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e 引言 无线通 信 技 木 o f I n dus t r i a J W i r e l e s s Co mmun i c a t i o n [ 编者按]以感知和智能为特征的新技术的出现和相互融合，使得未来信 息技术的发展由人类信息主导的互联网向物与物互联信息主导的物联网 转变，对工业生产与管理主要的影响体现在信息和智能的泛在化。 面向工业自动化的物联网是工业现场级的传感器网络、面向物流管理的 R F I D 网络、工厂控制网络和企业信息I n t e r n e t 网络的集成与融合，是未来 制造 环境 中实 现人 与人 、人与机器、机器与机器之间信息交互的主要手 段。 经过 “ 十五”、 “ 十一五”的发展，我国在工业信息化方面取得了丰硕 的成果，E P A 、WIA 等一系列自主技术已经成为国际标准，为我国进一步 发展面向工业自动化的物联网打下了坚实的基础。我们将通过本专题向 大家介绍我国工业物联网技术和应用的最新研究进展，相信通过大家对 这个专题的关注会加速物联网技术在各个行业的应用，推动我国工业物 联网产业 的跨越式发展。 第二十章 Wl A无线网络 1] PL C控制系统互联方法研究 Cha p t e r 2 0 Re s e a r c h o n Se a ml e s s I nt e g r a t i on O f W I A W i r e l e s s Ne t wor k a nd PLC Co n t r o l S y s t e m 黄 月 魏 茂强 1 ． 本溪市机 电工程学校 ，本溪市1 1 7 0 2 2 2 ． 中同科学 院沈 阳自动化研究所 ，沈 阳市1 1 0 0 1 6 Hu a ng Y ue We i Ma o q i a n g 1 ． Be n x i E l e c t r o me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S c h o o l ， Be n x i 1 1 0 0 1 6 2 ． S h e n y a n g I n s t i t u t e o f Au t o ma t i o n ， C h i n e s e Ac a d e my o f S c i e n c e s ， S h e n y a n g l 1 0 0 1 6 【 摘 要】工业无线WI A 标准是面向工业自动化应用的无线网络技术标准体系，是获得国际认可的三大工 业无线标准之 一。基于WI A 标准的工业无线技 术适合在恶劣的工业 现场环境下使用 ，具有抗 干 扰、低功耗 以及使用灵活 、方便等技术特点。本文 介绍了实 现WIA 无线网络 I] P L C控制系统 的互 联方法．为WI A 无线技术的推广提供了一种新的途径。 【 关键词l WIA 工业无线技术P L C 无缝连接 Ab s t r a c t T h e s t a n d a r d o f i n d u s t r i a l wi r e l e s s W I A，wh i c h i s o ne o f t h e t h r e e i n d u s t r i a l wi r e l e s s s t a n d a r d s i n t e r n a t i o n a l r e c o g n i z e d ， i s t h e s t a n d a r d s y s t e m o f wi r e l e s s n e t wo r k t e c h n o l o g y f o r i n d u s t r i a l a u t o ma t i o n ． I n d u s t r i a l wi r e l e s s t e c h n o l o g y b a s e d o n W 1 A h a s s o me c h a r a c t e r s s u i t e d f o r b e i n g u s e d i n t h e i n d u s t ria l fi e l d e n v i r o n me n t ， s u c h a s a n t i i n t e r f e r e n c e c a p a c i t y ， l o w p o we r c o n s u mp t i o n a n d e a s i n e s s o f u s e ． Th e r e a l i z a t i o n o f s e a m l e s s i n t e g r a t i o n o f W I A wi r e l e s s n e tw o r k a n d P L C c o n t r o l s y s t e m i s i n t r o d u c e d ， wh i c h p r o v i d e s a n e w wa y t o p r o mo t e W I A wi r e l e s s t e c hn ol o gy ． Ke y wo r ds W I A I n du s t r i a l W i r e l e s s T e c hn ol o gy PLC S e a ml e s s I n t e g r a t i on 工业无线技术是一种本世纪初新兴的 ，面向设 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 1 3 作者简介 黄 月， 1 9 6 4 一 ， 女， 辽宁省 本溪市机 电工程学校讲师 。 魏 茂强， 1 9 8 5 一 ， 男， 中国科 学院沈阳 自动化 所工业信息 学研 究室 助理研 究员， 主要研 究方向为工业无线 网络 、无线传感 器网络等。 备问短程 、低速率信息交互的无线通信技术 ，是继现 场总线之后，工业控制系统领域的又一热点技术，是 降低工业测控系统成本 、提高工业测控系统应用范围 的革命性技术 ，也 是未来几年工业 自动化产 品新的增 长点。 工业无线网络WI A标准是由中国无线联盟推出 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的面向工业 自动 化应用 的无线 网络技术标准体 系 ，目 前已完成了WI A． P A规范国家标准征求意见稿和I E C P AS 、NP 文件 的制 订 ，成为 同际上与Wi r e l e s s H AR T 被同时承认的仅有的两个国际标准之一。与传统的基 于有线通信 的工业控 制系统相 比，基于WI A 标准 的 【 业无线 网络具有 低成本 、低功耗 以及配置灵活 、易于 使用等优势，特别适用于流程工业的过程测量 、监视 与控制 ，在石化 、冶金 和电力等工业领域具有广泛 的 应 用前景 。但是 ，由于传统的工业控制系统发展到今 天 ，技术 上已经 十分成熟 ，并且得到 了广泛 的应用 ， 而无线通 信技 术在工业 上的应用才刚刚起步 ，还处于 积累经验的阶段 ，短时间内无法取代有线的工业控 制系统 。因此 ，如何 实现与P L C 控制系统 、DC S 以及 F C S 等主流工业控制 系统的无 缝连接是WI A无线 网络 当前的一 个重要 研究方 向 。 1 W IA网络的物理结构 在WI A网络中，一共定义了5 类物理设备，即主 控计算 机 、网关设备 、路 由设 备 、现场设备和手持设 备，其物理结构如图1 所示。其中主控计算机可用于 实现WI A的网络管理和安全管理等系统管理功能 ，网 关 则主要 用于实现WI A网络 与工厂 内的其他 网络 的协 议 转换与数据映射 。WI A采用星型和 网状结合 的两层 网络拓扑结构 ，第一层是 网状结构 ，由网关及路 由设 备构成；第二层是星型结构，由路由设备及现场设备 或手持设备构成。 路 由设备 冗余 路由 改备 存储 、管理 以及 系统 的调度等功 能 ，按 主要作用 的不 同还可 以分 为操 作员 站 、工程 师站 和服 务器 等_丁作 站 。在 这些 ] 作 站上 一般 安装 有用 于组态 、数 据库 维 护和 管理 以及 控制 器编 程等 功能 的软件 。下位机 lJ p L c，主要用于完成数 据的采集和控制 的执行等功 能。大多数P L C 不仅可以接收4 ～ 2 0 mA等标准的模拟 量 ，还可以和上位机 、智能仪表等通过数字通信接 口进 行数据通信 。通信方式 一般有工业 以太 网 、R S 4 8 5 ／ 2 3 2 总线和 现场总 线等 ，通信协议 取决 于P L C的 类型，不同厂家的P L C 支持的通信协议是不同的。 上 位 下 位 现场 图2 典型的P L C 控制系统物理结构 3 实现WI A无线 网络和 P L C 控制系统的无缝连接 在WI A网络 中 ，网关 用于 实现 与工厂 内其 他 网 络 的协 议转换 和数据映射 ，而在一般 的P L C 控制 系统 中，上位机和P L C 均具备和其他设备进行数据通信的 能力 。 3 ． 1 Wl A 无线 网关和下位机P L C 通 信 该方案 如图3 所示 ，WI A无线 网关通过 工业 以太 网或者其他通信接口同下位机P L C 进行通信，将WI A 现场设备采集到的数据传送给P L C，再由P L C 传给上 位机 。从上位机 的组态软件上来看 ，每一个WI A 现场 设备 和连接 ml p L c 上 的其 他普通 设备没有什么 区别 。 二者之间的通信协议取决于原控制系统采用的P L C 。 图1 WI A网络 的物理结构 2 PL C控制 系统 的物理 结构 可编程逻辑控制器P L C自问世以来，以其通用性 强 、可靠 性高以及功能强大等优点 ，广泛应用 于工业 自动化的各个领域 P L C 控制系统和分布式控制系统 D C S 也成 为 目前 国内在 业上应用最为广泛 的两大 主 流控制系统 。 在 目前的实际应用中，比较典型的P L C 控制系统 的物理结构如图2 所示。整个系统主要由上位机 、下 位机和现场设备组成。上位机主要负责数据的显示 、 下位 现 场 图3 WIA无线 网关和下位机P L C 通信 在这一方案中，WI A无线网关相当于P L C 的一个 从设备 ，需要按照其通信协议的要求对现场设备的数 仪 器 仪 表 雠 化 与 计 量 l 1 7 丽 ■● 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 据进行映射。该方案的优点是不会影响原控制系统 的 操作，而且易于实现，但是不具有通用性 ，针对使用 不同P L C 的控制系统所需要做的开发工作是不同的。 3 - 2 Wl A 无线网关和上位机软件通信 该方案如图4 所示 ，WI A 无线网关通过工业以太 网络或者其他通信接口和上位机软件通信，将WI A 现 场设备采集到的数据上传至上位机 ，建立同上位机组 态软件或者其它系统数据库管理软件的通信，再进行 人机接口画面的组态，就可以在控制系统的工作站上 正确显示WI A 现场设备的测量值了。WI A网关内部集 成了Mo d b u s 协议接口和OP C 接 口，通过简单的配置 就可以实现和上位机软件的通信。 上位 下位 现场 饥 丫 一 ] w 捌 。 T 图4 WI A无线 网关和上位机 软件通信 在这一方案中，原控制系统的上位机软件需要 针对WI A网络进行组态和配置，将WI A 无线网络的数 据集成到系统的数据库中，实现实时监测。该方案的 优点是具有一定 的通用性 ，wI A 无线网关不需要开发 新的接口协议 ，在大多数现有的控制系统上都具有可 实施性 ，但是由于上位机软件的多样性，需要熟悉现 有系统的工程师的配合。 4 结束语 无线通信技术在工业上的应用 目前在国内尚处 于起 步阶段 ，WI A 标准 同Wi r e l e s s H AR T 相 比，在工 程实际中的应用还很缺乏。WI A 无线网络和P L C 控制 系统互联实现为WI A无线技术的推广提供了一种新的 途径，使得Wl A 无线网络可以和工厂现有的各种网络 系统并存 ，有利于用户接受并尝试工业无线这种新技 术 ，从而促进WI A在工 程实际 中的应用 ，为WI A． P A 成为事实上的标准打下基础。 参考文献 [ 1 ] 曾鹏，于海斌． 工业无线网络wI A 标准体系与 关键技术[ J ] ． 自动化博览，2 0 0 9 1 [ 2 】 梁炜 ，张晓玲． WI A P A用于过 程 自动化的 工业无线网络系统结构与通信规范[ J ] ． 仪器仪表标准 化与计量 ，2 0 0 9 2 [ 3 ]吕卫 阳，徐 昌荣． P L C 工程应用实例分析[ M】 ． 北京 中国电力 出版社 ，2 0 0 7 『 4 ] w ww． i n d u s t r i a l wi r e l e s s ． c n 口 ● ●● ●● ■●● ●■ ■● ●■■ ●● ●● ●■ ●●● ■■ ●● ■■ ●●■ ■● ●● ■●● ■■ ●● ■● ●● ■■● ●■ ■●■ ■■ ●● ■■ ■●● ■■■ ■- -● ●■ -● ●■- -- ■- -- - 上接 第1 5 页 4 结束语 失效概率P F D近似为 在安全仪表系统设计过程中，可靠性和安全性 阡 吲D D c 7 卜 丑 ，D X Ⅸ w 翻 是十分重要的指标。故障树分析是系统进行可靠性和 。。 系统可检测到的共因危险失效率； 。 安全性分析时的可选方法之一 ，它可以综合考虑人 系统未检测到的共因危险失效率； 为、环境 、软件 、硬件等因素以及它们的各种组合对 。。 通道可检测到的危险失效率； 顶事件的影响，发现系统的薄弱环节，从而及时提出 通道未检测到的危险失效率。 有效措施，提高系统的可靠性与安全性。 图6 l o o 2 结构系统P F D故障树 参考文献 [ 1 】 G B ／ T 2 1 1 0 9 ． 2 0 0 7过程工业领域安全仪表系统 的功能安全 [ 2 ] GB 7 8 2 9 1 9 8 7 故障树分析程序 [ 3 】阳宪惠 ，郭海涛． 安全仪表系统的功能安全． 清华大学出版社 ，2 0 0 7 [ 4 ] Wi l l i a m M． G o b l e 著，白焰，董玲，等译． 控 制系统的安全评估与可靠性． 中国电力出版社，2 0 0 8 [ 5 】 康锐 ，石荣德 ，F ME C A 技术及其应用． 国防 工业 出版社 ，2 0 0 6 [ 6 ] 王常力，罗安． 分布式控制系统 D C S 设计 与应用实例． 电子工业 出版社 ，2 0 0 4 [ 7 】 G B ／ T 4 8 8 8 ． 2 0 0 9 故 障树名词术语 和符号 口 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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