自组织无线网络的可靠性

发布时间：2007-01-16 作者：Gabe Sierra，Emerson Process Management无线产品经理，Lara Kauchak，Emerson Process Management亚太区无线市场经理，Chia Peng Soon，Emerson Process Management亚太区无线业务拓展经理

　　许多过程人员都听到过“无线仪表”这个术语，并且认为这非常了不起，不需要导线，但是它的可靠性怎样呢？怎样才能知道你是否在准时接收正确的数据呢？是否每次都能够做到准时接收正确的数据呢？让我们更加深入的研究这个问题，自组织无线网络的可靠性极限是什么？在一个动态的工业环境下，我们应该在什么场合应用这种技术？无线的现场设备真的能够具有足够的可靠性来应对今天复杂的工业环境吗？
　　下一代自组织网络和HART通讯基金会无线工作组正在致力于解决这些问题。其中HART工作组的注意力主要集中在保护当前用户的投资方面。他们采用一系列功能强大的技术标准对目前安装的超过一千五百万台智能设备进行桥接，使其进入无线时代。在这个阶段结束以后，这些技术规范将会与SP-100的最优实施方法导则相结合，进一步帮助用户利用数字化工厂的架构来缩小同先进资产管理模式之间的差距。
　　本文将会集中讨论从一台工业无线现场设备将可靠的数据传送到终端用户的基本原理。请注意我们在这里将要着重讨论的是无线通讯的可靠性。不过总体上的网络可靠性取决于传感器、无线通讯、主机集成度和数据管理等各个方面，但是一个完整无线网络的可靠性却是由其中最薄弱的环节决定的。
　　所有无线网络协议的核心内容都是节约能量和管理能量。无线仪表需要自己给一个电台、传感器和内嵌的电子组件供电。代替有线供电的初级电池寿命可以超过数年，对于这种电池而言无线网络需要运行在负荷循环的模式下，在传感器不工作或者没有进行通讯的时候所有电子组件都处于关闭状态（也被称作“睡眠状态”）。
　　使一个传感器工作在负荷循环模式可以通过简单的计时电路实现，但是怎样才能使整个网络运行在负荷循环模式呢？不仅所有的设备都需要在同一时间醒来，而且这些设备还需要以一种可靠的方式组织和传递信息。
　　为了便于讨论，我们需要定义2个术语：网络可靠性和通路可靠性。网络可靠性指的是网关和网络中的无线设备之间接收到的信息和发送出去的信息之间的比率。这是对终端用户从现场设备接收到所需要数据的能力的一种度量。与这个术语相关联的是“网络反应时间”，这是信息通过无线传送从现场设备出发到被主机接收所花费的时间量。
　　通路可靠性指的是网络当中两个无线设备之间接收到的信息与发送出去的信息的比率，或者一个无线设备与网关之间接收到的信息与发送出去的信息的比率。
　　星形拓扑结构（具有传统点对点/视线范围解决方案的局限性）的通路可靠性通常只能达到40％，很明显这种通路可靠性水平很不理想。对于自组织网络来说，其典型的通道可靠性几乎和传统的视线范围技术一样。但是两者之间有一个很关键的不同点。通过使无线设备担当中间路由器，自组织网络能够使网络可靠性超过99％。当信息无法通过某一个通道进行传送的时候，自组织网络可以提供其它替换通道（冗余）。利用数百英尺范围内的多个相邻设备实现信息传送冗余是自组织网络获得如此超卓可靠性的关键。
　　图1当中的例子显示：通道AB、AC、AD的可靠性全都低于99％，但是或然率表明在任何需要的时刻总会有一个通道是畅通的。

图1：自组织网络的例子说明了可靠性低于99％的通道是怎样组合成可靠的通讯路径的

       自组织网络设备的供应商将会自己根据设备的自动化能力部分地区别开来，以便高效率的决定哪个通路是开放的。一个管理良好的网络应该能够辨别出通路AB（65％）和通路AD（85％）更加可靠，而通路AC（40％）应该被用作备用通路。这种功能使得网络可以迅速进行自我调节来适应不断变化的工业环境，形成规模可变的、能够方便覆盖整个过程单元的网络结构。另一方面，这样就不需要进行代价高昂并且很不可靠的现场调查了。而且由于工业环境是不断变化的，因此这种现场调查的结果也只是反映了某一时刻的状况。
　　例如，如果通路AB被一辆调头的卡车、脚手架或是其它干扰源挡住了，那么无线设备将会首先使用通路AC和AD。网络将会自己识别这个当前的最佳路径并且自动进行组态来优化通讯通路。这种情况在安装网络时和网络在变化的环境当中长期运行时都会不断发生。这种能力使得业主可以比较轻松，因为这是目前唯一能够作到“从盒子里拿出来就能工作”的理想的网络技术。经验表明如果用这种自组织网络连接标准的工业传感器和信息系统的话，即使是最没有经验的工厂技术员也能安装和操作它。
　　当你需要通讯时必须对无线设备进行同步，有两种不同原理的方法可以做到这一点：TDMA（时分多址）和CSMA（冲突侦听多路访问）。对于TDMA方式，每个无线设备都确切的知道自己何时将要在网络内实施通讯，也清楚的知道单位时间内的通讯次数。由图一的例子我们可以知道，设备A将会在计划的时间向设备B传送数据，然后设备B将会存储这些数据并且在计划的时间将其继续传送给另外的设备或者直接传送给网关。这种方式的主要优点就是每个信息都有具体的时间段来通过网络进行传送，因此可以减少由于信息撞车带来的问题。它使得同一个工厂当中的各种无线技术和解决方案可以共存，这样就带给我们在一个拥有数千台设备的工厂当中实现真正规模可变无线网络的最为可靠一种方法。并且这种类型无线网络当中的所有设备并不需要在同一时间激活，这样还能够大大延长设备的电池寿命。
　　对于CSMA方式，网络当中的所有设备必须在同一个时间激活、尝试进行通讯，而不是仅仅一对设备处于激活状态。由图一的例子我们可以知道，如果信息从设备B和设备C同时到达网关，那么它们就会“撞车”，然后它们将再次尝试通过不同的途径传送信息。因此CSMA网络的主要缺点就是实现规模可变需要消耗相当高的功率，因为重新发送“撞车的数据”需要增加通讯量。这种情况对于电池的寿命带来很大的负面影响。当网络当中的无线设备数量增加时，发生撞车的次数也会相应增加。对于特定的工作循环窗口而言，当所有的设备都在通讯时，只有有限数量的智能信息能够在通讯通道被反复的重新发送活动阻塞之前通过。由于这个原因，网络可靠性和反应时间是无法预知的，对于初级电池来说只能支持最小的网络。如果CSMA网络是通过导线实施有源供电，那么它就可以进行无限次的重新发送（同时具有很长的反应时间），但是这样就丧失了真正无线解决方案的优点。
　　可靠性的另外一个方面就是确保通讯设备有一个明确清晰的频率通道以便成功完成信息传送。随着工厂当中无线技术应用的不断增加（例如RFID、Wi-Fi系统等等），无线设备的通讯频率很有可能发生阻塞。这样就需要采用频率捷变技术。
　　频率捷变最常见的方式就是跳频，在这种情况下一对相邻的无线设备将会不断尝试新的频率，直到找到一个能够进行通讯的清晰频道为止。这个技术大大增加了采用不同技术（RFID、Wi-Fi以及其它无线技术）的许多无线设备共存的能力。
　　对于TMDI网络来说，确定通过哪个频率进行通讯的过程已经被包括在同步和先进网络管理算法当中了。考虑到相邻设备之间传送信息所需的时间仅仅数以毫秒计，并且网络还可以运行在许多不同的频率下，因此多重的自组织网络可以很容易的共存于同一个过程单元里。
　　对于CSMA网络，所有无线设备不得不同时通过可用的频率进行通讯，由于存在信息撞车现象、反应时间很长以及设备的功率消耗较高，这些将会降低网络的可靠性。
　　无线网络的主要障碍是功率消耗，它限制了设备电池的寿命。除非用户愿意每过几个月就去更换电池或者引入硬接线来给无线设备供电，否则无线设备测量数据的更新速率将会明显低于有线系统，以便使相邻两次维护之间的时间间隔最长。
　　第一代自组织网络解决方案将会以要求大约每六十秒更新一次数据的应用作为目标服务对象。这是与有线系统完全不同的概念，对于有线系统毫秒级的数据刷新频率也只能算是平常。
　　虽然目前对于高速闭环控制并不可行，但是具有60秒每次数据刷新频率的安全自组织网络可以适应典型的监视应用、开环控制应用和某些对反应时间要求不高的闭环控制回路。
　　所有具有数百－如果不是数千－个监视点的，并且是由操作员通过手动监视或者巡回检查方式监视的工厂。这些应用都是自组织网络的理想的机会。难道每分钟一次的数据更新频率对于监视应用还不够快吗？同每个轮班一次、每天一次、每周一次、每月一次或者从来不更新数据的情况相比较，60秒的数据刷新频率差不多已经是实时更新了。更进一步来说，这样还可以消除手工笔录的笔误、通过刻度盘读数的误差以及采用手持式测量设备测量时糟糕的重复性。
　　很多潜在的开环应用，包括那些可能需要花费一个操作员很长时间来获得合适的工作许可或者需要操作员到现场去执行合适的“控制行动”的应用，例如去现场启动一台机泵或者打开/关闭一台手动切断阀门等。在这些例子当中，一分钟的刷新时间与操作员走到现场的相应位置所需的时间相比简直是微不足道。
　　控制自组织网络反应时间的关键在于确保选中的供应商网络在每个无线设备的每次数据采集时都具有时间标签，并且能够提供成功传送确认信息。可靠的时间标签可以对网络的反应时间进行补偿，而成功传送的确认信息将会验证信息确实到达了主机。
　　随着能量利用效率的不断提高和管理的加强，自组织网络提高测量和传送速度的能力将会使更多的非安全相关/非关键应用变得更加灵活。
　　到那时，真的会出现数百甚至数千个测量点方便的集成到一个典型工厂系统里面去的情况。这将极大的提高用户优化资产的能力，使他们在全球市场上具有更强的竞争力。