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标题PlantWeb大学：无线技术的选择
技术领域运动控制
行业
简介· 概述 · 距离范围和数据吞吐量 · 红外线 · 蓝牙技术 · Zigbee 技术 · 自组织网络 · Wi-Fi 技术 · 射频识别技术（RFID） · 实时定位服务（RTLS） · 微波存取全球互通技术（WiMax） · 大功率900MHz 无线通信 · 蜂窝技术 · 卫星 · 评估标准 · 在过程自动化领域有发展前途的技术 · 总结
内容 　　1  概述

　　无线技术持续快速发展。今天已经有一系列各式各样的无线技术可供选择， 从蓝牙技术到Wi－Fi 到自组织网络、卫星、蜂窝技术，等等，不一而足。

　　然而，能够适合于过程自动化信息通信的无线技术，仅有几种而已。 在对无线技术应用的要求中，安全性和可靠性尤为突出，而且，大多数工厂的“钢铁之谷”都会带来在办公和居住环境下少见的挑战。 同时，网络的升级和成本也是其中需要着重考虑的方面。

　　即使在过程工业范围内，不同的应用具有不同的要求，例如在发射范围、输出量和能源效率方面，这就要求有不同的无线技术来满足这些要求。 也就是说，技术是否正确，部分取决于应用。

　　2  距离范围和处理能力

　　为了帮助理解哪种无线技术最适合于不同的应用，我们从每种技术的相对距离范围和数据吞吐量方面加以探讨。

　　距离范围。 每种短程技术的无线通信链路都大致在100米或低于100米的范围之内。 有些短程技术可以通过多种链接的使用来覆盖更长的距离范围。 通过将短程无线技术和其他的有线或无线技术结合使用，总发送距离也可以达到延长的目的。

　　数据吞吐量。数据吞吐量类似于数据频率的概念，但是通常不包括通信协议中使用的“附加”位。数据吞吐量是一个很好的工具，可以用来判断无线网络的真实性能和工作效率——当然吞吐量越大越好。

　　不管您期望短覆盖范围高数据率，还是长覆盖范围低数据率，还是中间的某一种状态，大概您都能找到一种方案来满足要求。

　　2.1  常见的无线技术

　　红外线

　　红外线（IR）技术不是新事物。 事实上， 您可能每天都在使用它——大多数的遥控器都使用这种技术，例如电视、VCR、VCD 播放器等等。

　　与其他无线技术不同，红外线技术利用光射线来传送数据。 这种单向的信号传输距离非常之短，大致会少于25英尺，并且要求在发送器和接收器之间目视可见。 红外线不能穿透墙壁或其他实体障碍。

　　红外线的传输速度相对较慢。例如， 虽然许多电脑和打印机有红外连接以便可以无线打印，仍然很少有人喜欢这种方法，因为比起有线连接来它实在是太慢了。

　　数据传输速度太低，要求视线连接，发射范围有限，对于大多数的过程自动化通信而言，这些都是红外技术显而易见的缺点。

　　蓝牙技术

　　蓝牙技术用于体型较小、便宜、短程的无线收发设备，例如电话、耳机、个人电脑、个人数字助理（PDA）等等。当蓝牙设备处于另外一台同样设备的覆盖范围之内的时候，它们就可以在个人局域网络（PAN）或 piconet 内自动地进行电子通信以分享数据。

　　每个蓝牙个人域网络都可以容纳最多8台设备，每个设备都可以同时属于几个个人域网络。 随着蓝牙设备进入和离开覆盖的范围，个人域网络可以自动地、动态地实现。

　　蓝牙通信工作于ISM频段内的2.4GHz， 支持高达721Kbps的数据发送速度。 虽然蓝牙技术规范在设备功率足够大的时候允许高达100米的通信范围，但是较常见的范围都在1～10米以内。

　　蓝牙技术的优点在于它的无线、自动和便宜的特点，所以它很适用于办公室应用。 但是它有限的覆盖范围和较低的可靠性决定了它很难用于工业自动化用途。

　　ZigBee 技术

　　ZigBee 是一种通信协议，设计用于小型、低价、省电的数字无线设备的低数据率应用，例如建筑自动化，医疗设备和嵌入式传感器等等。

　　ZigBee 技术用于建筑和办公自动化领域十分理想，但在过程自动化应用方面仍有缺陷。

　　频率  ZigBee对每一个网络只使用一个单一的频道。在每一台设备的安装之前，都要求进行现场评估，以便确定一个畅通无碍的频道。 频率单一意味着频道阻塞或其他干扰会瘫痪整个网络。 唯一避免干扰的方法是重新勘测现场，然后重新为设备设定程序以利用其他不同的可用频道。

　　功率  虽然有些ZigBee设备可以使用一块碱性电池支撑一到两年的时间，实际的网络耗电要求却复杂得多。这是因为ZigBee网络应用两种类型的设备：精简功能设备和全功能设备。

　　· 精简功能设备是一种低功率发送接受网络节点，但是它能同全功能设备进行“对话”。

　　· 全功能设备在网络中起到路由器的作用，功耗也不低。 通常这种设备由有线电源供电，所以放置的地点限于电源方便的地方。 虽然ZigBee允许全功能设备用电池供电，但是电池寿命并未经实践考验，可能仅可维持数月。

　　在工业场合要增加一个新设备来扩展ZigBee网络更加困难，这是因为全功能设备的位置（和可用功率）需要十分仔细地加以谋划， 以便为附加的精简功能设备提供支持。

　　自组织网络

　　同样基于IEEE 802.15.4协议，自组织网络对他们的组态和通信进行动态管理，以保证信息可以有效可靠地抵达目的地。
　　每台网络中的设备都同时作为相邻设备的路由器，所以假若由于距离和障碍的原因一台设备不能 同网关进行通信，那么它的信号将由一台或多台无线设备通过到主机系统的开放通路进行传送。这就大大地提高了网络的可靠性。

　　由于信号可以通过设备－设备－设备的路径（称作“多跳频”）进行传递，所以在信号源到目的地之间不要求有视线路径，所以也就没有费用昂贵的场地勘测或评估的必要了。

　　多跳频技术还可以克服自组织网络中低功率设备的发射范围有限的缺点。自组织网络中的信号用不着“一路呼啸”着从信号源发射到目的站，只需“静悄悄”地从设备发射到设备直到一路传递到网关即可。 

　　同ZigBee技术也不同， 自组织网络中的所有设备均可作为其他设备的路由器（或“全功能”设备），因此扩展容易。新的授权设备可以被自动识别并添加到网络中。有些供应商还随着自组织网络技术方案同时提供先进的电源管理和安全功能措施。

　　自组织网络有了这些能力， 便成为许多工厂内过程自动化应用的可靠选择。

　　Wi-Fi 技术

　　Wi-Fi 技术广泛应用于为办公室、家庭和其他公共网络“热点”，提供无线连接。

　　Wi-Fi技术建立在无线局域网的标准家族IEEE802.11之上。 事实上， Wi-Fi和802.11这两个术语经常互换使用。 Wi-Fi 的不同版本，例如802.11a, 802.11b 和802.11g 可以提供不同的范围、速度和成本组合。

　　有些Wi-Fi 设备可以以接近于有线连接的速度来传输数据，传输的距离通常为大约100米。取决于设备和条件的不同，传输距离可以更大。 同其他无线信号相比， Wi-Fi 信号可以根据材料的密度和信号强度的不同，穿越墙壁和其他的实体物理障碍。

　　由于Wi-Fi技术基于开放式标准，鼓励设备到平台之间的互操作性，所以在市场上也越来越流行。而 众多Wi-Fi 开发商和制造商之间的竞争，使得耐用、易用而廉价的产品大量出现。

　　最后，Wi-Fi技术还作出了巨大的努力，来推出保护信号传输的安全措施（例如加密技术）。

　　在过程工业应用中，Wi-Fi技术用于覆盖低功率短距离设备之间的距离十分理想，这些设备常用于无线现场网络、控制室或其他的数据收集点， 例如您可以利用Wi-Fi 将来自于自组织网络的网关的数据整合到主机系统中去，如DCS，PLC，或历史数据记录器等等。

　　Wi-Fi还可以用于为移动状态的工作人员提供访问过程控制网络的途径，包括关键过程信息、历史数据、图形和其他的关键功能，等等。

　　射频识别技术（RUID）

　　RFID使用一种利用独特的信息进行电子编程的小型射频应答器（称为射频标签）。然后这个数据可以从一定距离之外进行阅读。这种技术的一个常见的应用是“收费电子标签”，这种标签允许司机无需每次停车缴费即可通过收费点；还可以应用于库存跟踪应用。 有些标签甚至可以更新，例如当产品离开装配线的时候进行的标签更新。

　　RFID可能在跟踪工厂设备或大量产品方面十分有用。 但是您不可能为管道中流动的东西来加上标签。 而且，由于FRID信息是静态的，必须经过编程变成标签形式，所以不能用于经常变化的测量或诊断数据。

　　实时定位服务（RTLS）

　　实时定位服务（RTLS）将位置跟踪功能同已有的802.11(Wi-Fi)无线网络结合起来，实现对移动工作人员、工厂设备和其它有价值的资源进行定位。

　　实时定位服务系统可以进行实时位置的图形显示，对象包括无线设备、笔记本电脑、PDA，或任何其他携带有RTLS Wi-Fi 标签的人或物品。 系统可以根据当前的标签位置来更新数据库，更新频率可以高达数秒每次，也可以对那些甚少移动的物体每数小时一次。 更新频率可以影响到配置标签的数量和电池寿命。典型的应用系统可以同时跟踪多达数千个标签，平均标签电池寿命可以达到5年或更长。

　　RTLS 具有相当的潜在应用价值。 例如带有RTLS标签的设备在安装或周转期间可以更容易地被发现位置。 处于移动状态的工作人员也可以很快进行定位，有利于进行更有效的工作安排，或作为应急响应系统的一部分。

　　2.2  长距离无线技术

　　全球微波接入互操作性（WiMax）

　　WiMax 是Worldwide interoperability for Microwave Access (全球微波接入互操作性)的缩写，设计用于城市大小的区域内的无线网络。 它可以将Wi-Fi热点相互之间以及同因特网之间进行连接，为硬线电缆或DSL提供一种替代方法，支持家庭或企业和网络访问点之间“最后一哩”的连接。

　　基于城域网（MANs）的IEEE 802.16规范，WiMax 使用的频率在从2～11GHz的范围之间，提供高数据吞吐量（高达75Mbps）。低频传输不易被物理障碍打断，而且如果功率合适，覆盖范围可以延长到50公里（30英里）。

　　在过程工业中，这种新兴技术可能比较适合于长距离链接并提供无线网络的主干和整个工厂范围内的数据访问。

　　大功率900MHz无线信号

　　无线通信已经广泛用于油气工业领域。因为在这些领域内，为许多偏僻地区提供硬线通信连接难于操作且费用高昂。

　　大功率900MHz无线信号在适应SCADA（监控与数据采集系统）的远距离（10～20英里）和相对较窄的带宽方面有着比较长久和成功的历史记录。这种状况一时之间难以改变。

　　然而需要改变的是这些通信应用中的数据类型。特别是，随着有些领域的技术开始成熟，企业可以利用设备的诊断和其他信息来提高他们的生产设备的生产能力。 由于在这些应用中的I/O接口数量较少，额外的数据不应对900MHz频带在带宽方面的局限性带来较大的挑战。

　　蜂窝技术

　　当我们在网络“蜂房”中旅行时， 蜂窝技术将我们的电话自动地从一个发射塔传递到另外一个发射塔，从而完成移动通信。

　　蜂窝设备供应商们通过增加网络发射塔和其他的基础设施来支持移动电话人数的快速增加。其结果是，最后即使在许多偏远的地区也被蜂窝网络覆盖，并提供了同其他电信网络的良好连接。

　　这就使得蜂窝技术成为一个从遥远地区进行过程自动化数据收集的不错的选择。这种方法比起派人工进行手动数据收集来说，可要划算多了。

　　然而，蜂窝技术之间仍有不同，其中一些要比另外一些更加适合与过程工业的应用。例如，全球移动通信系统（GSM）应用广泛，它的通用分组无线业务（GPRS）也是无线数据传输的良好选择。 GPRS是通过将数字数据包裹在GSM移动电话的数字化语音信号之上分层进行发送的。

　　GSM/GPRS是全球大多数地区包括欧洲、亚洲和非洲都使用的蜂窝技术。在全球范围内，大约今天有70％或以上的移动电话用户使用的是GSM/GPRS技术。 这些网络利用TDMA(时分多址)，通过交互频率和预定时隙来传输数字语音和数据。

　　在美国以及美洲某些其他国家里，CDMA(码分多址)作为一种富有竞争力的蜂窝技术而被采用。同TDMA相反，CDMA技术将加密的语音和数据在同一时间内通过整个指定的频谱进行发送。

　　卫星用于对地理上分布较远的资产进行监控的另外一项选择，是卫星技术。 然而对许多应用来说，卫星技术和蜂窝技术相比有很大的缺点。 例如，卫星数据传输比蜂窝方式传输费用要昂贵得多。 卫星信号收发装置同竞争性技术，例如移动电话相比，由于他们的信号必须被传送到地球轨道上的卫星，所以体型要较大一些，要求的功率也较大。 而且由于卫星通信技术未被广泛采用，所以它不能提供同蜂窝技术一样的规模经济。

　　卫星技术缺乏标准，这就增加了同其他系统或相同技术的未来版本整合上的技术风险。

　　总体而言， 卫星通信应留给专门的窄带应用， 例如海上油气平台、海事操作，以及地理上孤立、蜂窝网络难以覆盖的地区的移动资产追踪，等等。

　　2.3  评估标准

　　虽然您已经看到有些无线技术并不适用于过程自动化的应用，但是也有些可以。那么到底您应该选择哪一种呢？

　　答案是：“看具体情况而定”。 没有一种技术可以满足所有的应用。而且，您应该为您的特定的应用制定可以成功的标准，然后对每种技术的能力进行评估，使之达到您的标准。

　　下面是您在评估中需要考滤的一些问题：

　　哪种无线技术最适合于整合到我的主机系统或数据管理系统？

　　无线设备之间的最大距离是多少？

　　我需要哪种层次的安全措施？

　　多高的数据吞吐量水平是必需的？
　
　　网络可靠性有多重要？

　　有可用的网络电源吗？ 如果没有，我需要多长时间更换一次电池呢？

　　工厂内有哪些种类的障碍和干扰？

　　工厂里还支持和使用哪些其他无线技术？

　　要采用的无线技术可以同现有的仪表设备和装置，例如现有的HART仪表很好地协调工作吗？

　　无线网络的扩展和保持技术方便吗？

　　有开放式标准和具有丰富专业知识的设备供应商来支持这项技术吗？

　　这对我的应用是最划算的技术吗？

　　2.4  在过程自动化领域大有前途的技术

　　虽然无线技术方案例如大功率900-MHz 无线信号已经在油气行业应用多年，一些更新的无线技术仍然有希望在这一类过程工业中继续取得进展。

　　自组织网络对低成本工厂内部监控以及获取来自于智能设备的诊断信息而言是一个理想的选择。这些网络在计划、安装以及扩展方面非常容易，具有内在的可靠性而且升级能力较高。

　　Wi-Fi 技术可以将来自于工厂内的低功率、短距离的无线设备的数据传输到中央数据收集点，并允许移动工作人员获取工厂信息。这种设计完善、基于标准的技术可靠、耐用而且价格适中。
 
　　蜂窝技术－特指GSM/GPRS技术－对于远离工厂的数据来源等应用，例如监测远距离意外的储存罐内的库存等，是一个很好的技术方案。 这种通信方式的基础设施早已就位。

　　Wi-Max 可以适用于远距离通信链路并可以提供整个工厂内的无线网络主干和数据访问。 RTLS可以连续跟踪工作人员和设备的位置，在提供更有效的维护、操作以及改善安全方面颇具潜力。

　　3  总结

　　虽然如今的市场上各种无线技术丰富多彩， 它们的能力却是千差万别的。 对于过程自动化应用而言，有些技术比其他 技术更加适用，但是没有哪种单独的技术方案可以适合于各种情况。所以，要选择哪种技术需要您自己来决定，根据标准哪种技术可以在应用中获得成功，那就是正确的技术。