艾默生工业自动化（中国）

　　本课程包括：

　　1 概述

　　2 基本原理

　　3 网络构成部件

　　4 同步信息

　　5 优势

　　6 目标应用

　　7 总结

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　　概述

　　在当前众多适用于过程应用的无线现场网络技术当中，自组织网络乃是最具有发展前途的技术方案。

　　正如其名称所示，自组织网络是在动态过程中对自己的组态和通信进行管理，并根据需要自动做出变化以保证信息能够有效可靠地传达到其目的地。自组织网络易于安装，并易于在已有的网络中添加新的设备。

　　本课程对无线自组织网络做出一个概述――从网络如何进行工作的基本方面到与其它技术的对比优势(如果您没有学过关于“拓扑结构和网络构成部件”的课程，请您学习那篇课程以便更好地理解本文内容)。

　　在本课程末尾，您将会发现一篇简短的测验，帮助您确认学到的知识――并赢得宝贵的奖励点数。

　　提示：

　　在您阅读本课程内容的同时，请留意下面这些问题的答案：

　　信息如何通过自组织网络进行传播?

　　哪些因素决定网络中信息传输遵循的路径?

　　哪种信息同步方法更好一些，为什么?

　　自组织网络的重要优点有哪些?

　　下一节：基本原理

　　基本原理

　　自组织网络综合了有线网络的高可靠性和无线网络的灵活性以及低成本的优势。

　　有两个基本的概念决定了这种可能性：多通信路径和自动路径配置。

　　多通信路径。网络内的每个无线装置都同时作为附近其它设备的路由器，用来传递信号直到它们抵达目的地为止。这种能力提供了冗余的通信路径――同其它的要求在设备和网关之间具有直接视线路径的技术方案相比――也就因而具有了更高的可靠性。

　　自动通信路径配置。每当网络或其环境发生变化并对通信过程产生影响时，网络中的设备和网关会协同工作，为每条信息找到并适用最有效的路径――这条路径将优化数据的可靠性并使功耗降到最低。

　　这条路径可以随需要而变化。例如，当有卡车或脚手架挡住两个路由器之间的跳频的时候，路由器将找到替代路径来绕过障碍。

　　自组织网络技术的美妙之处在于这种重新配置是自动产生而无需手动干预――无论是当有新设备加入网络时，还是当发生障碍或是其它通信问题而需要改道发送信息的时候。

　　这个动画显示了自组织网络是如何在一个典型的工厂环境中工作的。

　　


在自组织网络的最简单的组态中，无线设备可以直接同网关进行通信。

　　
当您增加设备，扩展网络时，新设备将自动连接。

　　

当新设备不在网关的覆盖范围之内时…

　

　…他们的信息通过其它设备进行传递，直接到达主机。

　　
如果有物体中断了两个设备之间的通信…

　　

自组织网络可以识别问题，而且无需人工干预，即可自动沿着下一条最佳路径改道发送。

　　您也许已经注意到，在上面的插图中有些通信路径看来是要绕过或者通过障碍的。这是因为在某些条件下，无线电波在附近的表面经过反射之后，即使没有一条明显的视线路径也可以抵达下一个设备。信号还可以通过一些低密度材料，但是对于典型工厂内的钢筋水泥而言，这种可能性就比较少见了。无论在何种情况下，信号强度都会减弱，但是由于在典型的自组织网络中有如此之多的无线设备可供使用，通常来说会有另外一个设备，距离足够近从而能够捡起已经变弱的信号。

　　现在我们已经看到信息是如何抵达他们的目的地的了，再让我们看一下使这一切能够发生的各个网络构成部件的情况。

　　下一节：网络构成部件

　　网络构成部件

　　自组织网络有三个基本构成部件：

　　无线设备。无线设备包含一个传感器，用来获得测量数据;一个无线收发装置，来传达信息。除了作为网络中的终点设备以外，无线设备还同时作为其它设备的路由器来工作。 他们可以识别一个网络，加入网络，并自行组织成为通信路径。

　　网关。无线网关是一个电脑联网设备，为自组织网络中的设备和主机信息系统提供一个界面。它应该能够提供来自于无线网络的信息到现有主机系统的无缝整合。

　　主机信息系统。大多数用户通过主机信息系统来访问无线设备提供的信息。主机系统可能是一个控制系统、一台PLC、一个网络界面或者一个历史数据记录器等等。

　　关于自组织网络组件的更多信息，请参考关于网络构成部件的课程。

　　下一节：同步信息

　　同步信息

　　当所有的信息都在网络上的无线设备之间穿行的时候，就会产生一种“碰撞”的风险，即多条信息在同一时间里抵达某个设备或者网关。这时候信息就会被延误或者丢失。

　　为了防止这个问题的发生，自组织网络将通信过程进行同步。通过认真仔细的信息传输定时，潜在的碰撞就可以在他们发生之前避免。

　　同步信息有两种方法：CSMA(载波侦听多路访问)和 TDMA(时分多址)。

　　利用 CSMA 时，所有的网络设备都试图在同一时间内发送信息。 如果有两个信息发生碰撞，每台设备都会试图沿着另外的路径和/或者不同的时间来重新发送信息。

　　CSMA 的主要缺点是，网络越大，通信量也就越大，最终碰撞也就越多。在某些点上，几乎所有的网络通信都会包含信息的重新发送。

　　碰撞越多当然也就意味着需要越多的能量以便重新发送碰撞信息。有技术分析表明，基于 CSMA 的，由电池供电的网络当设备数量超过 50 时，就不能再增加了。

　　另一方面，对于 TDMA 来说，网络内的每个设备都确切知道它们会在什么时间，需要多久进行一次通信。任何需要发送到其它设备或者网关的信息都会处于被储存的状态，直到这个节点预定的通信时间到来。

　　由于每一条信息都有一个特定的时隙，并在这个期间穿越网络，所以不会有碰撞――和由碰撞引起的再发送的产生。

　　TDMA 网络还可以通过利用许多不同的频率进行操作以增加可靠性。如果某个频率处于繁忙状态，信息可以跳转到另外一个比较清闲的频率，这样可以避免干扰或者“堵塞”。(更多关于避免堵塞问题的信息，请参看关于“安全”的课程。)

　　由于 TDMA 网络的可靠性更高，信息等待时间更短，耗能也比 CSMA 更少――再加上可以自动探测新设备的能力――对于自组织网络来说，TDMA 无疑是正确的选择。

　　下一节：优势

　　优势

　　用户更喜欢自组织网络的几个原因，包括：

　　高可靠性

　　无需现场勘测

　　能量效率高

　　自行组网

　　安装容易

　　具有诊断功能

　　下面让我们仔细研究一下自组织网络的这些优点。

　　下一节：优点 – 高可靠性

　　优势-高可靠性

　　>99%的网络可靠性

　　网络可靠性指的是在设备和网关之间进行传递并最后实际到达目的地的信息的比例。通过这种方法， 可以衡量您能够获取来自于无线设备数据的能力。

　　自组织网络通常可以有超过 99% 的可靠性。 而在有些网络中由于不能产生可以由自组织网络提供的冗余通信路径，所以可靠性甚至低到只有44%。 比较一下这两个数据。

　　在点对点无线网络中，例如， 任何从设备到网关之间的通信路径的中断都会导致数据的损失。在工厂的环境中，潜在的中断威胁――从临时障碍像建筑设备到射频干扰等等都时常存在。

　　然而，当有这样的中断故障发生在自组织网络中时， 它只是会很简单地重新组织一下，然后通过另外一条路径或以不同的频率来进行通信。

　　即使没有一个单一的通信跳频可以提供高达 99% 的可靠性，通过经常性地选择能够提供当时最佳可靠性的路径，自组织网络也可以同样达到这么高的性能。

　　网关

　一个自组织网络――即使单条路径的可靠性低于 99%――仍然可创造可靠的路径来进行通信。

　　最妙的是，可靠性会随着网络的扩展而增加。这是因为更多的设备意味者更多潜在的通信路径，也就意味着为信息能够顺利抵达目的地所提供的保证越大。

　　下一节：优势 – 无需现场勘测

　　优势-无需现场勘测

　　现场勘测是指对您的工厂进行物理性检查，以便确定畅通无碍的视线路径，从而在网关和无线设备之间生成通信链路。勘测时还要分析潜在的链路带宽和速度，以及可能的干扰源。

　　现场勘测可能需要几百个小时之多，尤其当工厂的建筑、设备以及其它的障碍限制了通信路径的时候。这些时间太长了――时间意味着金钱。同时这种现场勘测仍然不能预测未来可能导致通信中断的状况。

　　但是利用自组织网络您不再需要费用高昂的现场勘测。事实上，所有您需要了解的，也就是网络可以支持的最多的无线设备数量，以及网关和路由器的信号覆盖范围而已。

　　如果某个设备的合理位置(譬如，需要贴近它的测量点)距离它的网关太远而不能直接通信，或者有什么物体对信号产生了干扰， 其它在信号范围内的设备可以将信息进行中转，以保证信息传输的连续性。

　　下一节：优势 – 能量效率高

　　优势-能量效率高

　　自组织网络同传统的点对点网络相比，能量效率更高。

　　例如，在点对点网络中，一个 1W 的无线信号可以覆盖的距离范围是 1，500米;而在一个自组织网络中，十个0.001W (1mW) 的设备就可以通过 150 米长的跳频达到同样的覆盖范围。

　　为什么会产生 100 比1的这么大的差别呢? 对于自组织网络而言，用不着利用一个单一设备“一路呼啸”着直到网关，只需“静悄悄”地从设备到设备进行传播，直到信号抵达目的地即可。

　　有些自组织网络还使用先进的能源管理功能来保存能量。 在这种方法中，无线设备不会持续处于通电状态。 当不需要发送信息的时候， 他们就会处于“睡眠”模式，通过对所有的电子部件断电来使耗电达到最少，直到设定的机制在预定的通信时间将设备“警醒”为止。 并且由于使用了有效的 TDMA 通信方式，“警醒”的时间短暂而高效。

　　能量效率高意味着电池可以持续更长的时间。 这一点十分重要，因为电池寿命对维护费用有很大的影响。

　　更多关于无线网络电源管理的内容，请参看电源管理的课程。

　　下一节：优势 – 自行组网

　　优势-自行组网

　　您无需告诉一个自组织网络如何将信息送达目的地，也无需担心当添加一个新设备的时候通信如何进行。

　　因为每当一个新设备加入网络的时候，网络便会自动进行调整――或自行组织――然后将新设备带入到网络中去。如果有设备或者通信路径失灵，那么信息会自动改变方向，通过网络内另外的设备进行传递。

　　而且，当加入一个新设备后产生了一条更好的路径，网络将重新组织以对其加以充分利用。

　　在效果方面，网络可以自动“治愈”自己，所以任何环境变化都不会阻止信息抵达它的目的地。

　　下一节：优势 – 安装容易

　　优势-安装容易

　　自组织网络很容易进行安装和管理――没有必要再进行复杂的计划或者费用不菲的现场勘测。所有您需要知道的无非是网络可以支持的无线设备的最大数量，以及设备和网关的无线信号的覆盖范围而已。只要每个设备或网关都至少处于另外一个的范围之内，您的网络就会可靠、有效地工作。

　　自组织网络还可以对应变化自动调整。即使刚刚安装完成，你也可以很简单地进行设备和网关的添加、移出、更换或者重新定位。

　　设备一旦完成安装，即会自动加入网络、自行组织，然后传输数据。

　　更多关于这个题目的内容，请参考课程关于自组织网络的计划和安装。

　　下一节：优势 – 具有诊断功能

　　优势-具有诊断功能

　　想象一下，您能否在同一时间内，不但通过无线网络接收测量数据，而且可以检修设备故障，还可以上传修改的软件?

　　您当然可以!基于新兴的、以无线方式访问HART信息之标准的自组织网络有望具备所有的这些能力。这个标准目前正在由 HART 通信基金会 (HCF) 的无线 HART 工作团队进行的开发之中。

　　利用无线技术的 HART 设备可以无线方式传达重要的故障诊断数据，例如设备或者过程的健康状况。 诊断信息也可以动态发送到其它的无线设备，所以相邻设备可以对失灵设备“报警”做出反应。

　　诊断数据的价值具有重要意义。例如，利用诊断数据可以从控制室通过安全设备来诊断仪器警报， 或者在维修车间就可以减少 60%以上典型的仪表巡检。

　　下一节：目标应用

　　目标应用

　　第一代自组织网络针对的是数据更新率在每数秒一次到每分钟一次的应用场合。这根有线技术方案有所不同，有线方案的更新率通常在十分之一秒左右。

　　在安全方面，自组织网络非常适合于典型的监测用途。例如，大多数工厂都有几百个――如果没有几千的话――测量点由人工来进行监测。 人工数据收集的时间常为每班、每天、每周、每月一次甚或根本没有，所以与此相比，每数秒一次的频率看上去和实时监测几乎没有什么两样。

　　自动化的无线监测还可以消除许多在手动数据收集中产生的错误，包括抄录板记录的误差，表盘式指示的不准确，以及手持式测量设备操作的可重复性较差等等。

　　这些网络还可以支持开环控制和某些形式的耐时间延迟控制。潜在的开环控制应用包括， 启动一台泵或者关闭一只手动切换阀等等，而进行这些动作的操作人员可能需要花费一个小时甚至更多的时间以获取合适的工作许可，或者来到现场来完成合适的控制动作。 在这种情况下，一分钟的数据更新率已经可以提供大量的响应时间了。

　　下一节：总结

　　总结

　　通过本课程您学到，自组织网络可靠、灵活、可升级，而且可以负担得起――这就是为何它日渐崛起，成为领先的厂内无线技术方案的原因了。

　　本课程的关键内容包括…

　　自组织网络为每一条信息都选用最有效的通信路径――并且根据需要自动更换路径。

　　自组织网络设备至设备的通信方式和自组织能力使它在计划、安装和扩展方面十分容易。

　　添加到网络内的设备数量越多，增加的通信路径也就使得网络越可靠。高达 99%的网络可靠性是很正常的。

　　更短的传输距离――以及某些网络中应用的先进电源管理技术――可以帮助延长设备电池寿命，并因此降低维护成本。

　　为了避免信息碰撞，TDMA 成为首选的同步方式。

　　支持新兴的无线 HART 标准的网络设备还可以传递诊断信息。

　　艾默生公司的优势

　　艾默生推出的智能无线技术方案包括了对自组织网络方方面面的支持。我们提供一整套网络部件，包括可以使用频道跳跃功能的无线设备和网关，TDMA 以及其它基于标准的通信技术――外加我们的智能电源 (SmartPower?) 带来的先进电源管理，可以使能量消耗最小化，从而延长电池寿命。我们的技术和产品种类繁多，可以为您提供完整的网络技术方案，包括由具有自组织网络经验的专业人员为您提供安装及技术支持服务等等。