工业控制中无线短程网和无线局域网的应用前景分析.ppt

1、工业控制中无线短程网和无线局域网的应用前景分析,2020/7/26,1,内 容 提 要,无线网络技术概述 为什么无线通信在工业中应用特别受到重视？ ISA SP100控制环境下无线系统的标准 无线通信网络的分类 无线局域网WLAN 无线短程网WPAN 现场设备层无线通信 结 束 语,2020/7/26,2,无线网络技术概述,2020/7/26,3,2020/7/26,4,目前市场上近距离无线通信产品层出不穷，广泛应用的还是蓝牙(Bluetooth)，红外(IrDA) 和无线局域网802.11（Wi-Fi）。同时还有一些具有发展潜力的近距离无线技术标准，它们分别是：zigbee、超宽频（Ultr

2、aWideBand）、短距离通信（NFC）、WiMedia、GPS、无线139和专用无线系统等。它们都有各自立足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求；但没有一种技术完美到可以满足所有的要求。,概述,2020/7/26,5,蓝牙技术,Wi-Fi技术,红外线接口-IrDA技术,Zigbee技术,NFC技术,UWB技术,2020/7/26,6,几种无线网络比较,HOME,为什么无线通信在工业中的应用特别受到重视？,2020/7/26,7,为什么无线通信在工业应用特别受到重视？,工业发达国家和新兴崛起国家为提高其产品在全球市场的竞争力，都力求在提高生产率的同时，降低包括能源消耗、原材料消耗和

3、劳务成本。对于发达国家来讲，其劳务成本远远高于新兴崛起国家，因此特别重视促进创新和技术进步，采用新的技术手段。在这场竞争日益激烈的比赛中，无线通信技术在工业中的推广应用受到了特殊的重视，显然是基于这样的大背景。 在工业环境下任何地点均能安装使用的智能无线传感器及其网络，具有足够的可靠性和自治处理能力，将为各种生产装置配备实时共享的数据采集能力，从而为提高生产率，改善产品质量，降低成本发挥重要作用。,2020/7/26,8,Invensys的无线网络业应用策略,2020/7/26,9,室内,室外,专用无线网络,数据传输率,功耗,成本/复杂度,工业应用无线传输的优势,无线传输的优势表现在：极大降低

4、安装成本、持续降低运行维护成本，更换方便，便于升级，减少接插件故障，移动自由且不受限制，投运快速，可以实际利用MEMS（微机电系统）技术。 美国能源部的研究估计，无线传感器网络会为工业现场节能10%和降低排放或泄漏15%提供良好手段。 应充分利用无线通信，开发适当无线产品和系统，为实现我国“十一五”规划的节能降耗目标建功立业。,2020/7/26,10,无线通信网络的工业应用正在发展,无线的工业应用当前出现的新动态是使用高速、无须申请频率许可证、低价的技术。 无线通信距离与具体应用强烈相关，一般大致在150毫米至80公里。,2020/7/26,11,当前影响无线网络应用的主要障碍,当前影响无线

5、系统广泛应用的主要障碍是：如何克服工业环境对无线传输的影响和无线技术目前发展的状态尚难以满足工业应用的要求。 工业环境对无线通信的挑战有： 工作环境温度由-40C+70C； 高湿度（当温度为40C湿度 95%时不结露）； 本质安全防爆要求； 固定设备和移动设备对无线传输路径的影响（衰变、中断和发生各种各样的缺陷，诸如频散、多径时延、干扰、与频率有关的衰减，节点休眠、节点隐蔽和与安全有关的问题）。,2020/7/26,12,HOME,控制中无线系统的标准ISA SP100,2020/7/26,13,美国ISA SP100标准委员会正在加紧制定工业环境下实现无线系统的标准，推荐实践指南、技术报告和

6、相关的信息。着重在三方面制定标准：运用无线技术的环境， 无线通信设备和系统技术的生命周期， 无线技术的应用。主要面向现场仪表和设备。 在SP 100标委会下设五个主要的分标委会： 射频物理学基础 可互操作性 用户要求 用户指南 集成,2020/7/26,14,面 向 成 功 的 SP 100,SP 100力求在现有相关标准的基础上，能在一个较短的时间内取得符合要求的结果。 SP 100尽可能应用下列标准并有所提高： ISA SP 99信息安全 IEEE 1451智能传感器 FIPS 140-2信息安全 ISO/OSI 网络可连接的7层模型 SP 100力争促进 新技术的发展应用 无线网络的节点

7、合理部署 从业人员和公司相互间的交流,2020/7/26,15,SP100规定的五类应用（1）,2020/7/26,16,SP100规定的五类应用（5）,2020/7/26,17,实际对这些类别（不包括0类）的应用需求，大致是按以下的比例 1：2：4：10：10 第四、五类应用是大量的 状态监控振动，温度/压力 性能监控热交换，环境，机械性能,用于工业无线网络的最紧要的要求,2020/7/26,18,现场设备级无线网络的要求(1/6),2020/7/26,19,成本目标 = (有线) + 不致增加任何维护成本,现场设备级无线网络的要求(2/6),2020/7/26,20,底层结构支持不同供货商

8、提供的设备, 而不致干扰现有的无线设备,现场设备级无线网络的要求(3/6),2020/7/26,21,像有线数字通信网络一样可提供和支持闭环控制,现场设备级无线网络的要求(4/6),2020/7/26,22,保持信息安全的过程具有智能特性,现场设备级无线网络的要求(5/6),2020/7/26,23,必须支持现场设备的无线就地接入,现场设备级无线网络的要求(6/6),2020/7/26,24,信息时间性的重要程度,HOME,无 线 通 信 网 络 的 分 类,2020/7/26,25,无线通信网络的分类,无线通信网络按传输距离可分为： 城际网（WMAN） 局域网（WLAN） 个人网（短程网，W

9、PAN） 无线通信网络的标准 城际网（IEEE 802.20， IEEE 802.16） 局域网（IEEE 802.11） 短程网（IEEE 802.15）,2020/7/26,26,IEEE 802标准的无线空间,2020/7/26,27,正在发展的一些无线传输的标准,ZigBee/IEEE 802.15.4 特长的电池寿命 很适合工业自动化，家用电器，传感器网络 超宽带（UWB，IEEE 802.15.3a 和802.15.4a） 美国FCC开放一无须申请的自由宽带频率范围3.1- 10.6GHz 无射频载波，低成本，低功耗，非直线传输 在低传输速率模式，可用于一个重要的工业市场： 位置感

10、知（在2厘米-20米范围内） WiMax（IEEE 802.16，Intel 提出） 适于住宅区/经营性建筑的长距离（ 1km）射频链接 较高数据传输率（在一个20MHz的信道约70Mbps） 也可用于大型工业部署 今年将有商品问世,2020/7/26,28,（1）提供广泛的多媒体通信服务：能够实现电信级的多媒体通信服务,支持语音、视频和Internet。运行于10GHz到66GHz频谱之上.（2）传输距离远、数据传输速率高：在信息传播方式上，WiMAX技术借助无线基站进行数据传输。当频宽为20MHz时，数据传输速率最高可以达到75Mbit/s，是3G所能提供的宽带速度的30倍，目前实际应用时

11、每3.5MHz载波可传输净速率为18Mbit/s，频率利用系数高。高达50km的覆盖范围，只要建设少数基站就能实现全城覆盖，无线网络的应用范围大大扩展。 （3）服务质量（QoS）机制完善、数据安全性更高.,2020/7/26,29,WiMAX/802.16技术优势,WiMAX（World Interoperability for Microwave Access）全称为全球微波接入互操作性，是基于IEEE802.16标准的无线城域网技术。WiMAX组织从2001年开始制定标准，并对芯片、设备进行认证，规模经济使成本下降成为可能，WiMAX的应用领域也随之扩大。 现在WiMAX组织包括芯片制造商

12、（例如英特尔）、设备供应商（例如阿尔卡特）、电信运营商（例如BT英国电信），产业链已经十分完整。目前全球有众多的实验网络，已推出集成移动WiMAX芯片的讯驰芯片组。WiMAX的规模应用为期不远。 更快、更远、更便宜，就是WINMAX的特点,2020/7/26,30,什么是WiMAX技术-1,WiMAX技术的突出特点是比WiFi具有更远的覆盖半径。WiFi主要是解决100米内的无线接入问题，是属于WLAN（无线局域网）的范畴。WiFi在开阔地带最远可以达到300米，在室内一般有效覆盖范围在100米以内。而WiMAX最远可以达到50公里的覆盖范围，属于无线城域网（WMAN）的范畴，其典型应用的覆盖

13、范围是610公里。相比3G提供小于2M的带宽，WiMAX可以提供70M独立带宽，并且基站的覆盖范围是3G基站的10倍。因此有人认为WiMAX将取代3G，成为下一代通讯的主流技术。 在此基础上WiMAX组织开发了802.16a，其工作的频段要比802.16低，主要工作在211G的频段范围，信号绕过障碍的能力得到提高，目前已经可以支持非视距传输，意味着在基站和客户端之间可以有树木或者建筑物的阻挡，WiMAX的应用领域被拓宽。 针对802.16a不具备移动性能的问题，WiMAX在此基础上制定了802.16e标准。按照802.16e标准，手持PDA步行或者使用移动计算设备，无线连接也不会中断。因此Wi

14、MAX具有了移动性能。,2020/7/26,31,什么是WiMAX技术-2,IEEE 802.16又称为IEEE Wireless MAN空中接口标准，是适用于2-66 GHz的空中接口规范。由于它所规定的无线接入系统覆盖范围可达50km，因此802.16系统主要应用于城域网，被视为可与DSL竞争的“最后一公里” 宽带接入解决方案。 根据使用频段高低的不同，802.16系统可分为应用于视距和非视距两种，其中使用2-11GHz频段的系统应用于非视距范围，而使用 10-66GHz频段的系统应用于视距范围。 根据是否支持移动特性，IEEE 802.16标准系列又可分为固定宽带无线接入空中接口标准和移

15、动宽带无线接入空中接口标准，其中的802.16、802.16a、802.16d属于固定无线接入空中接口标准，而802.16e属于移动宽带无线接入空中接口标准。,2020/7/26,32,IEEE 802.16-IEEE Wireless MAN空中接口标准,IEEE 802.20标准为基于IP 的移动宽带无线接入技术而制定，结合已经提出的移动数据通信技术标准(如GPRS、3G 等)，将形成移动宽带无线接入比较完整的标准体系结构。 2002 年3 月根据Cisco、Flarion、HP和Nextel 等厂商提出的建议，IEEE 协会决定在IEEE 802.16工作组内成立专门的移动宽带无线接入(

16、MBWA)研究小组；2002 年7 月，形成IEEE 802.16和MBWA 两个独立的工作组，并达成协议，各自针对不同的市场，同时MBWA 工作组执行委员会研究小组(ECSG )成立；2002年11月，IEEE 802.20和IEEE 802.16e工作组宣告成立。,2020/7/26,33,IEEE 802.20标准-1,高通公司声表示，2008年将在其CDMA2000方式的手机芯片组中嵌入IEEE802.20收发功能。“IEEE802.20从一开始就瞄准了手机。从抗电波干扰特性和高速移动时的接收等方面来说，具有移动WiMAX所无法比拟的优势。准备与移动WiMAX进行彻底决战”。 IEEE

17、 802.20也称为MBWA(Mobile Broadband Wireless Access，移动宽带无线访问)，旨在向时速超过100km的高速移动物体提供高速无线互联网服务。比如，使用20MHz带宽时最大数据传输速度据称超过了260Mbit/秒。 计划在 3.5GHz下许可频段工作。,2020/7/26,34,IEEE 802.20标准-2,2004年11月第一个基于认知无线电的无线标准IEEE 802.22工作组成立，目的在于解决运营在广播电视频段的感知无线广域接入网络技术。 认知无线电（CR）是针对频谱利用率不高的解决方案。其特点是根据实时感知环境，灵活、高效、可靠地利用频谱资源。这样

18、认知无线电就具备了在已授权频段内，智能利用“空洞频谱”而不干扰其它授权用户的能力。 IEEE 802.22系统和其它的IEEE 802的标准相比，是针对无线区域网的。覆盖范围半径最大可达100km，在目前4W的有效全向辐射功率（EIRP）条件下，覆盖面积的半径也达到 33km。这样802.22系统的覆盖面积就是当今最大的一个系统。,2020/7/26,35,IEEE 802.22标准-1,传统上频谱被划分成很多小块，然后分配给不同的应用。比如535 - 1065 KHz是分配给短波广播的，54-72 MHz, 76-88 MHz, 174-216 MHz, 512-608 MHz以及614-6

19、98 MHz是分配给无线电视的，等等。,2020/7/26,36,如果我们可以把这些没有充分利用的频谱重新利用起来，所谓的频谱短缺问题起码又可以消失一段时间了。这个802.22协议就是设计出来专门利用无线电视空闲频谱的。也就是说，802.22专门找出电视暂时不用的频段，然后充分利用它。这个协议和别的无线协议不同的地方在于，别的协议工作的频谱段都是事先分配好的，所以设备在工作的时候一开始就调谐到这个频段就可以了。但是802.22协议是利用“别人”的空闲频谱，那么它可以工作的频段完全取决于别人的使用。,IEEE 802.22标准-2,全称为3rd Generation，中文含义就是指第三代数字通信

20、。1995年问世的第一代模拟制式手机（1G）只能进行语音通话；1996到1997年出现的第二代GSM、TDMA等数字制式手机（2G）便增加了接收数据的功能，如接受电子邮件或网页；第三代与前两代的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够在全球范围内更好地实现无缝漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps（兆比特每秒）、384kbps（千比特每秒）以及144kbps的传输速度。

21、 相对第一代模拟制式手机(1G)和第二代GSM、TDMA等数字手机(2G)，3G通信的名称繁多，国际电联规定为“IMT-2000”（国际移动电话2000）标准，欧洲的电信业巨头们则称其为“UMTS”通用移动通信系统。,2020/7/26,37,3G简介,国际电信联盟（ITU） 在2000年5月确定WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大主流无线接口标准，写入3G技术指导性文2000年国际移动通讯计划（简称IMT2000）。 CDMA是Code Division Multiple Access (码分多址)的缩写，是第三代移动通信系统的技术基础。第一代移动通信系统采用频分多址(FDMA

22、)的模拟调制方式，这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。第二代移动通信系统主要采用时分多址(TDMA)的数字调制方式。,2020/7/26,38,CDMA 将话音转换为数字信号,给每个数字话音分组增加一个地址,进行扰码处理,并且将它发射到空中.CDMA最大的优点就是相同的带宽下可以容纳更多的呼叫. CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。,3G的标准,下面分别介绍一下3G的几种标准：,全称为Wideband CDMA，也称为CDMA Direct Spread，意为宽频分码多重存取，这是基于GS

23、M网发展出来的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术，它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同，目前正在进一步融合。 这套系统能够架设在现有的GSM网络上，对于系统提供商而言可以较轻易地过渡，而GSM系统相当普及的亚洲对这套新技术的接受度预料会相当高。因此WCDMA具有先天的市场优势。 该标准提出了GSM(2G)-GPRS-EDGE-WCDMA(3G)的演进策略。GPRS是General Packet Radio Service (通用分组无线业务)的简称，EDGE是Enhanced Data rate for GSM Evolution (增强数据速率的GSM演进)的简称，这两种技术被称为

24、2.5代移动通信技术。,2020/7/26,39,3G的标准之一： W-CDMA,CDMA2000是由窄带CDMA(CDMA IS95)技术发展而来的宽带CDMA技术，由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、Lucent和后来加入的韩国三星都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。 这套系统是从窄频CDMAOne数字标准衍生出来的，可以从原有的CDMAOne结构直接升级到3G，建设成本低廉。但目前使用CDMA的地区只有日、韩和北美，所以CDMA2000的支持者不如W-CDMA多。不过CDMA2000的研发技术却是目前各标准中进度最快的，许多3G手机已经率先面世。 该标准提出了从CDMA IS95(

25、2G)-CDMA20001x-CDMA20003x(3G)的演进策略。CDMA20001x被称为2.5代移动通信技术。CDMA20003x与CDMA20001x的主要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提高。目前中国联通正在采用这一方案向3G过渡，并已建成了CDMA IS95网络。,2020/7/26,40,3G的标准之二： CDMA2000,全称为Time Division -Synchronous CDMA(时分同步CDMA)，该标准是由中国大陆独自制定的3G标准，1999年6月29日，中国原邮电部电信科学技术研究院（大唐电信）向ITU提出。 该标准将智能无线、同步CDMA和软

26、件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势。另外，由于中国内的庞大的市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TDSCDMA标准。 该标准提出不经过2.5代的中间环节，直接向3G过渡，非常适用于GSM系统向3G升级。,2020/7/26,41,3G的标准之三： TD-SCDMA,WiMAX 的全名是微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，又称为80216无线城域网，是又一种为企业和家庭用户提供“最后一英里”的宽带无线连接

27、方案。将此技术与需要授权或免授权的微波设备相结合之后，由于成本较低，将扩大宽带无线市场，改善企业与服务供应商的认知度。2007年10月19日，在国际电信联盟在日内瓦举行的无线通信全体会议上，经过多数国家投票通过，WiMAX正式被批准成为继WCDMA、CDMA2000和TDSCDMA之后的第四个全球3G标准,2020/7/26,42,3G的标准之四： WiMAX,用于工业的无线传输网络,近些年来，无线传输网络成为工控领域中正在迅速发展的技术热点之一，也是被不少工业自动化供应厂商看好的一种新的增长点。 发展重点主要集中在无线局域网和无线短程网。 一如以往所有的IT技术移植到工控应用中来所采取的方法

28、一样，基础是IT行业的各种无线传输标准。但充分考虑在这种专门应用中的特别要求，开发适应这些特别要求的技术、规范、标准和行规。,2020/7/26,43,适应不同无线传输要求而发展的标准和技术,2020/7/26,44,2020/7/26,45,无 线 网 络 标 准 的 比 较,无线局域网WLAN标准,WLAN标准IEEE 802.11系列还在发展中，已完成的有:,2020/7/26,46,OFDM(OrthogondFreguencyDivisionMultiplexing，正交频分复用)技术是在严重电磁干扰的通信环境下保证数据稳定、完整传的技术，OFDM的原理是通信信号按90度的相位作频分

29、，于是当某个信道波形过零点时相邻信道的波形恰好是幅值的最大值。这种多路并行的传送模式不仅能有效利用频谱资源，还保证了信道间的波形不会因外来的干扰而交叠，串扰。,工业无线局域网WLAN的要求,工业WLAN具有与企业办公和家庭应用环境不同的要求。这些要求可归纳为： 严格的延迟要求。 确定性性能的保证 支持大量的设备挂网，并支持挂网的设备数量可变化。 网络安全的保证。 网络投用的保证。,2020/7/26,47,工业无线局域网WLAN的要求,严格的延迟要求： 用于现场设备要求延迟不大于10ms，用于运动控制不大于1ms，对于周期性的控制通信，使延迟时间的波动减至最小也是很重要的指标。 确定性性能的保

30、证： 保证确定性是对任务执行有严苛保证的工业通信系统必备的特性。即使设备处于漫游状态也有此要求，否则会丧失实时性能。 支持大量设备挂网，并容许挂网设备的数量可变化：工业WLAN的接入点约为数百个的数量级。若节点过多和接入的节点数有变化，有可能导致IEEE 802.11的MAC协议层效率太低。 网络安全的保证：满足安全保密法规是工业WLAN的基本要求。包括对黑客接入点的检测和保护的前提条件。 网络投用的保证：由于运行故障是不可接受的，因此对于有几百个设备节点的WLAN来讲要求网络具有自投用功能，并能执行无线规划和辅助节点位置调查。,2020/7/26,48,短 程 无 线 网 络 的 标 准,IEEE 802.15 WPAN工作组负责制定无线个人网WPAN的通信标准。 IEEE 802.15下面有4个分标准： 802.15.1为BlueTeeth（蓝牙）， 802.15.2为共存性 802.15.3为高数据传输率的WPAN， 802.15.4为低数据传输率的WPAN。 802.15.1、802.15.2和802.15.4均正式公布。 802.15.3工作组因两个草案投票军未超过75%，已宣布解散。,2020/7/26,49,HOME,现场设备层无