Quality is life, service is the tenet
工業(yè)設(shè)備及儀器儀表無線遠傳技術(shù)方案
1.概述
企業(yè)信息化是增強企業(yè)競爭力的重要手段，實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)信息化，將有效推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級，是促進經(jīng)濟發(fā)展和社會信息化的重要基礎(chǔ)性工作。組建完整的信息化系統(tǒng)是信息化改造中*，而生產(chǎn)過程中對現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備及儀器儀表的數(shù)據(jù)采集為制造執(zhí)行系統(tǒng)和企業(yè)資源管理系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)源，是企業(yè)信息化的基礎(chǔ)。
目前工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的方法及接口都是多種多樣的，大體可以分為有線和無線兩類。有線方式主要包括Profibus-DP現(xiàn)場總線、RS-485等；無線方式主要有基于GPRS方式、基于Zigbee協(xié)議方式等。
普賽通信根據(jù)自身技術(shù)特點，提供一套無線遠傳技術(shù)方案，即基于普賽無線自組網(wǎng)絡(luò)的無線遠傳技術(shù)方案。在不影響現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備正常工作的條件下完成對串口數(shù)據(jù)的采集及分析，提取用戶所需數(shù)據(jù)，并通過普賽傳輸無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)送回數(shù)據(jù)服務(wù)器。無線組網(wǎng)設(shè)備由PT-10系列無線設(shè)備、無線路由器（可選）及基站組成，完成無線網(wǎng)絡(luò)的搭建，實現(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò)。計算機數(shù)據(jù)接收軟件采用B/S結(jié)構(gòu)，將收集數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并提供瀏覽功能，方便用戶瀏覽數(shù)據(jù)。同時，該軟件可實現(xiàn)與其他軟件的接口，將數(shù)據(jù)送入其他系統(tǒng)中。
2、基于無線自組網(wǎng)的遠程傳輸技術(shù)
1、系統(tǒng)組成
①數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊（以下稱采集節(jié)點）。每臺工業(yè)設(shè)備（如流量計、控制柜等）上連接一個數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊，負責采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并通過無線發(fā)送出去。
②數(shù)據(jù)接收模塊（以下稱接收基站）。放置于控制監(jiān)控中心，也可通過互聯(lián)網(wǎng)可直接將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠端監(jiān)控中心。
③路由模塊?？蛇x配。在信號強度低、距離較遠或者其他影響信號傳輸情況下，可通過增加路由方式增強信號傳輸可靠性。
2、工作原理
數(shù)據(jù)采集模塊通過Modbus接口連接至設(shè)備，定時采集設(shè)備數(shù)據(jù)（間隔時間可由服務(wù)器），并通過無線方式向外發(fā)送，每個采集節(jié)點既可以在mesh網(wǎng)絡(luò)里進行數(shù)據(jù)傳輸，也可以作為其他節(jié)點傳輸路徑中的路由節(jié)點，并且可以通過無線方式接收服務(wù)器下發(fā)的控制命令（如開關(guān)閥門命令）。
數(shù)據(jù)接收設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后通過標準接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心計算機存儲，也可以通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至遠端控制中心。對于信號弱或者障礙物較多的情況，可以通過安裝無線路由器來實現(xiàn)區(qū)域的無線覆蓋，并提高傳輸穩(wěn)定性與可靠性。
針對不同的需求，我公司提供兩種數(shù)據(jù)接收基站接入方式。
*種，針對需要在工業(yè)現(xiàn)場控制室監(jiān)測數(shù)據(jù)的情況，數(shù)據(jù)接收設(shè)備提供標準RS-232串行接口或USB2.0接口直接連接至計算機，通過軟件實時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)并且可以下發(fā)相關(guān)控制命令。遠端控制中心可以使用互聯(lián)網(wǎng)通過驗證的方式訪問控制室數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。
第二種，針對僅需要在遠端控制中心監(jiān)測數(shù)據(jù)的情況，數(shù)據(jù)接收設(shè)備提供標準網(wǎng)口接口，使用TCP/IP協(xié)議直接將數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至遠端服務(wù)器，或者使用GPRS無線方式發(fā)送。
3、方案優(yōu)點
①實時性強，可以持續(xù)讀取設(shè)備數(shù)據(jù)。
②效率高，從采集到統(tǒng)計均為自動完成，無需人工干預。
③零通信成本，無線采用免費頻段，無需注冊，無通訊費。
④采用自動跳頻技術(shù)，通訊穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，可達到99.9%一次讀取成功率。
⑤網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有自組網(wǎng)特性，具有自動中繼鏈路功能，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣。
⑥控制中心可通過無線設(shè)置采集頻率。
⑦良好的系統(tǒng)擴展性。當生產(chǎn)規(guī)模擴充時，相應(yīng)地增加采集器、集中器的數(shù)量即可完成系統(tǒng)的擴展。
3、方案對比
1、無線方案與有線方案對比
有線方式 | 無線方式 | |
簡介 | 通過現(xiàn)場總線等方式，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉?，進行分析存儲。 | 使用無線傳輸方式，通過星形網(wǎng)絡(luò)或Mesh網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。 |
傳輸速度 | 高速傳輸 | 較快，可滿足一般需求 |
傳輸可靠性 | 高 | 較高 |
施工難度 | 大。需要規(guī)劃布線、預設(shè)接口、線路檢測與線路擴容等工作。 | 小。只需要將無線采集模塊連接至設(shè)備即可。 |
施工成本 | 主要為布線費用及信號線成本。 | 無線采集模塊費用。 |
維護成本 | 工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣時信號線容易出現(xiàn)故障，查詢難度大。 | 故障率低，出現(xiàn)故障時易查詢，一般帶故障報警功能。 |
2、多種無線方案對比
目前的工業(yè)無線通信網(wǎng)絡(luò)以點對點數(shù)據(jù)傳輸和星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用了主站輪詢各從站、從站依次上傳數(shù)據(jù)的方式，網(wǎng)絡(luò)在固定信道上進行傳輸。該方法存在以下問題：
●網(wǎng)絡(luò)不支持中繼傳輸。如果障礙物存在，就必須組成多個星形網(wǎng)絡(luò)，導致實現(xiàn)復雜，可靠性降低。
●功耗大，所有從站必須一直處于偵聽模式，不適合電池供電的場合。
●固定信道易受其他噪聲干擾，降低了可靠性。
普賽的無線網(wǎng)絡(luò)采用了基于多信道和時間同步的技術(shù)方案。在無線網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點按自己默認的偽隨機序列在多個信道上切換，同時將時間劃分為多個時間片，節(jié)點按預定的序列在每個超幀周期選擇不同的時間片在不同的信道蘇醒，而在其他時間片休眠。該技術(shù)的主要優(yōu)勢是：
●多信道技術(shù)可以有效地避免在公用波段常見的單一信道干擾。由于采用了全部16個信道傳輸，鄰近節(jié)點可以在同一時間不同信道上通信，使得系統(tǒng)通信容量大大提高。
●時間同步技術(shù)使得通信時延可預測，可控制，并且減少了數(shù)據(jù)碰撞的概率。同時，由于節(jié)點之間可以同步地休眠和蘇醒，有效地降低了功耗并且實現(xiàn)了低功耗的路由器。
●可靠穩(wěn)定的傳輸模式。所有節(jié)點同時維護多條通信路徑，一條路徑被阻斷后可以立即選用備選路徑傳輸。
該技術(shù)處于水平，目前像愛默生（Emerson）、霍尼韋爾（Honeywell）等自動化設(shè)備生產(chǎn)廠家都采納了類似的無線技術(shù)方案為他們的產(chǎn)品增加無線功能。我們致力于提高產(chǎn)品在工業(yè)環(huán)境下的可靠性、穩(wěn)定性和抗干擾性，采用了冗余路徑、斷點重傳、端到端確認等多種技術(shù)達到工業(yè)無線組網(wǎng)的嚴格要求。在長期疲勞測試中，我們的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了99.9%以上的傳輸成功率。同時，在每30秒發(fā)送一次數(shù)據(jù)包的情況下，平均電流低至1.5毫安，在兩節(jié)5號電池供電的情況下可以連續(xù)工作至少三個月。
與其他方案相比，我們的方案特色與優(yōu)勢：
普賽工業(yè)級無線傳感網(wǎng) | Wi-Fi（802.11）網(wǎng)絡(luò) | GPRS網(wǎng)絡(luò) | Zigbee網(wǎng)絡(luò) | |
通信運營費用 | 無（公用頻段） | 無（公用頻段） | 有（短信或GPRS網(wǎng)絡(luò)流量費） | 無（公用頻段） |
功耗 | 低（采用全網(wǎng)同步休眠技術(shù)，5號電池供電3-6個月） | 高（筆記本電池供電2-3小時） | 中（手機電池供電1-2天） | 5號電池高功耗路由器節(jié)點可供電2-3天，低功耗終端節(jié)點可供電6個月 |
可靠性 | 高（多信道傳輸，冗余路徑多次重傳，保證99.9%數(shù)據(jù)傳輸可靠性） | 一般 | 依賴于運營商網(wǎng)絡(luò) | 弱（僅在單一信道組網(wǎng)，易受其他網(wǎng)絡(luò)干擾） |
組網(wǎng)能力 | 強（多跳中繼傳輸，自組網(wǎng)，自修復，可繞過障礙物、增加傳輸距離） | 弱（僅支持星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)） | 依賴于運營商網(wǎng)絡(luò) | 網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)及每跳節(jié)點數(shù)量需要事先確定 |
工作頻段 | 2.4GHz，800MHz、470MHz和433MHz等所有ISM免費頻段，根據(jù)客戶使用需求靈活配置 | 2.4GHz | 移動、聯(lián)通授權(quán)頻段 | 2.4GHz |
用戶定制性 | 節(jié)點有RS232，RS485，CAN總線接口，8路模擬I/O及8路數(shù)字I/O，可根據(jù)客戶要求實現(xiàn)數(shù)傳、采樣及控制功能 | 低 | 低 | 根據(jù)不同廠商而定 |
4、附錄：
1、縮略語
縮略語 | 英文全名 | 中文解釋 |
GPRS | General Packet Radio Service | 移動通信運營商利用無線控制信道提供的一種低速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù) |
2、術(shù)語/定義
無線自組網(wǎng)絡(luò) | 無線自組網(wǎng)，或無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，也稱為“多跳（multi-hop）”網(wǎng)絡(luò)，它是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)*不同的新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)(WLAN)中，每個客戶端均通過一條與AP相連的無線鏈路來訪問網(wǎng)絡(luò)，用戶如果要進行相互通信的話，必須首先訪問一個固定的接入點(AP)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被稱為單跳網(wǎng)絡(luò)。而在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何無線設(shè)備節(jié)點都可以同時作為AP和路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號，每個節(jié)點都可以與一個或者多個對等節(jié)點進行直接通信。這種結(jié)構(gòu)的zui大好處在于：如果zui近的AP由于流量過大而導致?lián)砣脑挘敲磾?shù)據(jù)可以自動重新路由到一個通信流量較小的鄰近節(jié)點進行傳輸。依此類推，數(shù)據(jù)包還可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況，繼續(xù)路由到與之zui近的下一個節(jié)點進行傳輸，直到到達zui終目的地為止。這樣的訪問方式就是多跳訪問。 |
Mesh接入點 | Mesh接入點提供了Mesh網(wǎng)絡(luò)與骨干網(wǎng)的鏈接。其他Mesh設(shè)備自動尋找到接入點的路由。 |
Mesh路由器 | Mesh網(wǎng)絡(luò)中提供多跳路由功能的設(shè)備。 |
RS-232接口 | 計算機串行通信口物理接口方式，實現(xiàn)外部設(shè)備與計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸。 |
RS-485 | 數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸。 |
Modbus | Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。 |
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