無線介質不像有線介質處在受保護的傳輸環境之下。在傳輸過程中，它常常會衰變、中斷和發生各種各樣的缺陷，要注意的是，並不是所有的機制都可以與其他的機制相相容；或者說，有可能對關鍵性能和屬性產生負面影響。因此，通訊系統必須根據其具體的應用現實環境，對各層所採用的機制進行組合優化，以求得最好的綜合通訊性能

　　近年來，無線網路成為工控領域中迅速發展重點之一，從配置、安裝、修改和擴展等方面，無線網路的成本都低於有線網路。特別是通過無線網路可以很方便地接入移動設備，例如在物流過程中的裝載和運輸如若採用無線網路，將大大提高工作人員的工作效率和精確性。

 　　實際上，針對某些特定應用、採用專用通訊協議的無線傳輸方案早已開始使用，也都得到相當不錯的良好效果，就目前來看，工控無線通訊的主要發展重點在於解決傳輸的確定性、可互通性、網路安全和網路化的適應性等，而決非個別的解決方案。因此，發展的方向首先是通訊協議的標準化。對於可用於現場設備層的無線短距方案，採用的主流協議是才問世兩三年的IEEE 802.15.4也就是ZigBee；而對於適應較大傳輸覆蓋面和較大資訊傳輸量的無線區域網路，採用的主流通訊協定則是IEEE 802.11系列。

 工控迅速無線化

　　無線介質不像有線介質那樣處在一種受保護的傳輸環境之下。在傳輸過程中，它常常會衰變、中斷和發生各種各樣的缺陷，不過這些影響無線傳輸品質的因素，都可以通過在ISO通訊7層模型的各層中採用適當的機制加以克服或減輕。要注意的是，並不是所有的機制都可以與其他的機制相相容；或者說，有可能對關鍵性能和屬性產生負面影響。因此，通訊系統必須根據其具體的應用現實環境，對各層所採用的機制進行組合優化，以求得最好的綜合通訊性能。

 　　在解決了可靠、保密、克服干擾等問題後，又開發了支援這些無線通訊協定的實體層和MAC層的收發器晶片，成本也進一步下降，再加上加之近幾年來要求設備（包括移動設備）上，無線連接的需求也日趨強烈，這使得無線系統的成長呈指數成長，預示無線通訊也開始進入工業控制領域。

 　　無線通訊迅速跨入工控領域的現場設備層，以下是近年來若干有象徵意義的行動和產品，其中一個突破口是現場匯流排和無線通訊技術的結合。

 （1）2004年Honeywell推出基於ZigBee無線傳輸協議的無線變送器XYR 5000系列，可精確檢測表壓力、絕對壓力、溫度，還有專為能提供4-20mA介面的各種感測器轉為無線輸出。

 （2）OMRON推出無線連接DeviceNet現場匯流排主站WD30-ME和從站WD30-SE，最多可支援DI／DO各1600點的通訊。已成功應用于豐田汽車裝配線的控制系統中。

 （3）德國schild knecht公司推出的無線Profibus-DP產品DE 3000系列，可在主站與多個從站之間建立無線連結。其使用的載頻為2.4GHz，資料包 187.5KB，無線通訊協定分別是：IEEE 802.11b(資料傳輸率11Mbit)，IEEE 802.11(資料傳輸率1Mbit)，IEEE 802.15.1(資料傳輸率700Kbit)。

 （4）美國ISA學會成立《SP100 用於自動化的無線系統標準》委員會，主要面向現場儀錶和設備，著重在三方面制定標準：運用無線技術的環境，無線通訊設備和系統技術的生命週期， 無線技術的應用。

 （5）HART通訊基金會投資開發新的技術能力和工具，無線HART已成為開發重點，正在制定的新技術規範，要求HART無線通訊技術保證支援產品的互通性，與有線HART儀錶的無縫連接，提升HART智慧型儀器表的智能和可連線性。

 　　順便指出，低功耗、高可靠性的工業級的無線變送器系列，其降低能耗的潛在能力已為美國政府能源部所看好，希望利用無線網路技術廣泛而即時地跟蹤和監測生產過程，主要針對鋼鐵、電解鋁等6個耗能大的行業，減少甚至杜絕跑冒滴漏，以獲得顯著的節能效果（能耗降低15%）。

 無線技術的實驗證明

　　為了在程序控制的環境下評估使用無線通訊的可行性（包括通訊的確定性，延長電池供電壽命的技術措施、採樣時間、網路的節點數量與拓墣等），ABB利用美國 Ember公司和挪威Chipcon公司的無線技術，在瑞典的Boliden加工廠等多個裝置中進行了開環控制和閉環控制的試驗。對於開環控制試驗，要求是通過無線傳輸非過程關鍵資料，短封包，低平均數據率，低功耗；具體應用範圍有：設備管理、狀態檢測、預防性維護和服務應用。結果證明ZigBee完全滿足要求。閉環系統應用的要求是：通過無線通訊傳輸過程關鍵資料，短資料包，低平均數據率，低功耗，短延遲，資料包傳送有保證；應用範圍：製造自動化，程序控制。從這個實驗可以看到幾個成果，

 1.對於即時資料，當節點較少時，通過網路拓墣進行5次接力（hop），運行結果相當不錯，在延遲、穩定性和功耗等方面均符合要求。

 2.節點密度對資料包的傳輸存在較大影響.節點在50個以內，資料包時間間隔在30s以上丟包率1%以下。這表明如何讓節點密度、資料包間隔時間滿足應用的要求，對ZigBee無線傳輸成功應用於現場層設備是一個巨大挑戰。需要進一步研究開發的問題有：在網路中保證合理的延遲，穩健的控制演算法。

無線短距技術比一比

　　在現場層無線網路中，同樣屬於無線短距網路的IEC 802.15.4／ZigBee要比IEC 802.15.1／藍牙更具廣泛的應用前景。這主要是基於以下三個原因：ZigBee的應用開發門檻遠低於藍牙，其最複雜的網路協調器節點的軟體發展工作量僅為藍牙節點開發的10%，其最簡單的RFD節點的軟體發展工作量僅為藍牙的2%；ZigBee的功耗遠低於藍牙，這是因為就發射的頻寬比來講，ZigBee為0.01，藍牙為0.99，即ZigBee的發射時間只占其週期的1%，而藍牙卻占99%；ZigBee的網路節點容量遠多於藍牙。

 　　目前能夠提供的收發器並可裝載IEEE 802.15.4／ZigBee協定的晶片的主要有：美國的Freescale（MC13192，MC13193）、 Ember（EM2420，EM250內含16位微控制器內核），挪威的Chipcon（CC2420、CC2430內含8位元51系列微控制器內核）等。

 　　綜上所述，我們可以描繪出一個無線傳輸在現場設備層開發應用的全景，即從協定到晶片、從晶片到開發系統、從開發系統到樣機或產品開發、從樣機到無線傳輸系統、再從無線傳輸系統到工業應用試驗。

 　　一如以往，所有的IT技術移植到工控應用中來所採取的方法一樣，用於工業控制領域的無線區域網路的基礎是IT行業的無線區域網路標準，但必須在此基礎上充分考慮在工控應用中的特別要求，開發滿足這些要求的技術、規範和行規。

 　　除此之外，還有涉及安全的：802.11i 安全擴展；涉及性能增強的：802.11e MAC層的QoS擴展，802.11r快速漫遊，802.11n 極高傳輸能力方式，802.11s 網狀聯網； 涉及投用和管理的： 802.11k 射頻資源管理，802.11t 無線性能預測，802.11v 無線網路管理。

 無線網路需求比較

　　考慮到無線區域網路在工業企業中的安全性和適用性問題，製造業的企業一度暫時放緩了建立無線區域網路的步伐。之前美國IDG公司的市場調研人員發現，在美國流程工業中53%的企業、離散型製造業中39%的企業程度不等地應用了無線區域網路技術。在這些應用中很多是集中於物流的倉儲、運輸和裝卸。估計在安全性問題很好解決後，在製造業領域中無線區域網路的應用將會迎來一個高潮。

 　　工業WLAN比一般企業辦公和家庭應用環境用的WLAN要求要高許多，可歸納如下：

（1）嚴格的延遲要求：用於現場設備要求延遲不大於10ms，用於運動控制不大於1ms，對於週期性的控制通訊，使延遲時間的波動減至最小也是很重要的指標。

 （2）確定性性能的保證：保證確定性是對任務執行有嚴格保證的工業通訊系統必備的特性。即使設備處於漫遊狀態也有此要求，否則會喪失即時性能。

 （3）支援大量設備掛網，並容許掛網設備的接入數量可隨機變化：工業WLAN的接入點約為數百個的數量級。若節點過多和接入的節點數有變化，有可能導致IEEE 802.11的MAC協議層效率太低。

 （4）網路安全的保證：滿足安全保密法規是工業WLAN的基本要求。包括防止駭客用戶的侵入及對這些接入點的檢測等。

 （5）網路投用的保證：由於運行故障是不可接受的，因此對於有幾百個設備節點的WLAN來講，要求網路具有自投用功能，並能執行無線配置和輔助節點位置的自動搜索。

 　　IEEE 802.11在技術上並不能提供確定性的保證，但在802.11e 中給出了在MAC層支援多傳輸介質應用及保證通訊品質QoS的擴展。一方面解決了在MAC層的優先順序服務，另方面又通過輪詢規約（polling protocol）實現多介質的通訊調度。由於在本質上具有確定性，因而可以避免由802.11的通道爭用和指數補償而造成的延遲。為了防止可能帶來的不良問題，需要通過自我調整輪詢演算法保證現場設備同步。

 　　由此可見，雖然工業WLAN的市場容量相對較小，但性能要求卻很高。工業WLAN的產品應靈活地通過軟體模組實現802.11的分標準。

 無線傳輸骨幹建置

　　在無線傳輸骨幹方面，由於ZigBee是短距網路，不可能覆蓋整個廠區，加之原有的現場匯流排也很有效，所以必須設計無線資訊骨幹系統。通過建立發射功率較大的無線資訊骨幹（WIB，Wireless Information Backbones），可將ZigBee感測器的資訊傳輸給各種掛在乙太網路、現場匯流排上的物理設備。

 　　WIB的節點一方面是無線網路上的一個節點，另一方面又起著無線通訊協定和其他有線通訊協議的轉換作用，採用1W的發射功率，WIB就可穿透多數的工廠和成套設備。這樣，ZigBee因其發射功率小、易受鋼結構所衰減、傳輸距離短等固有問題，完全可以通過WIB予以解決。而其低功耗、低成本、傳輸可靠性高、簡便實用等優越性又可以充分被利用。

 　　採取這樣的技術路線，不但可將無線通訊應用於有線通訊佈線困難的場合，還可在一定程度上替代有線通訊，以期在節省安裝成本和運行成本方面收到可觀效果，還可提高檢測系統和控制系統組態的靈活性。

 　　綜合上述觀點，可以得到幾個結論：

1.無線傳輸進入工業控制領域的趨勢無可置疑，未來大多數儀錶和自動化產品都將嵌入無線傳輸的功能，由於無線現場儀錶的優點一定要體現在用電池長期供電上，所以一般來說無線傳輸不適用於高速控制的場合，但是實踐證明對大多數監控和慢速控制場合，它足夠可靠；也就是說可以用在將近80%的自動化和程序控制場合。

 2.無線技術會先用在樓宇自動化、自動抄表、事故回應、設備監控SCADA系統、設備資產管理、診斷維護等。當前較適宜應用的行業可能有：物流過程（裝運狀態監控）、汽車製造、食品加工、製藥和流程行業（設備資產跟蹤、監控、管理）等。

 3.用於工業控制的無線技術主要集中在無線區域網路和無線短距網路兩個方向，它們都具有相當牢固和成熟的技術基礎，但為了適應工業控制要求和環境，還需要專門的開發研究。

 4.現有現場匯流排的無線傳輸的可行性正在評估。基於CAN的DeviceNet實現無線通訊的確定性相對要容易，因為其資料包長度相當小，現已有產品問世，但尚未見正式規範，因此只能認為這僅僅是個別的解決方案。

 5.HART基金會已成立無線HART工作組，鑒於採用HART協議傳輸的儀錶市場佔有率高，絕對數量巨大，此動向極為吸引業界關注。

 6.適應各種不同應用類型和要求的無線通訊的標準，有的已經頒佈並被市場接受，有的還在制訂過程中，其發展和市場開發值得我們重視。 

7.應該把無線通訊看成是現有有線通訊系統的一種發展和重要補充，絕非一種替代。

資料來源: 機電整合雜誌第137期/王明德 2010/1/5