ZigBee與OPC技術(shù)在工業(yè)管控系統(tǒng)中的應(yīng)用.doc

ZigBee與OPC技術(shù)在工業(yè)管控系統(tǒng)中的應(yīng)用關(guān)鍵詞：ZigBee，OPC，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)1 引言在計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下,工業(yè)通信技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了20世紀(jì)六七十年代的模擬儀表控制系統(tǒng)、20世紀(jì)八九十年代的集散控制系統(tǒng)(DCS)和20世紀(jì)末的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)階段,正朝著智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向不斷發(fā)展。隨著測(cè)控系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,降低投資和使用成本成為工業(yè)通信技術(shù)發(fā)展新階段的迫切要求。而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器的安裝和使用成本過高成為阻礙工業(yè)通信技術(shù)發(fā)展的主要難題。在這一背景下,無線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的低成本、易用、泛在感知等特征引起了人們廣泛的關(guān)注。無線網(wǎng)絡(luò)成為自動(dòng)化領(lǐng)域中迅速發(fā)展的熱點(diǎn)之一,也是工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品未來的新增長(zhǎng)點(diǎn)。顯而易見,在配置、安裝、修改和擴(kuò)展等方面,無線網(wǎng)絡(luò)的成本都低于有線網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)無線管控網(wǎng)絡(luò)是連接工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無線測(cè)量控制設(shè)備并將設(shè)備信息傳輸?shù)缴蠈悠髽I(yè)信網(wǎng)絡(luò)的一類通信網(wǎng)絡(luò),是利用工業(yè)無線技術(shù)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和管控一體化技術(shù),將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作狀態(tài)信息及時(shí)、可靠地傳輸?shù)缴蠈悠髽I(yè)信息網(wǎng)絡(luò)中去的系統(tǒng)。無線技術(shù)已經(jīng)成為工控領(lǐng)域的核心技術(shù),它將改變工業(yè)自動(dòng)化的格局。基于無線技術(shù)建立的新型網(wǎng)絡(luò)化管控系統(tǒng),是通過對(duì)工業(yè)全流程的“泛在感知”,實(shí)施優(yōu)化控制,來達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能降耗的目標(biāo)。為了推進(jìn)無線技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展,將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域,并將適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境使用,這也代表著工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)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(yīng)用前景。2 傳統(tǒng)傳感方式與無線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)比現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)工業(yè)監(jiān)控方案:傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)(DCS),現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS),工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng),都不是最合適的選擇,以下為有線管控網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。工業(yè)以太網(wǎng)為主流的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò),以其扁平化,高帶寬來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性,并且與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)可以相對(duì)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。基于以上分析,提出無線管控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),將現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)集成起來,實(shí)現(xiàn)管控一體化,有效降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率。實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無線技術(shù)的選擇,來保證工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可靠、實(shí)時(shí)傳輸。無線管控一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下:3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)解決方案本文針對(duì)當(dāng)前無線傳輸在工控領(lǐng)域應(yīng)用遇到的可靠性、實(shí)時(shí)性、互操作性、低能耗等主要問題,在IEEE802.15.4協(xié)議基礎(chǔ)上,提出了基于ZigBee與OPC技術(shù)的無線管控網(wǎng)絡(luò)的解決方案,通過ZigBee自組網(wǎng)、自治愈的智能網(wǎng)絡(luò)機(jī)制與OPC C/S模式建立無線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換,具有成本低、體積小、功耗低的ZigBee技術(shù)無疑成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)之一。1解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的集成問題,從而實(shí)現(xiàn)了完整的無線管控網(wǎng)絡(luò)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(bǔ)充。本文所應(yīng)用的ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)而產(chǎn)生的新興無線通行技術(shù)。相對(duì)于現(xiàn)有的其它無線通信技術(shù),ZigBee技術(shù)具有短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本等顯著特點(diǎn)。而ZigBee已于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有了很成熟的應(yīng)用,ZigBee技術(shù)可協(xié)調(diào)數(shù)千個(gè)微小的傳感器節(jié)點(diǎn)之間的相互通信。這些傳感器節(jié)點(diǎn)只需要很少的能量,以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn),通信效率高。因此,ZigBee技術(shù)是實(shí)現(xiàn)無線工業(yè)管控網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇,ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)為無線工業(yè)管控一體化技術(shù)的發(fā)展提供了契機(jī)。利用ZigBee技術(shù)作為無線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸載體,將會(huì)使無線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)更能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。為了與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合,本文是在研究和分析了當(dāng)前工業(yè)無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)上存在的一些不足,針對(duì)一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)待傳輸數(shù)據(jù)量較大,可靠性高、實(shí)時(shí)性保證的特點(diǎn),在研究IEEE 802.15.4協(xié)議基礎(chǔ)上,提出了一種基于Zigbee與OPC技術(shù)的無線管控一體化實(shí)現(xiàn)思想;一種低成本、低功耗、可靠性高、實(shí)時(shí)性有保證的工業(yè)無線管控網(wǎng)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(bǔ)充;將工業(yè)無線技術(shù)、管控一體化技術(shù)和嵌入式技術(shù)、OPC集成技術(shù)結(jié)合在一起的首次嘗試;并且加強(qiáng)了管控一體化網(wǎng)絡(luò)的開放性和標(biāo)準(zhǔn)性,不同品牌的控制器都可以通過OPC接入管控一體化網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)準(zhǔn)。4 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn):(1) 低速率,其數(shù)據(jù)傳輸速率為10250 kbps,適合傳輸溫度、濕度之類的數(shù)據(jù);(2) 近距離,兩個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shè)備,特別是終端節(jié)點(diǎn)非常省電;據(jù)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(shí)間;(4) 低成本,ZigBee協(xié)議簡(jiǎn)單(不到藍(lán)牙的1/10),從而降低了對(duì)通信控制器的要求,8位單片機(jī)就能滿足要求,目前各家半導(dǎo)體制造商所推出的ZigBee芯片的價(jià)格都在8美元以下,外圍電路簡(jiǎn)單,而且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的;(5) 短時(shí)延,ZigBee的響應(yīng)速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms,節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)只需2s,進(jìn)一步減小了功耗,相比較,藍(lán)牙需要310s,WiFi需要3s;(6) 網(wǎng)絡(luò)容量大,根據(jù)ZigBee規(guī)范,一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納255個(gè)節(jié)點(diǎn),理論上,最大容量高達(dá)65 000個(gè)節(jié)點(diǎn);(7) 動(dòng)態(tài)組網(wǎng),自動(dòng)路由,有自愈功能,可以隨時(shí)在已有網(wǎng)絡(luò)中加入新的節(jié)點(diǎn),那些由于客觀條件而退出網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn),如超出信號(hào)覆蓋范圍,信道被污染等,在條件消除以后可以重新加入網(wǎng)絡(luò),當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)路由器由于種種原因出現(xiàn)故障時(shí),會(huì)重新尋找一條新的最佳路徑;(8) 高安全性,ZigBee提供了三級(jí)安全模式,包括無安全設(shè)定,使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES-128)的對(duì)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(shù)特點(diǎn)決定了它將是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最好選擇2。5 信息集成技術(shù)的選擇工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無線技術(shù)方案的選擇:802.15.4、紅外、HomeRF、藍(lán)牙、802.11b、HiperLAN1等。要考慮目前流行的幾種無線技術(shù)的傳輸速度、適用場(chǎng)合。將它們引入到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)時(shí),要結(jié)合工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò),低成本、可靠性與實(shí)時(shí)性有保證的重要特征來仔細(xì)考慮。從數(shù)據(jù)傳輸率的角度不難看出,HiperLAN2、802.11b較適合于家庭娛樂型網(wǎng)絡(luò),HomeRF、藍(lán)牙則適合于數(shù)據(jù)文件和語音的傳輸。而則IEEE 802.15.4低數(shù)據(jù)傳輸率的監(jiān)測(cè)和控制網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)。由于現(xiàn)階段工業(yè)監(jiān)控場(chǎng)合主要的應(yīng)用是機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)與控制,大部分是標(biāo)量數(shù)據(jù),沒有涉及到語音和視頻。所以本文選用IEEE 802.15.4無線技術(shù)方案。這不僅是因?yàn)樗臄?shù)據(jù)傳輸率適合工業(yè)監(jiān)控需求。更是因?yàn)樗兄统杀?低復(fù)雜度,超低功耗,廣闊的市場(chǎng)前景等特點(diǎn)。現(xiàn)有的信息集成方案有:采用DDE技術(shù)實(shí)現(xiàn)、采用統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn),還可以采用OPC技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。(1) 采用DDE技術(shù)實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)之間架設(shè)一個(gè)中間系統(tǒng)或共享存儲(chǔ)器工作站,在其上采用基于Windows平臺(tái)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(Dynamic Data Exchange,DDE)方式實(shí)現(xiàn)兩者的集成,其實(shí)質(zhì)是各應(yīng)用程序通過共享內(nèi)存交換信息,實(shí)際上是一種協(xié)議。DDE協(xié)議使用共享內(nèi)存在應(yīng)用程序之間傳輸數(shù)據(jù),完成應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換。DDE集成方式雖然具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性,且借助windows平臺(tái)較容易實(shí)現(xiàn),但是整個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換較復(fù)雜,軟件開銷比較大,所以只適合配置簡(jiǎn)單的小型系統(tǒng)。(2) 采用統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)由于現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)均采用了面向不同應(yīng)用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),這樣兩者的集成就需要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換,這種協(xié)議轉(zhuǎn)換將使系統(tǒng)復(fù)雜化。倘若現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)均采用相同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),那就不需要協(xié)議轉(zhuǎn)換了。但這種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)必須同時(shí)滿足現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、可靠性要求?，F(xiàn)今在工業(yè)控制領(lǐng)域比較流行的工業(yè)以太網(wǎng),它是在以太網(wǎng)技術(shù)和TCPIP技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的一種現(xiàn)場(chǎng)總線,可以方便地實(shí)現(xiàn)與Internet實(shí)現(xiàn)無縫鏈接,它同時(shí)滿足了現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的性能需求。這種方式將成為控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)。(3) 采用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)OPC(OLE for Process Control)是一套為Windows操作平臺(tái)的工業(yè)應(yīng)用程序之間提供高效的信息集成和交互功能的組件對(duì)象模型接口標(biāo)準(zhǔn),它以微軟的組件對(duì)象模型COM/DCOM/COM+技術(shù)為基礎(chǔ),采用Client/Server(客戶/服務(wù)器)模式。OPC在軟件之間建立單一的數(shù)據(jù)訪問規(guī)范,這個(gè)接口規(guī)范不但能夠應(yīng)用于單臺(tái)計(jì)算機(jī),而且可以支持網(wǎng)絡(luò)上的分布應(yīng)用程序之間的通信和不同平臺(tái)上應(yīng)用程序之間的通信,該技術(shù)完全支持分布應(yīng)用和異構(gòu)環(huán)境下應(yīng)用程序之間的無縫集成和互操作性。采用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)方式配置硬件和軟件接口,一個(gè)設(shè)備可以很容易地加入現(xiàn)有系統(tǒng)并立即使用,不需要復(fù)雜的配置,且不會(huì)影響現(xiàn)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(dāng)中,如維護(hù)、監(jiān)督、操作顯示和文檔管理等。OPC技術(shù)相對(duì)來說已經(jīng)比較成熟,基于微軟平臺(tái)的,發(fā)展比較完善,所以無線管控網(wǎng)絡(luò)方案實(shí)施在于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無線技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。提出Zigbee與OPC集成技術(shù)相結(jié)合的方案,將無線管控網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)線監(jiān)控領(lǐng)域,這是工業(yè)無線技術(shù)、管控一體化技術(shù)在實(shí)際工程的首次嘗試。6 結(jié)束語長(zhǎng)期以來,低價(jià)、低傳輸率、短距離、低功率的無線通訊市場(chǎng)一直存在著。自從Bluetooth出現(xiàn)以后,曾讓工業(yè)控制、家用自動(dòng)控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已,但是Bluetooth的售價(jià)一直居高不下,嚴(yán)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(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),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(shù)據(jù)從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn),所以它們的通信效率非常高。OPC服務(wù)器是實(shí)現(xiàn)無線現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息管理網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵橋梁,OPC在軟件之間建立單一的數(shù)據(jù)訪問規(guī)范,這個(gè)接口規(guī)范不但能夠應(yīng)用于單臺(tái)計(jì)算機(jī),而且可以支持網(wǎng)絡(luò)上的分布應(yīng)用程序之間的通信和不同平臺(tái)上應(yīng)用程序之間的通信,該技術(shù)完全支持分布應(yīng)用和異構(gòu)環(huán)境下應(yīng)用程序之間的無縫集成和互操作性。由于OPC技術(shù)本身比較成熟,所以無線管控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)就是無線現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)系