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    彭瑜
（1938－）
男，湖南長(zhǎng)沙人，教授級(jí)高級(jí)工程師，上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所，1960年畢業(yè)于清華大學(xué)動(dòng)力系，長(zhǎng)期從事工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)工作，1993年獲國(guó)務(wù)院特殊津貼，現(xiàn)任中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)儀表與裝置專業(yè)委員會(huì)常務(wù)委員，上海市自動(dòng)化學(xué)會(huì)常務(wù)理事，中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)專家委員會(huì)委員。

    關(guān)注工業(yè)自動(dòng)化一定會(huì)關(guān)注無(wú)線通信在工業(yè)廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用前景。而無(wú)線通信涉及的技術(shù)極其廣泛和復(fù)雜。其中，由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)測(cè)量控制的基礎(chǔ)性技術(shù)，所以才引起了眾多科技工作者持久的研究開(kāi)發(fā)熱情。本文想就這方面的應(yīng)用進(jìn)展和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)作一概述。文中引用的材料一部分來(lái)源于有關(guān)的自動(dòng)化網(wǎng)站，一部分來(lái)源于一些國(guó)際性自動(dòng)化技術(shù)協(xié)會(huì)如HART通信基金會(huì)的內(nèi)部文件。當(dāng)然，經(jīng)過(guò)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(lǐng)域做了一些研究之后形成的看法和傾向。

1 無(wú)線通信在工業(yè)中的應(yīng)用聚焦于無(wú)線短程網(wǎng)的發(fā)展

    進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已成為工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家科研開(kāi)發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)。無(wú)線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，估計(jì)至少將會(huì)帶來(lái)10%的生產(chǎn)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(yè)環(huán)境下任何地點(diǎn)安裝使用的智能無(wú)線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)，將為各種生產(chǎn)裝置配備實(shí)時(shí)共享的數(shù)據(jù)采集能力，從而為提高生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本發(fā)揮重要作用。

    無(wú)線系統(tǒng)以電磁波作為傳輸介質(zhì)，避免了有線系統(tǒng)安裝成本高、維護(hù)成本高、價(jià)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。一些具有前向思維的企業(yè)洞察工業(yè)無(wú)線系統(tǒng)的巨大潛力，對(duì)此給予極大關(guān)注。而現(xiàn)場(chǎng)儀表和傳感器的無(wú)線傳輸表現(xiàn)出諸如安裝和維護(hù)成本低、更換方便、便于升級(jí)、減少接插件故障、移動(dòng)自由且不受限制、投運(yùn)快速，可以實(shí)際利用MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)等前所未有的優(yōu)勢(shì)，更成為當(dāng)前最受重視的領(lǐng)域之一。

    對(duì)于無(wú)線的工業(yè)應(yīng)用，當(dāng)前出現(xiàn)的新動(dòng)態(tài)是使用高傳輸率、無(wú)須申請(qǐng)頻率許可證、低價(jià)的技術(shù)。無(wú)線通信距離與具體應(yīng)用（工廠自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化和SCADA系統(tǒng)）強(qiáng)烈相關(guān)，一般大致在150毫米至80公里。當(dāng)前影響無(wú)線系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的主要障礙是：工業(yè)環(huán)境和無(wú)線技術(shù)的狀態(tài)。工業(yè)環(huán)境對(duì)無(wú)線通信的挑戰(zhàn)有：工作環(huán)境溫度由-40℃—+70℃；高濕度（當(dāng)溫度為40℃濕度 95%時(shí)不結(jié)露）；本質(zhì)安全防爆要求；固定設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備對(duì)無(wú)線傳輸路徑的影響（衰變、中斷和發(fā)生各種各樣的缺陷，諸如頻散、多徑時(shí)延、干擾、與頻率有關(guān)的衰減，節(jié)點(diǎn)休眠、節(jié)點(diǎn)隱蔽和與安全有關(guān)的問(wèn)題）等。

    無(wú)線傳輸進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的趨勢(shì)無(wú)可置疑。估計(jì)再過(guò)四、五年，即2010年前，從技術(shù)的角度講大多數(shù)儀表和自動(dòng)化產(chǎn)品都可以嵌入無(wú)線傳輸?shù)墓δ?。由于無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)儀表的優(yōu)點(diǎn)一定要體現(xiàn)在就地長(zhǎng)期供電（如電池、太陽(yáng)能電池等），也即形成數(shù)據(jù)傳輸無(wú)線、電源供給無(wú)線的全無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。從這個(gè)意義上講，在高速控制的場(chǎng)合要實(shí)現(xiàn)足夠低功耗高可靠的無(wú)線傳輸是相當(dāng)困難的，因而至少在相當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)不適合應(yīng)用。但是實(shí)踐證明，對(duì)大多數(shù)監(jiān)控和慢速控制場(chǎng)合，它足夠可靠；也就是說(shuō)可以用在將近80%的自動(dòng)化和過(guò)程控制場(chǎng)合。在過(guò)程控制和制造自動(dòng)化領(lǐng)域，無(wú)線傳輸目前主要用于設(shè)備資產(chǎn)管理和狀態(tài)監(jiān)測(cè)（維護(hù)），而基本上不考慮應(yīng)用于生產(chǎn)運(yùn)行的實(shí)時(shí)控制。如果說(shuō)有所應(yīng)用，也是使用于相當(dāng)慢的過(guò)程中緩慢變化的參數(shù)（如溫度控制和一部分流量控制）?；蛘呤怯糜跍y(cè)量可通過(guò)無(wú)線、控制則由操作人員決策而非自動(dòng)的閉環(huán)控制場(chǎng)合，如行車(chē)、起重機(jī)。這主要基于以下兩方面的考慮：無(wú)線傳輸?shù)男盘?hào)在接收過(guò)程中存在漏碼或丟包、衰減和阻塞，以及射頻干擾。

    在現(xiàn)有的無(wú)線傳輸技術(shù)中，紅外線傳輸不能繞過(guò)障礙物，應(yīng)用面窄；藍(lán)牙技術(shù)傳輸距離太短、功耗及成本還不夠低、開(kāi)發(fā)較復(fù)雜，都限制了它的推廣應(yīng)用；無(wú)線局域網(wǎng)IEEE 802.11/Wi-Fi技術(shù)就其本質(zhì)而言，目前尚屬于無(wú)線接入技術(shù)，要構(gòu)成Mesh拓樸和自組織網(wǎng)絡(luò)尚需時(shí)日。唯有問(wèn)世3—4年的IEEE 802.15.4短程無(wú)線傳輸技術(shù)，才真正具備低成本、低功耗、高可靠性、組網(wǎng)方便簡(jiǎn)捷的綜合優(yōu)勢(shì)，是受到普遍重視的無(wú)線短程網(wǎng)絡(luò)，也是當(dāng)前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)。基于IEEE 802.15.4的無(wú)線傳輸協(xié)議，是一種按短距離的監(jiān)控和控制要求而設(shè)計(jì)的通信技術(shù)。它采用2.4GHz頻道，可實(shí)現(xiàn)包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、星型、網(wǎng)狀等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在低信號(hào)噪聲比的環(huán)境下其位誤碼率達(dá)到10-9，提供由芯片實(shí)現(xiàn)AES-128加密算法，且組網(wǎng)方便，功耗又低。其核心技術(shù)包括：①實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組網(wǎng)技術(shù)，即自組織（ad hoc）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別是考慮到實(shí)用情況下的路由優(yōu)化。②保證在工業(yè)環(huán)境下無(wú)線信息傳輸?shù)陌踩院涂煽啃约叭W(wǎng)自適應(yīng)跳頻。③在保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)運(yùn)行的低功耗。

    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是指一類為傳感器、執(zhí)行器和控制器之間提供冗余、容錯(cuò)的無(wú)線連接的嵌入式通信產(chǎn)品。目前WSN正處在發(fā)展階段，遠(yuǎn)未成熟。打上WSN標(biāo)簽的產(chǎn)品除了能提供冗余、容錯(cuò)的無(wú)線連接外，還有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的解決方案的特性：自組網(wǎng)、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(dāng)WSN中的任意節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，或從網(wǎng)絡(luò)中退出，WSN會(huì)將這個(gè)別節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)中隔開(kāi)，并另行建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚桑ＷC高度的傳輸可靠性。理想的WSN中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)低功耗，獨(dú)立供電；能適應(yīng)環(huán)境的變化，能以零維護(hù)保證長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

2 ISA SP100—自動(dòng)化和控制環(huán)境下實(shí)現(xiàn)無(wú)線系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)

    美國(guó)儀表系統(tǒng)和自動(dòng)化學(xué)會(huì)的ISA SP100標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)正在加緊制定自動(dòng)化和控制環(huán)境下實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，推薦實(shí)踐指南、技術(shù)報(bào)告和相關(guān)的信息。標(biāo)準(zhǔn)主要面向現(xiàn)場(chǎng)儀表和設(shè)備。著重在三方面予以規(guī)范：①運(yùn)用無(wú)線技術(shù)的環(huán)境， ②無(wú)線通信設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)的生命周期， ③無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用。

    SP100將在工業(yè)自動(dòng)化和控制環(huán)境中的無(wú)線應(yīng)用劃分為監(jiān)控、控制和安全應(yīng)用三大類，有細(xì)分為六小類（見(jiàn)表1）。這種分類既考慮無(wú)線通信在實(shí)際使用條件下必須滿足的要求，又體現(xiàn)了這些無(wú)線通信應(yīng)用的時(shí)間屬性。

    * 屬于監(jiān)控的第5類應(yīng)用，是指不產(chǎn)生直接操作結(jié)果的數(shù)據(jù)和消息，譬如歷史數(shù)據(jù)的采集，為預(yù)防性維護(hù)而必須進(jìn)行的周期性采集的數(shù)據(jù)，事件順序記錄數(shù)據(jù)的上傳（這類似于文件傳遞，不能因通信類型而發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，但又非像控制信號(hào)那樣必須考慮時(shí)間性），其它的上裝和下載。

    * 屬于監(jiān)控的第4類應(yīng)用，是指通過(guò)無(wú)線傳輸那些只在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生操作結(jié)果的數(shù)據(jù)和消息，例如基于事件的維護(hù)而必須采集的數(shù)據(jù)，為測(cè)試需要而發(fā)往現(xiàn)場(chǎng)的限界動(dòng)作所產(chǎn)生的臨時(shí)而短暫的結(jié)果，無(wú)線設(shè)備上的電壓低限指示器所產(chǎn)生的告知更換電池的信號(hào)等等。

    * 第3類開(kāi)環(huán)控制是指在回路中還有人在起著作用，例如操作人員手動(dòng)啟動(dòng)一個(gè)信號(hào)裝置且注視著這個(gè)裝置，遠(yuǎn)程指導(dǎo)開(kāi)啟一個(gè)安全門(mén)，操作人員執(zhí)行手動(dòng)調(diào)節(jié)泵/閥門(mén)等。

    * 第2類閉環(huán)監(jiān)督控制，通常并非關(guān)鍵部位，如不頻繁的串級(jí)控制，多變量控制、優(yōu)化控制所形成的設(shè)定值等。

    * 第1類閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，一般均為關(guān)鍵回路，如現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器的直接控制，頻繁的串級(jí)控制等。

    * 第0類恒為關(guān)鍵的緊急行動(dòng)，包括安全聯(lián)鎖，緊急停車(chē)，自動(dòng)消防控制等。

    表1     SP100在工業(yè)自動(dòng)化和控制環(huán)境中的六類無(wú)線應(yīng)用：
 

    至于通過(guò)無(wú)線通信傳輸?shù)膱?bào)警信號(hào)，也根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合分屬以上由0類至5類。例如：0類報(bào)警是指那些具有自動(dòng)響應(yīng)的、致命有毒氣體的泄漏檢測(cè)器信號(hào)（如對(duì)污染的自動(dòng)響應(yīng)）；1類報(bào)警是指具有自動(dòng)響應(yīng)的、對(duì)流程狀態(tài)會(huì)帶來(lái)高度（見(jiàn)圖1）影響的信號(hào)（如自動(dòng)停止反應(yīng)的停車(chē)信號(hào)）；2類報(bào)警是指對(duì)流程狀態(tài)自動(dòng)響應(yīng)的信號(hào)（如要對(duì)某種參與反應(yīng)的流體做分流處理）；3類報(bào)警是指對(duì)流程狀態(tài)作手動(dòng)啟動(dòng)的操作響應(yīng)的信號(hào)（如由操作人員判斷是否分流至另一并行的反應(yīng)器）；4類報(bào)警是指有關(guān)設(shè)備狀態(tài)的報(bào)警，以通知維護(hù)人員在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)；5類報(bào)警指那些有關(guān)設(shè)備狀態(tài)的報(bào)警，要求維護(hù)人員采取長(zhǎng)期維護(hù)的動(dòng)作。

    英國(guó)石油公司（BP）在經(jīng)過(guò)相當(dāng)規(guī)模和許多不同的應(yīng)用場(chǎng)合的無(wú)線通信試驗(yàn)后其負(fù)責(zé)主持試驗(yàn)的CTO指出：實(shí)際對(duì)這些類別（不包括0類）的應(yīng)用需求，大致是按以下的比例 1：2：4：10：10（見(jiàn)圖1）。這就是說(shuō)，第四、五類應(yīng)用是大量的，如隊(duì)狀態(tài)（振動(dòng)，溫度/壓力）監(jiān)控；性能（熱交換，環(huán)境狀態(tài)、機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)）監(jiān)控。第三類應(yīng)用（開(kāi)環(huán)控制）也有需求。至于第二類和慢速第一類應(yīng)用，將隨著用戶不斷取得經(jīng)驗(yàn)，在對(duì)傳輸延遲、信息安全和穩(wěn)健性（robustness）等有更好了解之后，而逐漸有所應(yīng)用 ，以利于更多地引導(dǎo)對(duì)此類應(yīng)用的要求。

    SP 100 還對(duì)無(wú)線通信在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用就成本、兼容性和系統(tǒng)的可擴(kuò)可縮、性能、信息安全現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的就地接入，以及服務(wù)質(zhì)量等作了明確規(guī)定（見(jiàn)表2）。

圖1  實(shí)際對(duì)這些類別（不包括0類）的應(yīng)用需求（據(jù)BP的首席技術(shù)管）