无线局域网在工业控制中的应用

摘要:本文介绍了无线局域网技术在工业自动化设备中的应用,着重描述了系统配置及控制功能。
关键词: 无线局域网 通讯网络 通讯协议IEEE 802.11b无线网络标准
一、 前言
在工业自动化领域,有成千上万的感应器,检测器, PLC,读卡器,或其他设备，互相连接形成一个控制网络，作为信息系统内管理数据的工具。通常这些设备提供的通信接口是RS-232，如何使现有的设备可立即联网使用呢？一个经济、快速的解决方案，利用无线局域网技术连接工业自动化设备！新型的无线局域网设备能隔离型信号转换器，将工业设备的串口RS-232信号与无线局域网及以太网络信号相互转换，符合无线局域网IEEE 802.11b和以太网络IEEE 802.3标准，支持标准的TCP/IP网络通信协议，有效的扩展了工业设备的联网通信能力；使工业设备立即联网，并且，固定的工业设备成为可以自由移动的无线网络终端！并且是一个点对点的界面，限制设备和计算机之间的传输距离只能为15米。为了克服这个限制，许多用户使用这种转换器,将其设备连到工业RS-422或RS-485网络。利用无线局域网组建自动化工业网络，相比之下具有有线固定网络无法比拟的优势：无线网络拓扑更适合工业网络应用；支持RS-232工业设备点到点的连接；支持广播的拓扑，多个RS-232工业设备组成对等网络，相互通信 (RS-232通信协议无法支持多点通信)；客户机/服务器的拓扑，每个RS-232工业设备都可以方便、快捷的接入无线网络中，极大的提高了信息处理能力；无需布线，省却施工的麻烦无线局域网利用无线电波传输数据信号，适合于难于布线的环境中搭建数据传输网络；在工业现场，铺设的线缆容易受到频繁的触碰损坏，无线网络保证了网络的安全性；覆盖范围广无线局域网在开放空间覆盖半径达550米，室内一般覆盖半径为300-400米，通过室外无线设备传输距离可以达到几十公里。主要应用：远程视频传输；门禁/考勤管理系统；安防管理系统；生产设备联网自动化；电信/光纤网络监控；医疗/实验仪器联网自动化；工业/流程联网控管；组网灵活、迅速无线局域网组网的基本组件为无线访问点AP和客户端无线设备。一般情况下，无线网络的搭建只需要不到半天时间，非常方便快捷。
二、 无线局域网的协议标准介绍
IEEE802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入。业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2Mb/s。IEEE802.11委员会提出的无线局域网协议体系如图1所示。IEEE802.11只规定了开放式系统互联参考模型（OSI/RM）的物理层和介质访问子层（MAC），其MAC层利用载波监听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）协议，而在物理层，IEEE802.11定义了三种不同的物理介质：红外线、跳频扩展频谱方式（FHSS）以及直接序列扩展频谱方式（DSSS）。由于IEEE802.11在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，IEEE小组又相继推出了IEEE802.11b和IEEE802.11a两个新标准。三者之间技术上的主要差别在于MAC层和物理层。
IEEE802.11b物理层支持5.5Mb/s和11Mb/s两个新速率，并且使用动态速率漂移，可因环境变化，在11Mb/s、5.5Mb/s、2Mb/s、1Mb/s之间切换，且在2Mb/s、1Mb/s速率时与IEEE802.11兼容。
IEEE802.11a工作的工作频段为5GHz，物理层速率可达54Mb/s。采用正交频分复用（OFDM）的扩展频谱技术，可提供25Mb/s的无线ATM接口和10Mb/s的以太网无线帧结构接口，以及TDD/TDMA的空中接口，支持语音、数据、图像业务。
下面主要介绍IEEE 802.11b无线网络标准。
1． 无线局域网的物理层
无线局域网同传统有线局域网的区别，表现在物理层上就是无线局域网一般用无线电作为传输介质，而不是传统的电缆。对于IEEE 802.11b无线局域网，有三种可选物理层：跳频扩频（FHSS）物理层、直接序列扩频（DSSS）物理层和红外线（IR）物理层。物理层的选择取决于实际应用的要求。跳频扩频和直接序列扩频是通信技术中两种常用的扩展频谱技术，用以提高无线信道的利用率和数据通信的安全性。目前大多数基于IEEE 802.11b的无线局域网产品的物理层介质工作在2.4000~2.4835GHz的无线射频频段（ISM频段），采用直接序列扩展频谱技术以提供高达11Mbps的数据传输速率。
2． 无线局域网的MAC协议
原则上讲，无线局域网的MAC协议和有线局域网的MAC协议并无本质上的区别。然而，由于无线传输媒体固有的特性以及移动性的影响，无线局域网的MAC协议不能沿用原有的局域网协议。例如，IEEE 802.3的MAC层采用CSMA/CD来使各个不同的站点共享同一物理信道。而实现CSMA/CD的一个重要前提是，各站点能够非常容易地实现冲突检测功能。在有线局域网（如以太网）的情况下，可根据检测电缆线上直流分量的变化容易地实现冲突检测。然而在使用无线传输媒体时，由于以下的原因，很难实现冲突检测。
1） 冲突检测的能力要求各站能同时发送（发送自己的信号）和接收（决定其他站的传输是否干扰自己的传输），这将增加信道的花费。
2） 更重要的是，由于隐藏终端问题的存在，即使一个站有冲突检测的能力，并已经在发送时检测到冲突，在接收端仍然会有冲突发生。
鉴于以上原因，无线局域网协议标准IEEE 802.11b采用了一种具有冲突避免的载波监听多路访问（CSMA/CA）协议实现无线信道的共享。
　　一种简单的CSMA/CA可实现如下：在数据包传输之前，无线设备将先进行监听，看是否有其他无线设备正在传输。若传输正在进行，该设备将等待一段随机决定的时间，然后再监听，若没有其他设备正在使用介质，该设备开始传输数据；因为很有可能在一个设备传输数据的同时，另一个设备也开始传输数据，为了避免此类冲突造成的数据丢失，接收设备检测所收到的分组的CRC，如果正确，则向发送设备传输一个确认信息（acknowledgement）以指示没有冲突发生。否则，发送设备将重复上述CSMA/CA过程。
　　为了使两个无线设备同时进行传输（这将导致冲突）的可能性减到最小，802.11设计者使用称为发送请求/清除以发送（RTS/CTS）的机制。例如：若数据到达无线节点指定的无线访问点（AP），该AP将给那个无线节点发送一个RTS帧，请求一定量的时间向它传输数据，无线节点将用CTS帧进行回应，表示它将阻止任何其他的通信，直到AP发送完数据为止。其他无线节点也能听到正在发生的数据传输，并把它们的传输延迟到那段时间之后。在这种方式下，数据在节点之间进行传递时，由设备导致的在介质上产生冲突的可能性最小。这种传输机制同时解决了无线局域网中的隐藏终端问题。
为了确保数据在传输中不丢失，CSMA/CA还引入了确认（ACK）机制，接收者在收到数据后，向发送单元发一个确认通知ACK。若发送者没有收到ACK，表明数据丢失，将再次传输该数据。
3．无线局域网实时性性能分析
IEEE 802.11b无线局域网标准在媒体访问控制层采用CSMA/CA协议以实现无线信道的共享。在网络负荷较轻的情况下，发生冲突的机会很少，再加上一些无线网络产品采取了一些附加的措施，甚至可以完全避免冲突的发生。如Wi-LAN的无线产品AWE 120-24无线网络桥接器利用动态时间分配轮询的方式：当有多个无线远端设备要与基站通信时，基站会根据远端站的ID依次询问各个远端站是否有数据要发送，如果有数据要发送，就给其分配时间片，如果没有，则会继续向下询问，周而复始。这里的所谓动态轮询是指用户可以设置基站的轮询方式，对于非活动站减少对其询问的次数，这样可以保证时间片不会被浪费。动态时间分配轮询技术完全避免了冲突的发生，可以获得比CSMA/CA更好的实时性。这使得无线技术在工业控制网络中的应用成为可能。
三、无线技术在工控网络中的一种应用方案
在对安全性和可靠性要求十分高的领域中，SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)是最主要的、最有发展前途的复杂动态系统自动控制方法。依据监控原理，可以为能源、交通、航空和军事等领域建立自动系统。SCADA 是收集远程站点和对象的实时数据，以对其进行处理、分析和控制的过程。将必要的信息和数据传送到中央操作界面的短时性对实时处理提出要求。而且，“实时”这个概念对于不同的SCADA系统含义也不同。早期，SCADA系统的原型是遥测和信号传输系统。目前，几乎所有的SCADA系统都包括以下三部分。
1. Remote Terminal Unit (RTU) ―― 远程终端。用于进行实时控制；
2. Master Terminal Unit (MTU) ――主控中心。通常进行半实时（quasi-real time）数据处理和高层控制 ；
3. Communication system (CS) ――通讯系统。将数据从远程站点或对象传输给中央操作界面，把控制信号传输给RTU或远程对象（依据系统的具体运行而定）
通过使用基于无线技术的网络化智能传感器，结合目前市场上出现的各种基于IEEE 802.11b的无线局域网网桥，就可以实现无线局域网技术在工业控制网络中的一种应用方案。如图4所示。在这里，无线局域网网桥用作无线访问点（AP），基于无线技术的网络化智能传感器采集现场数据、处理，并以TCP/IP协议对数据进行打包，通过无线链路发送到AP，由于无线链路和有线以太网高层均采用TCP/IP协议，且低层协议对高层协议是透明的，就实现了无线网络和有线网络的无缝连接。通过Internet，就可以实现远程监控。当4-20 mA信号简化无线通讯，取代使用基于以太网策略或现场总线实现无线通讯，将无线通讯集中到设备层，接受4-20 mA信号后，反馈到无线电通讯的另一端。因为这仅仅是4-20 mA数据，因此不需要程序或协议，不需要一个总线系统，它可以使用任何数字或模拟信号，仅需要直接将变送器连接到你想要测量的器件。工作方式为点对点，它仅仅是无线多路器多点中的一个。
四、结束语
无线局域网技术能够在工厂环境下，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构。在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足，进一步完善了工业控制网络的通信性能。随着微电子技术的不断发展，各种无线模块体积越来越小，价格越来越便宜，智能现场设备集成无线模块将更加方便、灵活。无线局域网技术将在工业控制网络中发挥越来越大的作用。