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彭瑜
（1938－）
男，湖南長沙人，教授級高級工程師，上海工業自動化儀表研究所，1960年畢業于清華大學動力系，長期從事工業過程控制系統的研究開發工作，1993年獲國務院特殊津貼，現任中國自動化學會儀表與裝置專業委員會常務委員，上海市自動化學會常務理事，中國儀器儀表學會專家委員會委員。
關注工業自動化一定會關注無線通信在工業廣泛領域的應用前景。而無線通信涉及的技術極其廣泛和復雜。其中，由于無線傳感器網絡是工業測量控制的基礎性技術，所以才引起了眾多科技工作者持久的研究開發熱情。本文想就這方面的應用進展和相關標準的開發作一概述。文中引用的材料一部分來源于有關的自動化網站，一部分來源于一些國際性自動化技術協會如HART通信基金會的內部文件。當然，經過作者的消化、整理和理解，不免帶有作者自己在近些年在此領域做了一些研究之后形成的看法和傾向。
1 無線通信在工業中的應用聚焦于無線短程網的發展
進入二十一世紀以來，無線傳感器網絡已成為工業發達國家科研開發的一個熱點。無線傳感器及其網絡的發展，估計至少將會帶來10%的生產效率改善和減少25%的排放或泄漏。具有足夠的可靠性和自治處理能力、又能在工業環境下任何地點安裝使用的智能無線傳感器及其網絡，將為各種生產裝置配備實時共享的數據采集能力，從而為提高生產率、改善產品質量、降低成本發揮重要作用。
無線系統以電磁波作為傳輸介質，避免了有線系統安裝成本高、維護成本高、價格不斷上升、接插件的故障率高、查找接插件的故障困難等限制，提供了低成本、靈活性和使用方便等競爭優勢。一些具有前向思維的企業洞察工業無線系統的巨大潛力，對此給予極大關注。而現場儀表和傳感器的無線傳輸表現出諸如安裝和維護成本低、更換方便、便于升級、減少接插件故障、移動自由且不受限制、投運快速，可以實際利用MEMS（微機電系統）技術等前所未有的優勢，更成為當前最受重視的領域之一。
對于無線的工業應用，當前出現的新動態是使用高傳輸率、無須申請頻率許可證、低價的技術。無線通信距離與具體應用（工廠自動化、過程自動化和SCADA系統）強烈相關，一般大致在150毫米至80公里。當前影響無線系統廣泛應用的主要障礙是：工業環境和無線技術的狀態。工業環境對無線通信的挑戰有：工作環境溫度由-40℃—+70℃；高濕度（當溫度為40℃濕度 95%時不結露）；本質安全防爆要求；固定設備和移動設備對無線傳輸路徑的影響（衰變、中斷和發生各種各樣的缺陷，諸如頻散、多徑時延、干擾、與頻率有關的衰減，節點休眠、節點隱蔽和與安全有關的問題）等。
無線傳輸進入工業控制領域的趨勢無可置疑。估計再過四、五年，即2010年前，從技術的角度講大多數儀表和自動化產品都可以嵌入無線傳輸的功能。由于無線現場儀表的優點一定要體現在就地長期供電（如電池、太陽能電池等），也即形成數據傳輸無線、電源供給無線的全無線網絡。從這個意義上講，在高速控制的場合要實現足夠低功耗高可靠的無線傳輸是相當困難的，因而至少在相當的時間內不適合應用。但是實踐證明，對大多數監控和慢速控制場合，它足夠可靠；也就是說可以用在將近80%的自動化和過程控制場合。在過程控制和制造自動化領域，無線傳輸目前主要用于設備資產管理和狀態監測（維護），而基本上不考慮應用于生產運行的實時控制。如果說有所應用，也是使用于相當慢的過程中緩慢變化的參數（如溫度控制和一部分流量控制）。或者是用于測量可通過無線、控制則由操作人員決策而非自動的閉環控制場合，如行車、起重機。這主要基于以下兩方面的考慮：無線傳輸的信號在接收過程中存在漏碼或丟包、衰減和阻塞，以及射頻干擾。
在現有的無線傳輸技術中，紅外線傳輸不能繞過障礙物，應用面窄；藍牙技術傳輸距離太短、功耗及成本還不夠低、開發較復雜，都限制了它的推廣應用；無線局域網IEEE 802.11/Wi-Fi技術就其本質而言，目前尚屬于無線接入技術，要構成Mesh拓樸和自組織網絡尚需時日。唯有問世3—4年的IEEE 802.15.4短程無線傳輸技術，才真正具備低成本、低功耗、高可靠性、組網方便簡捷的綜合優勢，是受到普遍重視的無線短程網絡，也是當前無線傳感器網絡的首選技術。基于IEEE 802.15.4的無線傳輸協議，是一種按短距離的監控和控制要求而設計的通信技術。它采用2.4GHz頻道，可實現包括點對點、星型、網狀等多種拓撲結構，在低信號噪聲比的環境下其位誤碼率達到10-9，提供由芯片實現AES-128加密算法，且組網方便，功耗又低。其核心技術包括：①實現網狀拓撲結構的組網技術，即自組織（ad hoc）網絡技術，特別是考慮到實用情況下的路由優化。②保證在工業環境下無線信息傳輸的安全性和可靠性及全網自適應跳頻。③在保證數據傳輸的質量的前提下，實現全網運行的低功耗。
無線傳感器網絡（WSN）是指一類為傳感器、執行器和控制器之間提供冗余、容錯的無線連接的嵌入式通信產品。目前WSN正處在發展階段，遠未成熟。打上WSN標簽的產品除了能提供冗余、容錯的無線連接外，還有遠遠超過傳統的點對點的解決方案的特性：自組網、低功耗和低安裝成本，等等。WSN具有自組織(self-organizing)和自愈(self-healing)智能，因此當WSN中的任意節點發生故障，或從網絡中退出，WSN會將這個別節點從網絡中隔開，并另行建立數據傳輸的路由，保證高度的傳輸可靠性。理想的WSN中每個節點都能實現低功耗，獨立供電；能適應環境的變化，能以零維護保證長期穩定工作。
2 ISA SP100—自動化和控制環境下實現無線系統的標準
美國儀表系統和自動化學會的ISA SP100標準委員會正在加緊制定自動化和控制環境下實現無線通信系統的標準，推薦實踐指南、技術報告和相關的信息。標準主要面向現場儀表和設備。著重在三方面予以規范：①運用無線技術的環境， ②無線通信設備和系統技術的生命周期， ③無線技術的應用。
SP100將在工業自動化和控制環境中的無線應用劃分為監控、控制和安全應用三大類，有細分為六小類（見表1）。這種分類既考慮無線通信在實際使用條件下必須滿足的要求，又體現了這些無線通信應用的時間屬性。
* 屬于監控的第5類應用，是指不產生直接操作結果的數據和消息，譬如歷史數據的采集，為預防性維護而必須進行的周期性采集的數據，事件順序記錄數據的上傳（這類似于文件傳遞，不能因通信類型而發生數據丟失，但又非像控制信號那樣必須考慮時間性），其它的上裝和下載。
* 屬于監控的第4類應用，是指通過無線傳輸那些只在短時間內產生操作結果的數據和消息，例如基于事件的維護而必須采集的數據，為測試需要而發往現場的限界動作所產生的臨時而短暫的結果，無線設備上的電壓低限指示器所產生的告知更換電池的信號等等。
* 第3類開環控制是指在回路中還有人在起著作用，例如操作人員手動啟動一個信號裝置且注視著這個裝置，遠程指導開啟一個安全門，操作人員執行手動調節泵/閥門等。
* 第2類閉環監督控制，通常并非關鍵部位，如不頻繁的串級控制，多變量控制、優化控制所形成的設定值等。
* 第1類閉環調節控制，一般均為關鍵回路，如現場執行器的直接控制，頻繁的串級控制等。
* 第0類恒為關鍵的緊急行動，包括安全聯鎖，緊急停車，自動消防控制等。
表1 SP100在工業自動化和控制環境中的六類無線應用：
至于通過無線通信傳輸的報警信號，也根據具體應用場合分屬以上由0類至5類。例如：0類報警是指那些具有自動響應的、致命有毒氣體的泄漏檢測器信號（如對污染的自動響應）；1類報警是指具有自動響應的、對流程狀態會帶來高度（見圖1）影響的信號（如自動停止反應的停車信號）；2類報警是指對流程狀態自動響應的信號（如要對某種參與反應的流體做分流處理）；3類報警是指對流程狀態作手動啟動的操作響應的信號（如由操作人員判斷是否分流至另一并行的反應器）；4類報警是指有關設備狀態的報警，以通知維護人員在短時間內到達現場；5類報警指那些有關設備狀態的報警，要求維護人員采取長期維護的動作。 表2 無線通信系統在工業環境下應用應達到的各種要求： 表3給出無線系統應達到的成本分解說明。將所有這些有關成本應達到的要求概括起來，就是無線系統的成本目標 是 有線系統的二分之一，并且不致增加任何維護成本。 表4給出無線系統應達到的兼容性和規模可擴可縮目標。概括起來說就是無線系統的底層結構應支持不同供貨商提供的無線現場設備，即采用世界通用的無線頻帶（如2.4GHz），每個無線網絡可有100個路由中繼節點，容納1000個無線現場設備而不致干擾現有的無線設備，與支持其它無線通信協議的設備具有共存性。 表5把無線通信的性能要求分別用通信可靠、反應速率、適于閉環控制和在現場支持點對點的控制這4項來表述。總的來說，把這些具體的要求歸結為一句話，那就是：在工業環境下采用無線通信應該做到像有線數字通信網絡那樣可提供和支持閉環控制。 表6是關于無線系統的信息安全的要求。一言以蔽之，就是要保持信息安全的過程具有智能特性，以保證網絡安全和消息傳送安全。表7是要保證現場設備以無線方式進行就地接入。表8是無線系統應達到的服務質量QoS分類，按所傳送的信號性質分別要求服務質量為立即、按預定時間傳送、可等待一定時間傳送和高吞吐量數據。 3 正在制定中的SP100.和11SP 100.14 Emerson的智能無線解決方案是世界上第一個將自組織網絡技術用于工業應用的示范工程。過去三年中，在北美和歐洲幾個現場試驗的結果證實，其數據傳輸的可靠性在99%以上，而安裝成本比同等的有線方案要低90%。該無線系統的規模可大可小，最小為5個節點，而最多可達100,000個。按支持符合SP100規定的第1至第5類應用設計，目前已經過現場實際考驗的應用為第3至第5類，即開環控制類和監控類。Emerson 公司的 SmartPowerTM創新，保證無線設備所用電池壽命因實際應用場合不同可達5至15年。在信息安全方面，Emerson宣稱使用了加密、授權、驗證、抗感染和密鑰管理等技術 ，并經第三方安全專家的認可，足以保證穩妥可靠的信息安全。該系統可以用在各種流程制造業，包括煉油、石化、化工、制漿和造紙以及水和廢水處理等，也可用在石油和天然氣采集、輸油或輸氣管線及生產平臺的遠程監控。 這里還要指出，網格拓撲時間同步協議TSMP解決了網絡所有的構成節點共享發送、接收和休眠的精確時間同步。在對電池功耗有嚴格要求的場合（如無線傳感器網絡WSN），這是十分關鍵的。只有全部節點的同步喚醒和同步休眠，才能實現電池的長壽命。TSMP與其它WSN所用的信標策略不同，它考慮到信標策略會要求偵聽窗口長時間投入工作，從而消耗電池的功率，所以不在每個數據幀的起始處設一同步信標，代之以TSMP節點保持一個精確的時間讀出，還要通過與相鄰節點交換補償信息來保證同步。這個補償值與標準的ACK確認消息一起傳送，因此沒有額外的時間和功率開銷。這一共同的時間讀出信號保證網絡具備了許多優點：帶寬可預先配置，確保了極可靠的發送和自干擾為零；發送節點在每次發送時可有效地改變頻率，而接收節點可保持鎖步；以可預見和有條理的方法來調節帶寬的增減，以適應數據流的突增或突減。
英國石油公司（BP）在經過相當規模和許多不同的應用場合的無線通信試驗后其負責主持試驗的CTO指出：實際對這些類別（不包括0類）的應用需求，大致是按以下的比例 1：2：4：10：10（見圖1）。這就是說，第四、五類應用是大量的，如隊狀態（振動，溫度/壓力）監控；性能（熱交換，環境狀態、機械運行狀態）監控。第三類應用（開環控制）也有需求。至于第二類和慢速第一類應用，將隨著用戶不斷取得經驗，在對傳輸延遲、信息安全和穩健性（robustness）等有更好了解之后，而逐漸有所應用 ，以利于更多地引導對此類應用的要求。
SP 100 還對無線通信在工業環境下的應用就成本、兼容性和系統的可擴可縮、性能、信息安全現場設備的就地接入，以及服務質量等作了明確規定（見表2）。
圖1 實際對這些類別（不包括0類）的應用需求（據BP的首席技術管）
表3 相對于有線系統來講，無線系統應達到的成本分解說明：
表4 無線系統應達到的兼容性和規模可擴可縮分解說明：
在這里，共存性是無線通信特有的一個問題。由于在空間中可以任意傳輸頻率不同、協議不同的各種各樣的無線電波，且難以受控，所以就回避不了讓它們共存于同一空間，但又要保證彼此間均能正常傳輸的問題。圖2示出在相同2.4GHz頻帶的IEEE 802.11b和IEEE 802.15.4的共存性問題可以通過如下方法解決，即選用802.15.4的15#頻道（正好處于802.11b的1#頻道和6#頻道之間）、20#頻道（正好處于802.11b的6#頻道和11#頻道之間）、25#頻道和26#頻道來避開802.11b的工作頻帶。須知802.11b的發射功率為802.15.4的30倍。不采用這種方法恐怕很難解決。
表5 相對于有線系統來講，無線系統應達到的性能分解說明：
圖2 IEEE 802.11b和IEEE 802.15.4的共存性概念
表6 相對于有線系統來講，無線系統應達到的信息安全分解說明：
表7 相對于有線系統來講，無線系統應達到的就地接入說明：
表8 無線系統應達到的服務質量QoS分類：
除上所述而外，SP 100標委會還成立了專注于低功率無線傳感器設備的標準化的SP100.14工作組和專注于高帶寬無線基礎設備和骨干網的標準化的SP100.11工作組。2006年9月份前曾廣泛向全世界征求上述標準的草案。先后提出草案的有：AnalogDevices, Adaptive Instruments, ANI, Apprion, Certicom, Crossbow, Dust Networks, Emerson, GE Global Reseach, Machine Talker, Nanotron, Newtrax, OMNEX, Oak Ridge National Laboratories, Sensicast, Siemens, ST, Texas Instruments, Honeywell,和日本橫河 等。我國的中國科學院沈陽自動化所也提出過方案。由于在這么多草案中有許多非常相近，于是相同或相近的方案便組成了一個小組。大致形成了4個小組，分別由幾個主流供應商牽頭。
WNSIA（Wireless Networks for Secure Industrial Applications, 安全工業應用的無線網絡）組。其方案是基于802.11 Mesh路由的主干網和以星形拓撲為路由通信的無線傳感器的組合，這兩種通信均采用TDMA（時分多路存取）調度方案。在其方案中無線傳感器采用了專用的射頻協議，特別是在2.4GHz采用窄帶跳頻，遭到有關共存性和可互操作性的質疑。WNSIA以Honeywell為主，參加的有： E+H，日本橫河，Flowserve, Omnex Cortrols。
Emerson/Dust 組提出的是基于Dust的網格拓撲時間同步協議TSMP（Time Synchronized Mesh Protocol）的全網格無線傳感器解決方案。該協議工作于IEEE 802.15.4 的2.4GHz物理層，并規定所有的通信均納入TDMA的時間槽。通信調度集中控制，所以任意一種環境變化或傳感器就地的變化，都要求進行新的調度計算，并由網絡協調服務器向所有節點傳播。本方案是所有提出的方案中唯一的全網格結構的方案，完全不用星形、樹形或簇狀樹形拓撲。
Sensicast/STG/GE 方案與前述Dust的方案基本相同，差異僅僅在于將集中計算的工作分散由各個路由節點去完成。系統組建為簇狀樹形拓撲，每個路由節點以樹形拓撲與網絡協調器節點（也起網關作用）通信。終端節點與路由節點以星形拓撲通信，時間槽由路由節點分散指定。GE 把公司的信息安全模型揉進了這個提案，并不要求在使用時為依附于任何已提出的信息安全標準付許可證費用。
Siemens 方案提出星形拓撲的性能與網格拓撲的多樣性和靈活性結合起來。由于方案不夠具體，尚不得而知如何解決兩種拓撲的性能如何能夠在一個網絡中協調統一。
上述4種方案有以下共同點：IEEE 802.15.4 的2.4GHz物理層和MAC層；自適應跳頻（AdaptiveFrequency Hopping, AFH）；幾乎所有方案都包括TDMA 單元；同時包含 TDMA和CSMA/CA時，折衷出現在IEEE 802.15.4 的MAC層，用GTS（有保證的時間槽）來支持AFH，在預先規定的時間槽通信后提供一個短爭用周期；尚未出現占優勢的安全和授權結構，有明顯技術品質的建議需要取得IP 的許可證，而無需許可的技術又不能覆蓋安全授權的所有特征。
4 無線短程網的工業應用獲得重大突破
在積極制定工業自動化環境下無線網絡標準的同時，開發和完善滿足SP 100要求的無線短程網的協議及其在實用條件下的驗證工作也一直在大力地推進著。事實上，早在SP100標準工作啟動之前，ABB 公司在2003年就開始了在無線網絡運用于開環控制和閉環控制的工廠試驗；BP 公司也從2004年起在化工產品鐵路槽車的遠程信息處理、大型運油船引擎的振動溫度等參數的監控、油氣管線的腐蝕檢測、潤滑油供應鏈、液化天然氣罐遠程監控、油氣管線侵入者檢測報警、液化天然氣容器跟蹤以及煉油過程的無線測量平臺等多個不同的應用場合進行了許多工業實驗。Emerson Process Management 在2006年第四季度宣布，在歷經三年對多種無線傳輸技術的評估和工業應用實驗后，正式決定采用Dust Networks的網格拓撲時間同步協議TSMP技術，作為其工廠智能無線現場網絡和解決方案。這一創新的自組織無線網絡技術的采用，使它的著名品牌Rosemountú飭勘淥推骱虯TMTM智能設備管理程序和預測維護套件實現了無線通信的能力，并完全與DeltaVTM 和Ovationǖ腄CS 產品系列或其它傳統主機構成無縫連接。圖3示出該公司的三級無線網絡架構：現場網絡（IEEE 802.15.4 和無線HART）、控制網絡（IEEE 802.11和IEEE 802.16，即WiMax）和工廠局域網（IEEE 802.11和IEEE 802.16）。
圖3 Emerson Process Management的三級無線網絡架構
此外，Emerson還與設備制造商、用戶和工業協會組織一起，積極支持SP100的標準和HART通信基金會有關無線HART規范制定。并承諾一旦這些標準正式發布后，所推出的無線系統可以非常方便地升級，使之完全符合標準。
由圖4中的例子我們便可明白，為什么自組織無線網絡的可靠性大于99%：若通道AB的傳輸可靠性為65%、通道AC的傳輸可靠性為40%、通道AD的傳輸可靠性為85%，盡管全都低于99％，但是在任何需要的時刻，由A發至網關的數據通道會以大于99%的概率加以傳輸。
圖4 自組織無線網絡的可靠性分析
重要的是TSMP節點只有3種工作狀態：1）向相鄰節點發送消息；2）偵聽處在發送狀態的相鄰節點；3）與嵌入的傳感器或處理器構成接口。對其它的所有時間而言，該節點處于休眠狀態，功耗極低。我們知道，無線設備的功率有95%是在發射和接收時耗掉的。TSMP毫無例外地而且是主動地讓網絡中所有的節點（包括那些為相鄰節點作消息傳遞接力的節點，即所謂的路由節點）的占空比都只有1%，這就是解決網絡的所有節點全部由電池供電，并且還能達到長壽命的實際方法。
5 后記
鑒于篇幅所限，無法將無線HART規范的進展詳細列入，至于這幾年相當火熱的ZigBee為什么不爭取作為SP100.11和SP100.14標準的一個競爭者，這也許說明ZigBee聯盟的自知之明。顯然，對于工業應用來講ZigBee規范還有缺陷。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號