自动化学科前沿讲座123

自动化学科前沿讲座题目无线技术学生姓名雷刘峰学号200820120108专业班级自动化801分院（系）信息论自动化的下一个技术前沿：无线技术亚洲特别是中国正日渐成为世界的制造中心，自动化技术与解决方案对于汽车、石油、化工、烟草、食品、电力、建筑等制造行业的发展起着至关重要的作用。已发展成为国内工业自动化领域大展的“工业自动化展”，始终致力于全面展示从电气工程到机械工程、从制造业信息化到微处理技术的全球最先进自动化技术与解决方案，聚焦自动化领域最前沿的行业趋势。二十世纪八十年代，在工业自动化领域诞生了专有网络，二十世纪九十年代，标准的现场总线开始出现。随着二十一世纪的到来，我们将发现在自动化系统的很多部分会出现无线连接。无线不仅仅是用无线电来代替有线局域网(LAN)，尽管这将是其应用的一部分。它也不仅仅是取代有线电话网络，尽管这一取代已经开始。对于制造业而言，无线的突出意义在于很多新的应用——以前不可能或不实用的、将成为可能无线是另一个充满活力的技术，低成本无线连接的出现使新应用成为可能。1无线技术的概述无线技术是一种新兴的,面向现场应用的,短程、低速率信息交互的无线通信技术。工业用无线传感器网络,是指一类为传感器、执行器和控制器之间提供冗余、容错的无线通信连接的嵌入式通信网络。按现今工业自动化业界的共同认识,在工业自动化和控制环境中的无线应用划分为监控、控制和安全应用三大类[1]。和有线局域网相比，无线的一个不同点在于它通常是由标准委员会开发的。国际条约和世界各国管理着频率分配小五号宋体，居中和频段使用。绝大多数正在出现的无线网络的核心在于数据包交换和扩展频谱技术的使用。最值得一提的是通讯中频繁的“静默”期(如在消息传递的间隙)，此时没有数据包产生，通讯信道也就根本没有得到使用。数据包交换本身就是有效利用带宽的巨大进步之一。1.1无线技术的发展现状及优势工业无线技术是继现场总线之后,工业控制领域的又一个热点技术,是降低自动化成本、提高自动化系统应用范围的最有潜力的技术,也是未来几年工业自动化产品新的增长点。在工业控制系统中引入无线通信技术,可设计全新的无线工业控制网络通信体系或无线与有线混合的工业控制网络通信体系,从而促进传统控制网络升级换代。工业无线正处于一个高速发展的阶段,突出的优势创造了巨大的市场,不过它在应用上依旧受到限制。据美国网络技术市场分析ONWorld公司对工业无线技术市场进行调研的结果显示,阻碍用户接受无线技术的关键问题在于工业无线技术缺乏统一的国际标准。针对这一问题,一些国际大公司和区域组织开始了相关的工作,并且取得了重要的突破。目前在工业控制和消费电子领域使用的无线网络技术有ZigBee、无线局域网(WiFi)、蓝牙(Bluetooth)、ISA100、WIA￿PA等,未来还会有3G、超宽频(UWB)、无线USB、WMiax等。当然还有大量的私有和专用无线网络在工业控制和消费电子装置中使用,其中ZigBee,ISA100,WIA-PA是目前在国内工业控制中讨论和使用较多的3种,它们被广泛应用于工业检测等领域。2无线技术在实际中的应用工业无线技术适合在恶劣的工业现场环境下使用,具有很强的抗干扰能力、超低能耗、实时通信、增加用户或更改网络结构方便、灵活、经济等技术特征,扩展了工业用户的自由度。同时,无线网络的成本在网络的配置、安装、修改和扩展等方面都低于有线网络,并凭借其自身的技术特点广泛地应用于国防军事、环境监测、城市管理、医疗、工业控制、反恐、抗灾等诸多领域。2.1基于WIA-PA的建筑检测仪以近来频发的地震灾害为例,基于WIA￿PA的建筑监测仪能对建筑物强度结构的健康情况进行监测。高层建筑有个共同的特点,即建筑结构极其敏感,因此其前端的测量点部署很难采用有线方式,否则极易损害建筑结构受力状况。而无线技术,特别是不需供电的低功耗无线技术,在解决建筑物健康监测,尤其在前端100m数据获取问题中,具有极其重大的意义。节点具有无线监测能力,体积较为小巧,可以很容易地安装在建筑物的关键受力点上,而不影响建筑物外观,具体实物图。同时其低功耗的优点可以避免节点的频繁更换,省去了复杂耗时的布线操作。使用时只要打开节点开关,位于建筑物监控中心的接收终端就可以实时获取数据,与建筑报警系统联动后,一旦探测到可能威胁到建筑物的震动信息,立即发出报警信号,及时通知建筑物内人员立即撤离,反馈回监测波形，平时该系统收集的数据还可以用来监测建筑物老化状况,为建筑物维护提供辅助决策信息。2.2基于无线传感器网络的智能电网在电力自动化领域已有研究把无线传感器网络应用于负荷预测、变电站自动化、配电网继电、配电线路故障定位、输电线路实时监测与预防方面。基于WIA￿PA的工业无线网络通过布置得当的节点获取电网运行状态、参数等物理信息,并通过无线网络传输到终端,为电网运行和管理人员提供更为全面、完整的电网运营数据,有利于决策系统控制实施方案和应对预案。通过ZigBee技术,实现智能电表和家庭设备之间的无线通信,构成家庭内部的能源管理系统，。智能电网涵盖了高级量测体系,高级配电运行、高级输电运行和高级资产管理。它们之间的密切配合使智能电网安全稳定运行得以实现,兼容分布式电源,提高电网资产的利用率,提高用户用电的效率,可靠性和电能质量的目标。无线传感器网络在AMI,ADO,ATO和AAM领域有着广泛的应用前景。2.3基于无线射频识别的技术无线射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，它的基本原理是利用射频信号和空间耦合或雷达发射的传输特性。自动标识指的是物品在工厂或仓库内流转时用来作标记的条形码和射频(rtF)标签。如前所述，无线局域网技术无疑会被应用于手持条形码阅读器和终端的连接。射频标签的使用已经超过了12年，但是尽管这个技术很迷人，却从来没有被广泛采用过，它只是一个在别无选择时使用的华而不实的技术。对射频标签兴趣的突然增加主要是由于它们能够显著地降低成本，增加读取范围．并有助于解决射频标签、无线智能卡与射频电子商品监视标签之间的统一问题：统一将产生一个非常巨大的市场，促使成本降低到微不足道的程度。实现对物体的自动识别，无线射频识别技术与目前广泛使用的识别技术例如条形码、磁卡、IC卡等相比具有很多突出优势（1）非接触操作，长距离识别，可达到几米甚至几十米，完成识别工作无须人工干预，而且非常方便。（2）无机械磨损，无机械故障，寿命长，并可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣环境。（3）可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签。（4）具有全球唯一的序列号，不能更改，使其具有独特的防伪性能，数据安全方面除了电子标签的密码保护以外，数据部分可用一些加密程序实现更加安全化的管理。（5）可根据张贴物品的不同或工作流程的不同实时改变存储区内数据，更加便于物品的识别与跟踪。（6）读写器与标签之间存在相互识别的过程，达到安全通信和存储。2.4基于无线技术的数字蜂窝电话网络最近，日本的蜂窝电话可以将一台计算机的串行口直接与一个数字PCS蜂窝电话连接起来。这一服务现在的运行速度为128Kbps，只在日本有这种服务。欧洲GSM蜂窝电话也有类似的功能，但其速度只有9．6Kbps(在压缩时略有提高)。在美国，使用蜂窝数字包数据(CDPD)的数字服务最快可达到192Kbps．这一服务目前由PalmVII提供。除了可由低速服务提供的简单消息外，只有日本的服务可以提供一个合理的无线连接速度。要实现全无线Internet接人，速度还必须大大提高。世界蜂窝电话标准正在向3G无线标准，或第三代无线电话过渡。国际电联——无线和无线电服务标准的制定组织，已经认可了3G无线标准的很多要求．但还没有接受某个协议。可以知道的是，3G无线标准将是一个声音与数据全数字服务标准所有建议的协议都至少达到了下列的基本要求。因而，这些目标也似乎很有可能达到。3无线技术的发展前景及市场潜力3.1从技术角度分析其发展前景随着市场国际化的加快,世界仪器仪表巨头已开始向中国产业界渗透。国内外工业自动化领域的研究机构和企业都在进行工业无线通信技术的研发工作,关键技术难题正在逐步突破。目前,工业无线技术的国际标准已形成了由IECTC65(工业测量和控制技术委员会)推出的WirelessHART(HART基金会)标准、美国仪表系统与自动化协会ISA推出的ISA100.11a(ISA)标准和我国自主研发的WIA-PA(中国)标准三足鼎立的局面。作为我国十一五863计划进造域，￿工业无线技术及网络化测控系统研究与开发￿重点项目,工业无线技术目前已突破诸多核心技术,建立了拥有自主知识产权的技术体系,开发出了众多网络支撑设备,构建了测试认证环境,并在冶金、石化、电力、污水处理等行业的示范应用中取得了良好的效果。相信随着WIA技术在工业应用中的不断突破,国内自主研发的第一套工业无线标准WIA-PA标准,在国家政策、资金的大力支持下,将会拥有巨大的市场前景和广泛的社会基础。无线技术是未来嵌入式系统发展最快速的领域之一,单片机是嵌入式和工业控制系统最传统的核心部件。无线技术的应用是单片机发展的一个热点,是包括I，Freescale，ST，NXP，Atme，lMicrochip这些工业芯片半导体巨头和专业无线公司Ember,Jennic,Nordic角逐的重要舞台。无论是把射频器件和单片机核心集成在一起的SoC无线单片机,还是单片机加上射频器件或者射频单片机的无线单片系统,都将嵌入在未来形形色色的电子设备里。3.2从技术角度分析其发展前景目前,全球工业无线通信市场规模已经超过13亿美元,保守估计在未来的几年中将保持15%左右的年增长水平。美国能源部预计传感器及自动化技术在2010年可节约能量12万LBTU(英国热量单位)以上。市场调研公司ONWorld近期发布的一份报告称:预计到2011年,世界市场无线传感器网络(WSN)系统与服务将飞升至约46亿美元,比现在增长5亿美元。调查显示,现在有三分之一的公司正在使用无线传感和控制技术,并且近一半的公司计划在未来一年半内,研究或计划采用无线解决方案。为了监控机器在工厂内外的品质及状况,世界各工业界公司预计会在无线传感器网络系统和服务方面投入一部分资金。事实上,有40%的公司计划采用无线解决方案,是为了监控机器品质,保证机器正常运作。瑞士ABB、电路保护与电源管理器件制造商博仕(CooperBussmann)、法国科尼思系统公司(CoronisSystems)DustNetworks、霍尼韦尔国际公司(Honeywell)和Sensicast等公司均在使用无线传感器网络系统监控机器品质。综合以上分析,工业无线设备无论是在国际还是在国内都拥有非常广阔的应用前景和经济效益。工业无线技术的快速发展成为未来工业控制领域内的必然趋势。4总结通过了解的无线技术的一些潜在应用领域，如手持阅读器，但低成本无线连接的潜力几乎是无限的。然而，要预测像无线连接这样一个基础技术的任何应用都是困难的。这是一种充满活力的技术，最终会达到一个经济的价格点。从其它市场的经验我们可以认定，一旦费用降低了，无线技术将超过目前的有线连接。今天，无线技术在工业、消费者、商业和医药市场的价格正趋于合理。我们知道，成千上万的无线应用将大量出现，想到的它就能做到。自动化技术的发展会带来新的供应革命。参考文献[1]孙鹏，孙维娜,董沙．工业无线技术的发展及前景分析[J]，产业观察，2011，49-52[2]理查得H．卡罗．无线技术[J]，工业控制计算机，2000，13（6）：61-63[3]中国自动化制造业．第七届制造业自动化与信息化技术研讨会论文集[C]．北京：制造业自动化，2008:93-94[4]亢宝印，吴丽静，陈慧芬．基于无线射频识别技术的表计信息自动采集系统[J]，山东电力电子，2011，（2）68-71