ZigBee與OPC技術在工業(yè)管控系統(tǒng)中的應用.doc

ZigBee與OPC技術在工業(yè)管控系統(tǒng)中的應用關鍵詞：ZigBee，OPC，工業(yè)網絡1 引言在計算機、通信和網絡技術發(fā)展的推動下,工業(yè)通信技術的發(fā)展經歷了20世紀六七十年代的模擬儀表控制系統(tǒng)、20世紀八九十年代的集散控制系統(tǒng)(DCS)和20世紀末的現場總線控制系統(tǒng)(FCS)階段,正朝著智能化和網絡化的方向不斷發(fā)展。隨著測控系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大,降低投資和使用成本成為工業(yè)通信技術發(fā)展新階段的迫切要求。而工業(yè)現場傳感器的安裝和使用成本過高成為阻礙工業(yè)通信技術發(fā)展的主要難題。在這一背景下,無線工業(yè)網絡的低成本、易用、泛在感知等特征引起了人們廣泛的關注。無線網絡成為自動化領域中迅速發(fā)展的熱點之一,也是工業(yè)自動化產品未來的新增長點。顯而易見,在配置、安裝、修改和擴展等方面,無線網絡的成本都低于有線網絡。工業(yè)無線管控網絡是連接工業(yè)現場無線測量控制設備并將設備信息傳輸到上層企業(yè)信網絡的一類通信網絡,是利用工業(yè)無線技術嵌入式系統(tǒng)技術和管控一體化技術,將工業(yè)現場設備工作狀態(tài)信息及時、可靠地傳輸到上層企業(yè)信息網絡中去的系統(tǒng)。無線技術已經成為工控領域的核心技術,它將改變工業(yè)自動化的格局?；跓o線技術建立的新型網絡化管控系統(tǒng),是通過對工業(yè)全流程的“泛在感知”,實施優(yōu)化控制,來達到提高產品質量和節(jié)能降耗的目標。為了推進無線技術在工業(yè)領域的快速發(fā)展,將無線傳感器網絡應用于工業(yè)自動化領域,并將適合在惡劣的工業(yè)現場環(huán)境使用,這也代表著工業(yè)自動化系統(tǒng)技術的發(fā)展方向,將在在石油天然氣開采、石化、冶金、污水處理等高耗能、高污染行業(yè)有廣泛的應用前景。2 傳統(tǒng)傳感方式與無線傳感網絡對比現有的實現工業(yè)監(jiān)控方案:傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)(DCS),現場總線控制系統(tǒng)(FCS),工業(yè)以太網系統(tǒng),都不是最合適的選擇,以下為有線管控網絡架構圖。工業(yè)以太網為主流的工業(yè)控制網絡,以其扁平化,高帶寬來保證數據傳輸的實時性,并且與企業(yè)信息網絡可以相對容易的集成在一起,但是它也有不能忽視的弊端:就是成本比較高,而且不易部署,布線比較麻煩?；谝陨戏治?提出無線管控網絡系統(tǒng),將現場控制網絡與企業(yè)信息網絡集成起來,實現管控一體化,有效降低生產成本,提高生產效率。實現工業(yè)現場無線技術的選擇,來保證工業(yè)現場數據可靠、實時傳輸。無線管控一體化網絡架構如下:3 無線傳感網絡解決方案本文針對當前無線傳輸在工控領域應用遇到的可靠性、實時性、互操作性、低能耗等主要問題,在IEEE802.15.4協(xié)議基礎上,提出了基于ZigBee與OPC技術的無線管控網絡的解決方案,通過ZigBee自組網、自治愈的智能網絡機制與OPC C/S模式建立無線工業(yè)網絡的數據交換,具有成本低、體積小、功耗低的ZigBee技術無疑成為無線傳感器網絡的首選技術之一。1解決工業(yè)現場控制網絡與企業(yè)信息網絡技術的集成問題,從而實現了完整的無線管控網絡方案,作為有線工業(yè)管控一體化系統(tǒng)的一種發(fā)展和重要補充。本文所應用的ZigBee技術是一種基于IEEE802.15.4協(xié)議標準而產生的新興無線通行技術。相對于現有的其它無線通信技術,ZigBee技術具有短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本等顯著特點。而ZigBee已于無線傳感器網絡有了很成熟的應用,ZigBee技術可協(xié)調數千個微小的傳感器節(jié)點之間的相互通信。這些傳感器節(jié)點只需要很少的能量,以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器節(jié)點傳到另一個傳感器節(jié)點,通信效率高。因此,ZigBee技術是實現無線工業(yè)管控網絡的最佳選擇,ZigBee技術的出現為無線工業(yè)管控一體化技術的發(fā)展提供了契機。利用ZigBee技術作為無線工業(yè)網絡的傳輸載體,將會使無線工業(yè)網絡更能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。為了與實際應用相結合,本文是在研究和分析了當前工業(yè)無線通信技術實現上存在的一些不足,針對一些工業(yè)現場無線數據傳輸網待傳輸數據量較大,可靠性高、實時性保證的特點,在研究IEEE 802.15.4協(xié)議基礎上,提出了一種基于Zigbee與OPC技術的無線管控一體化實現思想;一種低成本、低功耗、可靠性高、實時性有保證的工業(yè)無線管控網系統(tǒng)解決方案;作為有線工業(yè)管控一體化系統(tǒng)的一種發(fā)展和重要補充;將工業(yè)無線技術、管控一體化技術和嵌入式技術、OPC集成技術結合在一起的首次嘗試;并且加強了管控一體化網絡的開放性和標準性,不同品牌的控制器都可以通過OPC接入管控一體化網絡中的標準。4 ZigBee無線網絡特點ZigBee無線網絡具有如下特點:(1) 低速率,其數據傳輸速率為10250 kbps,適合傳輸溫度、濕度之類的數據;(2) 近距離,兩個節(jié)點之間的單跳距離在1075m之間;(3) 低功耗,由于傳輸速率低,通信距離短,其發(fā)射功率僅為1mW,而且ZigBee芯片都采用了休眠模式,因此ZigBee設備,特別是終端節(jié)點非常省電;據估算,一節(jié)普通容量的鋰電池就可以維持0.53年的使用時間;(4) 低成本,ZigBee協(xié)議簡單(不到藍牙的1/10),從而降低了對通信控制器的要求,8位單片機就能滿足要求,目前各家半導體制造商所推出的ZigBee芯片的價格都在8美元以下,外圍電路簡單,而且ZigBee協(xié)議是免專利費的;(5) 短時延,ZigBee的響應速度較快,一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15ms,節(jié)點加入網絡只需2s,進一步減小了功耗,相比較,藍牙需要310s,WiFi需要3s;(6) 網絡容量大,根據ZigBee規(guī)范,一個ZigBee網絡可以容納255個節(jié)點,理論上,最大容量高達65 000個節(jié)點;(7) 動態(tài)組網,自動路由,有自愈功能,可以隨時在已有網絡中加入新的節(jié)點,那些由于客觀條件而退出網絡的節(jié)點,如超出信號覆蓋范圍,信道被污染等,在條件消除以后可以重新加入網絡,當網絡中的某個路由器由于種種原因出現故障時,會重新尋找一條新的最佳路徑;(8) 高安全性,ZigBee提供了三級安全模式,包括無安全設定,使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES-128)的對稱密碼,以靈活確定其安全屬性;(9) 免執(zhí)照頻段,使用的頻段分別為2.4GHz(全球)、868MHz(歐洲)和915MHz(美國),均為免執(zhí)照頻段。ZigBee的以上技術特點決定了它將是無線傳感器網絡的最好選擇2。5 信息集成技術的選擇工業(yè)現場無線技術方案的選擇:802.15.4、紅外、HomeRF、藍牙、802.11b、HiperLAN1等。要考慮目前流行的幾種無線技術的傳輸速度、適用場合。將它們引入到工業(yè)控制網絡時,要結合工業(yè)控制網絡,低成本、可靠性與實時性有保證的重要特征來仔細考慮。從數據傳輸率的角度不難看出,HiperLAN2、802.11b較適合于家庭娛樂型網絡,HomeRF、藍牙則適合于數據文件和語音的傳輸。而則IEEE 802.15.4低數據傳輸率的監(jiān)測和控制網絡的首選技術。由于現階段工業(yè)監(jiān)控場合主要的應用是機械設備遠程的監(jiān)測與控制,大部分是標量數據,沒有涉及到語音和視頻。所以本文選用IEEE 802.15.4無線技術方案。這不僅是因為它的數據傳輸率適合工業(yè)監(jiān)控需求。更是因為它有著低成本,低復雜度,超低功耗,廣闊的市場前景等特點?，F有的信息集成方案有:采用DDE技術實現、采用統(tǒng)一的協(xié)議標準來實現,還可以采用OPC技術來實現。(1) 采用DDE技術實現在現場控制網絡和企業(yè)信息網絡之間架設一個中間系統(tǒng)或共享存儲器工作站,在其上采用基于Windows平臺的動態(tài)數據交換(Dynamic Data Exchange,DDE)方式實現兩者的集成,其實質是各應用程序通過共享內存交換信息,實際上是一種協(xié)議。DDE協(xié)議使用共享內存在應用程序之間傳輸數據,完成應用程序之間的數據交換。DDE集成方式雖然具有較強的實時性,且借助windows平臺較容易實現,但是整個協(xié)議轉換較復雜,軟件開銷比較大,所以只適合配置簡單的小型系統(tǒng)。(2) 采用統(tǒng)一的協(xié)議標準實現由于現場控制網絡和企業(yè)信息網絡均采用了面向不同應用的協(xié)議標準,這樣兩者的集成就需要進行數據格式的轉換,這種協(xié)議轉換將使系統(tǒng)復雜化。倘若現場控制網絡與企業(yè)信息網絡均采用相同的協(xié)議標準,那就不需要協(xié)議轉換了。但這種協(xié)議標準必須同時滿足現場控制網絡與企業(yè)信息網絡的實時性、可靠性要求?，F今在工業(yè)控制領域比較流行的工業(yè)以太網,它是在以太網技術和TCPIP技術的基礎上開發(fā)出來的一種現場總線,可以方便地實現與Internet實現無縫鏈接,它同時滿足了現場控制網絡與企業(yè)信息網絡的性能需求。這種方式將成為控制網絡和信息網絡完全集成的最終解決方案。但是它還是一種有線的方式,有成本較高、不易部署等缺點。(3) 采用OPC技術實現OPC(OLE for Process Control)是一套為Windows操作平臺的工業(yè)應用程序之間提供高效的信息集成和交互功能的組件對象模型接口標準,它以微軟的組件對象模型COM/DCOM/COM+技術為基礎,采用Client/Server(客戶/服務器)模式。OPC在軟件之間建立單一的數據訪問規(guī)范,這個接口規(guī)范不但能夠應用于單臺計算機,而且可以支持網絡上的分布應用程序之間的通信和不同平臺上應用程序之間的通信,該技術完全支持分布應用和異構環(huán)境下應用程序之間的無縫集成和互操作性。采用OPC技術實現信息集成方案是合適可行的。OPC開發(fā)的最重要的目的是即插即用,也就是采用標準方式配置硬件和軟件接口,一個設備可以很容易地加入現有系統(tǒng)并立即使用,不需要復雜的配置,且不會影響現有系統(tǒng),系統(tǒng)中的信息也可以很方便地分散至眾多支持OPC的軟件當中,如維護、監(jiān)督、操作顯示和文檔管理等。OPC技術相對來說已經比較成熟,基于微軟平臺的,發(fā)展比較完善,所以無線管控網絡方案實施在于工業(yè)現場無線技術的實現。提出Zigbee與OPC集成技術相結合的方案,將無線管控網技術應用于工業(yè)生產線監(jiān)控領域,這是工業(yè)無線技術、管控一體化技術在實際工程的首次嘗試。6 結束語長期以來,低價、低傳輸率、短距離、低功率的無線通訊市場一直存在著。自從Bluetooth出現以后,曾讓工業(yè)控制、家用自動控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已,但是Bluetooth的售價一直居高不下,嚴重影響了這些廠商的使用意愿。ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術,主要用于近距離無線連接。這些傳感器只需要很少的能量,以接力的方式通過無線電波將數據從一個網絡節(jié)點傳到另一個節(jié)點,所以它們的通信效率非常高。OPC服務器是實現無線現場監(jiān)控網絡與企業(yè)信息管理網絡的關鍵橋梁,OPC在軟件之間建立單一的數據訪問規(guī)范,這個接口規(guī)范不但能夠應用于單臺計算機,而且可以支持網絡上的分布應用程序之間的通信和不同平臺上應用程序之間的通信,該技術完全支持分布應用和異構環(huán)境下應用程序之間的無縫集成和互操作性。由于OPC技術本身比較成熟,所以無線管控系統(tǒng)的關鍵技術就是無線現場數據采集網絡系