中小企业erp采购子系统的设计和实现

工厂自动化和过程自动化中无线短程网和无线局域网的应用前景分析上海工业自动化仪表研究所彭瑜[e-mail]2006年5月内容提要为什么无线通信在工业环境中的应用特别受到重视？ISASP100—自动化和控制环境下实现无线系统的标准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已进入工控领域ABB进行的现场设备层无线通信实验BP进行的现场设备层无线通信实验HART基金会正在积极开发无线HART协议结束语为什么现在无线通信在工业环境中的应用特别受到重视？为什么无线通信在工业环境中的应用特别受到重视？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。Invensys的无线工业应用策略室内室外专用无线网络数据传输率功耗成本/复杂度欧洲无线工控应用项目RUNES的开发路线图欧洲无线工控应用项目RUNES的开发路线图在欧洲，从2004年10月至2005年4月，集中了25个组织（大小公司和研究所）制定了一个名为RUNES、在未来10年内无线技术在工业控制和自动化发展应用的路线图。背景：及时而牢固地抓住无线网络为工业系统安装和运行的高度灵活性和成本优势创造的机会。目标：到2008年将安装成本降低50%，运行成本降低30%；到2014年将安装成本降低80%，运行成本降低50%。欧洲无线工控应用项目RUNES的开发路线图发展无线应用必须考虑的原则：在工业控制和自动化中尽可能利用无线通信是必然的选择无线通信应与传统有线通信系统有互操作性开发可重复配置（reconfigurable）的设备尽可能地从环境中取得电源（如用太阳能电池）尽可能采用开放的频段（如世界通用的ISM频段2.4GMHz）工业环境下利用无线传输的优势无线传输的优势表现在：极大降低安装成本、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。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（工厂自动化、过程自动化和SCADA系统）强烈相关，一般大致在150毫米至80公里。当前影响无线系统广泛应用的主要障碍当前影响无线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-40C—+70C；高湿度（当温度为40C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）。ISASP100—自动化和控制环境下实现无线系统的标准ISASP100—自动化和控制环境下实现无线系统的标准美国仪表系统和自动化学会的ISASP100标准委员会正在加紧制定自动化和控制环境下实现无线系统的标准，推荐实践指南、技术报告和相关的信息。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SP100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集成制定SP100的标准化方法论SP100在制定标准前提出标准化方法论：环境评估—射频、光照影响应用评估—传输时间、传输容量可选项评估—技术、产品、标准无线网络节点部署的评估—初始稳定性、部署方便性能评估—针对用户要求维护—工具、成本、升级符合SP100标准保证各方受益符合SP100将保证：供应商的规范的一致性，并易于解释用户要求简明扼要、贴近，并易于解释可选项清晰而易于鉴别对于要克服的问题所提供的可选项是可以进行定量估算面向成功的SP100SP100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。SP100尽可能应用下列标准并有所提高：ISASP99—信息安全IEEE1451—智能传感器FIPS140-2—信息安全ISO/OSI网络可连接的7层模型SP100力争促进新技术的发展应用无线网络的节点合理部署从业人员和公司相互间的交流SP100规定的五类应用（1）安全0类：紧急动作（恒为关键）信息时间性的重要程度控制1类：闭环调节控制（通常关键）2类：闭环监督控制（经常非关键）3类：开环控制（由人工控制）注：批量控制的3级（“单元“）和4级（”过程小单元“）由其功能决定可能是1类、2类，甚至为0类监测监控4类：标记产生短期操作结果（例如：基于事件的维护）5类：记录和下载/上载不产生直接的操作结果（例如：历史数据采集、事件顺序记录SOE、预防性维护）SP100规定的五类应用（2）直接的操作结果的数据和消息，譬如历史数据的采集，为预防性维护而必须进行的周期性采集的数据，事件顺序记录数据的上传（这类似于文件传递，不能因通信类型而发生数据丢失，属于监控的第5类应用，是指通过无线传输那些不会产生但又非像控制信号那样必须考虑时间性），其它的上装和下载。属于监控的第4类应用，是指通过无线传输那些只在短时间内产生操作结果的数据和消息，例如基于事件的维护而必须采集的数据，为测试需要而发往现场的限界动作所产生的临时而短暂的结果，无线设备上的电压低限指示器所产生的告知更换电池的信号等等。SP100规定的五类应用（3）第3类开环控制是指在回路中还有人在作用，例如操作人员手动启动一个信号装置且注视着这个装置，远程指导开启一个安全门，操作人员执行手动调节泵/阀门等。第2类闭环监督控制，通常并非关键部位，如不频繁的串级控制，多变量控制，优化控制等。第1类闭环调节控制，一般均为关键回路，如现场执行器的直接控制，频繁的串级控制等。第0类恒为关键的紧急行动，包括安全联锁，紧急停车，自动消防控制等。SP100规定的五类应用（4）报警信号根据具体应用场合，分属以上由0类至5类。例如：0类报警是指那些具有自动响应的、致命有毒气体的泄漏检测器信号（如对污染的自动响应），1类报警是指具有自动响应的、对流程状态会带来高度影响的信号（如自动停止反应的停车信号），2类报警是指对流程状态自动响应的信号（如要对某种参与反应的流体做分流处理），3类报警是指对流程状态作手动启动的操作响应的信号（如由操作人员来判断决定是否分流至另一并行的反应器），4类报警是指有关设备状态的报警，以通知维护人员在短时间内到达现场，5类报警指那些有关设备状态的报警，要求维护人员采取长期维护的动作。SP100规定的五类应用（5）英国石油公司CTO提出：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，机械性能用于工业自动化的无线网络的最紧要的要求成本减少安装成本减少运行维护成本易于安装和维护电源管理(采用电池运行)兼容性和可扩可缩可互操作性/共用基础设施/共存性(与其他射频设备共存)在全世界范围军能使用(与使用国家无关)网络容量和网络规模可扩可缩性能通信可靠(正确传输的百分比%)适于闭环控制快速的报告速率支持现场点对点控制信息安全网络安全网格拓扑自组织(meshing)安全就地现场设备接入服务质量(QoS)等级和使用情况现场设备级无线网络的要求(1/6)成本安装成本安装成本远低于有线网络(至少为2:1)运行成本仪表维护成本与有线网络相似底层结构的连接其维护成本低于有线网络易于安装和维护增加一台无线设备的工作量,与在有线数字通信网络增加一台设备的工作量相同内在的诊断集和标准化的补纠办法,以及支持工具(如电池、RFMODEM、天线等)电源管理不论是自附电源还是由其他方法供电,不管所用电池的类型,在正常条件下都至少使用3年成本目标=½(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)兼容性和规模可扩可缩可互操作性/公用底层结构一个支持SP100无线应用协议的开放型无线现场设备的底层结构,可通过网关变换为现今的应用协议与工厂内其他非公用底层结构的RF共存在世界范围均可使用尽管各国允许的使用频带不尽相同,但无线设备必须在世界各国都能使用网络容量和可扩可缩性能每个网络容量可高达1,000个现场设备每个网络最多可有100个中继节点在所覆盖的区域内容许多个网络具有可预测的性能底层结构支持不同供货商提供的设备,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)性能通信可靠能在恶劣的工业环境下(EMI、多径、衰变等)正常工作能与现场中同时存在WiFi、RFID、对讲机、手机、寻呼机、无线远程控制和其他无线数据网络共存对数据传输的阻塞有抗拒能力单点故障不致对整个网络产生影响报告速率最佳性能与有线数字通信相仿（与具体应用场合有关）适于闭环控制在受调度时间间隔内以极高的消息传输百分比进行传输因连续丢失消息而脱离预定模式的事件极少发生在现场支持点对点控制可向DCS或类似控制系统发送消息；能同时向其他现场设备发送消息，以形成现场回路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)信息安全网络安全无线网络对故意攻击或人为差错有安全防护设备均提供识别码通信关系授权自动密钥管理对可能发生的攻击进行推理、记录和报告消息传送安全通过对消息的检查防止恶意攻击或消息发送系统出错由要求消息的源节点进行检查原封不动和不加修改在QoS等级内按数据包的顺序传送，对同一数据包不重发传送的及时性根据应用的需要通信有防止窃听保护对所传送的消息作适当的保密处理使之好像是随机数据QoS服务质量(如立即传送、按预定时间传送、等待一定时间)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)现场设备就地接入现场设备就地接入在正常条件下用手持式PDA接入任意现场设备的能力和通过控制系统作代理服务器方式的接入能力注:在以代理服务器方式接入强制保证安全和可计算的,同时对常认为驻设备的信息作快速拷贝时每次均保持一致在投用调试的情况下用手持式PDA接入任意现场设备的能力,或在紧急情况下不能利用控制系统作代理服务器方式接入而又要作预组态时接入注:在其他时间必须禁止使用这一特性,在投用调试结束后如果使用之应作为潜在的安全危险加以记录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)服务质量QoS服务质量QoS分类立即(如紧急消息,高中断级报警)按预定时间传送(如周期性闭环控制模块)等待一定时间可得到(如监控数据,低中断级报警)高吞吐量数据(如历史数据上传,组态数据库下载,代码下载)信息时间性的重要程度无线通信网络的分类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，WPAN）无线通信网络的标准城际网（IEEE802.20，IEEE802.16）局域网（IEEE802.11）短程网（IEEE802.15）IEEE802标准的无线空间数据传输率(Mbps)ZigBee802.15.4802.15