术的进步，在与过程相关的应用中克服多种干扰也就成为可能。

例如，应用跳频技术，信号可以在分配的频段中通过替代频率进行传输。 如果干扰在其中一个频率上导致问题，信号可以跳到另外一个频率进行传输。

应用自组网络也可以提供抗干扰的途径。 如果在自组织网络中两个设备之间的通信被干扰中断， 网络会自动利用其中的其它设备来提供替代途径，将信号传输到指定地点。
 
某些无线技术方案会同时应用这两种技术，或者其他技术来确保通信的可靠性。

下一节：无线技术
 
无线技术
 
无线通信技术种类繁多：蓝牙、CDMA、GSM/GPRS、900MHz Zigbee、Wi-Fi、Wi-Max、卫星通信等等，这还仅仅是其中您可能会听说过的一部分。

为什么有这么多的无线技术呢？ 理由很简单，没有一种技术可以很理想地适用于任何行业的任何用途。
例如，不同的技术会更加适合在不同距离上进行传输。
蜂窝技术，利用现有的电信网络， 可以进行跨国或跨洲通信。
另一方面，蓝牙技术以其有效而成本低廉的方式，用于键盘和电脑之间或者耳机和电话之间的连接――但是由于它的范围非常狭窄，这就意味着对于海上油田的通信而言，它实在不是一个正确的选择。
虽然没有一种单一的无线方案适用于所有的过程工业要求，还是有某些技术可以很好地应用于一些共同的用途。
GSM/GPRS广泛地应用于蜂窝网络，可以很好地用于远距离数据采集，例如储存罐库存监视等。
900-MHz 和2.4-GHz 无线电波在油气田的监控和SCADA应用方面也证明了它的实用性。
自组网络在工厂内应用具有很高的可靠性――当应用先进的电源管理技术时其成本效益尤其可观。
Wi-Fi技术设计完善，稳定可靠，价格低廉，是一种基于开放式标准建立的系统。 同自组织无线现场网络结合使用时，可以提供优良的网络主干作为数据集中和网络组建之用。Wi-Fi的网络存取点还可以为移动状态的工作人员提供无线过程控制网络上的信息。
卫星通信可以将在非常遥远的地区进行的操作连接到中央控制室。例如，一些海上油田就利用此技术提供数据链连接到陆基设施。
在随后的课程中，您将学到更多关于这些技术――以及其他技术――的知识。

下一节：工业应用
 
工业应用
 
无论一项技术如何令人兴奋，您都不可能对它进行投资――除非它对您的业务具有实际用途――可以解决您的问题或者带来新的收益。
但是无线技术及其成熟的方案在今天已经具有了广阔的应用范围。 大多数过程工业的操作都很容易找到可以应用无线技术的地方，而且回报丰厚。

远程应用。假如您需要获取数据的地方跟您使用他们的地方有数公里之遥， 硬线连接显然不太现实。这样的例子包括如远程监控储存罐库存，从远程记录仪收集数据，以及获取来自于远处的油气田设备的诊断信息等等。

无线技术可以提供实际可行的操作方案。例如，由于蜂窝技术的应用，数据可以从相当遥远的地方通过已有的通信网络进行传送而价格低廉。 而您再也不需要等到下一次有人要访问一个位于远处的操作设施的时候才得知那里到底在发生着什么。
工厂近距离应用。 即使您需要的信息就在不远之处，有许多障碍，公路、铁道或者河流都仍然会使得硬线连接很难变成现实。 像无人管理或者难以抵达的工厂周边区域，例如罐区或者水处理设施等等均属于这种情况。

然而应用无线技术，例如Wi-Fi，却可以轻易的将那些地方连接到您的控制室或者工厂内的其他某个地点――有了这种连接您就可以及时知道那儿的工作状况以便采取适当的措施。

工厂内应用。 虽然工厂内部的通信距离较短，但是传统的硬线连接有时候成本之高甚至会超过由所获取的附加信息带来的利润。

无线技术譬如自组织网络可以达成于您有利的平衡。 这些易于安装的，方便扩展的无线现场网络以一种令人瞩目的方式降低成本，添加新的测量点，或者访问有关的诊断数据均变得简单易行，而这些通过传统的控制网络和系统都是难以实施的。
无线技术还可以提高操作人员和维护人员的生产效率。 在大多数生产加工应用中，处于移动状态的工作人员都可以访问控制以及维护的数据――无论他们身在何处。

下一节： 现场总线、HART， 还是无线技术？
 
现场总线、HART， 还是无线技术？
 
无线技术如何适合其他的通信技术，以便为过程自动化，例如HART和基金会现场总线提供服务？他们可以共存吗? 还是其中一个优于另外一个？

答案是：各有优势。为某项操作寻求最大生产力和最大的收益率，需要这些技术相互之间的配合。
HART 和基金会现场总线通信是传统监控应用的理想之选。
对于工厂的生产和安全来说，控制应用是一种基本的手段。 它对更新率的要求常常是每秒或小于一秒的速度。
传统的监测应用对工厂的生产安全也非常重要，但是通常它对更新率的要求没有控制应用那么频繁。
今天的无线技术适合于许多控制应用的场合，但是对于监测那些以前无论从经济上来说还是从物理上来说均难以着手的资产――例如敷设电缆的成本要高过所带来的利益的地方――无疑更是理想的选择。

这些增量监测装置所提供的额外的数据，常常对工厂的业务优化――与关键的安全应用或基本生产上的应用相比――显得更加重要。 他们要求的更新速度常常是从每几秒一次到每天数次不等，不但经常用于控制系统，也经常与历史数据库或资产管理软件结合使用。

 
 
 
 
 
 
 
 
工作稳健的无线技术还可以用于某些类型的控制应用中――具体说来，就是所选择的方案能够在执行时间和更新速度方面满足要求。 有代表性的应用包括开环控制和允许较长刷新时间的非关键控制等等。

无线技术适用于增量监测和非关键控制应用。
如图所示， 无线技术在现有设施的增量监测应用中尤显经济。在这些应用中要敷设新的电缆是一项复杂的工作而且成本高昂。

对于新设施来说，无线应用的优点没有那么突出。 因为这些新设施可以在一开始的时候――在基础设施和其他的障碍还没有对增量监测装置的安装形成障碍的时候――就已经将有线通信的额外容量考虑在内了。 当现场总线的广泛应用使得敷线成本和复杂性进一步减少的时候，这种优势差别就更小了。


在有些情况下，您会发现将现场总线，HART和无线技术结合使用会得到最好的效果。 您可以在无人管理的工厂附近设施内利用基金会现场总线的现场控制功能，同时利用无线方式将他们连接到中央控制室去。
下一节：为什么现在流行无线技术？
 
为什么现在流行无线技术？
 
无线不是什么新鲜出炉的事物了。 但是为什么现在流行无线技术呢？

想一想移动电话都发生了些什么。 蜂窝技术在大规模应用之前早已存在了至少十年之久，但是早期的移动电话体型较大，电池寿命较短，对于大多数人而言只是可望而不可及的东西。 随着这些问题一旦解决，它的应用就呈指数形式向上窜升了。

在过程自动化方面也是类似的情况。 虽然无线通信可带来的潜在利益显而易见，但是用户仍然不愿意将它应用到工厂中去， 他们会考虑到安全问题、电池寿命问题、标准问题以及通信可靠性的问题，直到这些问题得以解决。

近几年来，有数家自动化和无线技术供应商集中精力解决此类及其他存在的问题。 最终的结果是，“可用于过程工业”的无线解决方案日益完备。
内置式加密、权限验证、核实、密码管理、抗干扰以及其他的安全措施可以保证正确使用的无线网络同许多传统的有线网络一样――或更加安全。
先进的电源管理技术、低功率电子部件和能源净化技术可以在能耗最小化方面发挥助力，无线装置可以工作数年而不用更换电池。
自组网络为无线现场网络提供了前所未有的高可靠性。 即使在工厂环境变化对现有传输路径带来干扰的情况下亦能可靠工作。
逐渐形成的行业标准――例如由ISA和HART通信基金会开发的标准――正在探讨关于无线现场网络的整合和长期兼容的问题。
 
 

与此同时，用户们都在孜孜以求从他们的操作中力争更大的生产率（和更小的成本）。 无线技术为他们提供了具有良好成本效益的方法――从附加过程测量到设备诊断到库存水平等等――来获取信息，为达成这些目标提供帮助。

下一节： 总结
 
总结
 
本课程对过程工业应用无线技术做了非常基本的介绍。 主要内容包括：
大多数无线技术以无线电波－－通常在ISM（工业、科学和医疗）频段――取代实物型的通信电缆。
针对不同应用的不同要求发展不同的技术，例如过程工业的远距离、工厂附近和工厂内应用。
应用的技术包括蜂窝技术、Wi-Fi 和自组网络技术。
无线技术并不取代有线HART或者基金会现场总线，而是作为补充。
无线技术的进步着手解决了以前存在的影响其发展的问题， 为那些在操作中应用无线技术的用户打开了一扇利益之门。
 
 

PlantWeb大学无线技术系列的其他课程中会更加详细地讲述这些概念，还会涉及到更多的概念。

下一节：测验
 
测验
 
下列问题将帮助您回顾在本课程中学到的知识。
每个问题都只有一个正确答案。每次正确回答一个问题，您会赢得一个宝贵的奖励点数。
准备好了吗？ 请点击下面的“＞”图标。
下一节：问题1
 
测验――问题1


在工业无线通信中，哪个频段最常应用？

  紫外线
 ISM 频段
20-20,000 Hz
都不是
正确！/对不起，正确答案是“ISM频段”。

工业、科学和医疗（ISM）无线频段最常应用于无线通信，包括用于工业用途。
 
在选择答案之后，点击“＞”图标继续。
 
测验――问题2

下面哪个无线技术适合用于远距离监测用途？

蓝牙
自组织网络
蜂窝技术
上面所有答案
正确！/ 对不起，正确答案是“蜂窝技术”.

蜂窝技术可以利用现有的电信设施，所以非常适合于长距离监测应用。蓝牙和自组网络技术用于更短的距离范围。
 
在选择答案之后，点击“＞”图标继续。
 
 
测验――问题3


下面叙述是否正确：在新工厂中，无线技术应当用于取代更老的有线技术方案，例如HART和基金会现场总线。

正确
错误
 
正确！/对不起，正确答案是“错误”。

这三项技术是互补的。有线HART和基金会现场总线在无线技术不适合使用的地方是理想的选择。
 
在选择答案之后，点击“＞”图标继续。
 
测验结果
 
问题编号

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