领略无线I/O 精彩世界
发布时间：2004-04-07 Jim Montague，CONTROL ENGINEERING新闻编辑
与硬连线网络相比，无线方案可以节省时间、材料及人工，而且有些无线I/O解决方案还能降低WLAN以及基于现场总线系统的配置、编程及其他要求。本文介绍几个用户如何简化及实施无线方案以满足其业务需求的案例。
不能因为您看不到无线网络的传输部分就意味着它们不存在。与硬连线及双绞线相比，尽管使用无线方案意味着需要不同的任务与工具，和了解各种无线通信方式的物理差异，但它也同样需要人们的“温柔呵护”。
无论是可见还是不可见，工业网络的使命依然如故，即：根据物理条件来精确、快速及安全地将信号及数据传输至可对它们进行分析并进行决策的地方，然后再将指令及进一步的查询传回（如果需要的话）。另外，在使用任何一种工业网络时，您都必须十分清楚您需要及想要达到的目标，然后再找出您的应用及环境所能处理的那部分（在您决定使用哪一种无线技术以前）。
无线I/O基础
一些用户目前正在使用的一种最有前途的无线技术是无线输入/输出（I/O），基本上它会先从I/O点上收集4~20 mA的模拟或其他原始信号，然后再将这些数据通过无线电发往中央处理设备，如PC或PLC等。这种方法不使用无线局域网（WLAN）或现场总线，这意味着它的速度较慢且不能公用，但要比基于WLAN的网络更易于实现。这种简单性使得无线I/O更易于使用，同时也意味着无需与现有IT基础设施进行协调。此外，通过无线I/O，用户通常还能节省材料及人力，而且由于无需对WLAN或现场总线进行配置及编程，用户甚至还能节省更多的时间和金钱。
因此，无线I/O在改造及扩建项目上正变得越来越流行，且经常用来帮助削减开支，据ARC咨询集团Harry Forbes所撰写的一份最新报告称，虽然大多数无线I/O系统目前都用于数据采集，但也曾成功地用于一些闭环控制应用中--尽管有效带宽限制了它们的控制速度。无线I/O可传输模拟及离散传感器信号，虽然只有1~20 Hz，但对于许多控制应用来说已经够用。无线I/O的主要限制是每一个无线I/O点所传送的信号数量有限，因此在I/O点数较多的地方，WLAN更具有吸引力，ARC称。
“尽管无线I/O是一个简单的概念，但它在工厂控制工程师们的心目中仍是一种新生事物。由于这一概念容易把人吓着，因此我们将它称之为不需要使用双绞线的无线I/O”，Elpro Technologies公司总经理Graham Moss说，“即使‘无线’这一词也还是有些吓人，但现在大部分人已不再去设想最坏的情况，而是开始认识到他们能够在许多应用中使用无线”。
为拓展潜在用户以及使无线易于实施，已有几家厂商开发出能将无线I/O与其他传感及联网功能集成在一起的解决方案。例如，Accutech公司开发的无线仪表系统（Wireless Instrumentation System，WIS）即包含了经过集成与校准的传感器，用于检测温度、压力、声音及多输入（模拟与离散）的电池供电（寿命5年）的现场收发器，带RS-232、RS-485 Modbus和4~20 mA输出选项的基地无线电收发器，以及用于数据管理及异常情况报告的软件。这些单元已被批准在危险区域使用，事实上，纽约Consolidated Edison公司的工程师已能在45分钟之内将Accutech公司的这套系统安装在城市暖气分配计量站上，而以前却需耗时两小时。
此外，Honeywell Process Solutions也推出了用来监控压力、温度等物理量的XYR5000无线变送器。这些装置还包括用来为4~20 mA设备增添无线能力、以及将测量结果无线传输至与控制系统或数据采集设备（如记录仪或PC等）相连的基地无线电收发器的模拟输入接口。每一基地收发器可同时接收来自多达50部无线变送器的信号。XYR5000型无线变送器无需布线即能实现过程与资产监控，并允许在旋转设备上进行测量。
在过去几年中，Phoenix Contact及Omnex Control Systems公司共同致力于为工厂用户提供无线I/O设备。相对于构建一个网络，这些工厂用户通常更关心信号传输的安全性。Phoenix公司一开始研究利用跳频扩频（Frequency-Hopping Spread Spectrum，FHSS）技术来对其有线4~20 mA信号调理器执行基于I/O的收集与发送。
“过程应用一般总是测量和发送温度、压力、物位及流量数据，并且通常用4~20 mA模拟信号来指示过程状态、或者用数据告警信号”，Phoenix公司仪表与无线产品市场经理Davis Mathews指出，“因此我们和Omnex公司联合推出了一种可无线接收一路4~20 mA信号或两路数据输入信号且无需进行设置或编程的设备。我们特地采用一种简单的方法，以我们目前的水平我们并没有太大的担心，因为我们只是使一台设备无线，而不是整个现场总线网络。这种方案允许用户先试验一台或两台无线I/O设备，然后在他们准备好以后再增加更多的设备”。
利用Omnex公司开发的值得信任的无线I/O及数据无线电收发器，Phoenix公司开发出MCR-RAD(Measurement Control Regulation-Radio Analog Digital)技术，它可在96 kbps速率上、以及联邦规则所允许的较高功率上（最高可至1W）传输16~18位小型数据包。这使MCR-RAD信号能更好地穿过物体并能在更远的距离上传输。两家公司联合开发的第一种产品是可接收一路信号的RAD-UD（单向）。为满足用户的要求，他们随后又开发出可接收多路I/O信号（多达33路模拟或66路数字或其组合）的RAD-BD（双向）产品。
为消除串联节点与点对多点网络之间的连线，Phoenix及Omnex公司还于2004年1月公布了RAD-Data系列（DS）。“用户能在每一站点上部署RAD-Data总线，并能直接将I/O点与其相连，从而无需在PLC通常被多个I/O点包围的应用中在每一个站点都使用一个PLC”，Mathews说，“这将使用户能设定他们自己的控制器--Modbus网络中的主控器，同时，各站点将会自动变成该网络中的从控器，对于主控器而言它们看起来就像是PLC。完成这种设置后，Modbus将像在正常及有线PLC网络中一样注册模拟及离散I/O信号。这基本上是用一种无线的方式来进行传统的联网，但可以不必改变已经完成的部署”。
油罐管理及水处理 为减少产品转运过程中由于关键物位数据干扰而产生的告警及通信中断，Marathon Ashland Petroleum公司最近安装了由Phoenix及Omnex公司提供的MCR-RAD产品，来帮助管理其位于开曼群岛路易斯维尔（Louisville，KY）偏远油库区中的5个储油罐及其主油库区中的19个储油罐。这两个用于储运汽油、原油及航空油料的油库相隔1英里，储油罐通过有线与油库中的两个RTU相连，并以30秒为周期通过无线I/O与其进行连续通信。
“我们使用无线方案已经有大约4年的时间，但我们每天仍收到5至6次告警，其中每次告警都会使通信中断30至40秒钟，这使终端管理员都快发疯了，因为在转运产品时及时了解油罐的物位是如此的关键”，Marathon公司电气及仪表工程师Donnie Shultz说，“我们先对Phoenix公司提供的无线产品进行了3个月的现场测试，但即使是使用旧天线，它们也从未出过半点差错。该系统的安装及运行只用了我大约10分钟的时间，因为每一步操作都只需指向并点击即可。而且现在我们还拥有更好的包数据及19.2 kbps的通信速率。据估计，使用新型无线产品我们已经节省了大约7万至8万美元，而且我们还计划在其他应用中使用这种产品”。
“当初，我是非常勉强使用无线I/O的，因为我一直认为硬连线效果会更好。我们虽对第一种无线产品感到非常失望及沮丧，但新产品的使用改变了我们所有的观点。如果你对使用无线还持观望态度的话，那么最好先现场试用一下，然后再真正使用它们”。
同样，据Elpro公司透露，CDR Flint Ink公司最近在其通风与废水处理设备之间的模拟信号传输上遇到了一些问题。来自通风设备的ORP、pH值、温度及气流信号等，通过多对靠近高压电源线的电缆与废水处理设备中的无纸记录仪相连，这种电缆布局导致产生浪涌及接地环路问题，并使记录仪及通风设备变送器频繁故障。但即使它导致了远程监控设备的高维护费用及长宕机时间，也很难证明更换信号电缆就一定能解决问题。
为解决这一问题，Flint公司安装了Elpro公司的905U型无线I/O系统，据说只更换了其中一小部分电缆。通风设备上的模拟信号与905U单元相连，而905U则将信号发送至废水处理设备上的另一905U单元。由于905U单元是一种两路收发信机，因此Flint公司还连接和建立了一个从废水处理设备至通风设备的信号回路，用来对一个10英寸节流阀进行遥控。在验证其无线系统后，Flint公司决定采用905U单元的点对点特性，并在工厂的锅炉控制中心安装了第三个905U单元。结果，通风设备上的模拟信号被传输至废水处理设备及锅炉上，从而提高了设备操作的灵活性。
“使用调制解调器的问题是，它们对无线并不是非常友好，因为它们速度太快。现场用户发送数据时希望能立即得到响应，但平均5 ms的无线响应时间则能引起某些高速协议中断，这就是无线网关或无线协议转换器在过去几年中得到迅速发展的主要原因。网关使数据通过无线时就像通过有线网络一样，因此需要你们完成的工作就只剩下将数据调制在合适的频率上”，Moss说，“在数据总线这一侧，网关对I/O设备进行响应，这样PLC就会很高兴，因为它获得了它希望的响应。同时，网关还将数据转换为另一种协议，并用无线来发送”。Moss还补充说，无线网关在900 MHz频率及115 kbps速率、或者在2.5 GHz频率及250 kbps速率上工作。
应对干扰 无线I/O的主要缺点是，与硬连线相比，它更容易受到由障碍物或机器所引起的电噪声及干扰的影响。但用户及标准化组织已经大大缓解了这方面的问题。
目前，扩频技术通过以下途径解决了很多干扰及安全上的难题，即：先以预定方案在多个信道间分配信号、然后再从明显噪声的同一部分上对信号进行重组或关联。同样，数据包交换被用来更有效地组织信号，以实现速度更快及大批量的信号传输。两种主要的扩频技术一是FHSS（跳频扩频），它通过使两端的收发信机以预定时序进行频率跳变来防止干扰；二是DSSS（直接序列扩频），它通过数字编码（用来识别相互间准备通信的单元）来防止在网络上进行非授权的通信。
但一些用户抱怨说，扩频也并非特别地安全或可靠，因为它所使用的900 MHz至5.4 GHz工业、科学及医学（ISM）频段以及众多无线设备，都未经许可并且在法律上不受干扰保护。因此尽管扩频信号易于截获，但其接收机也更容易出现互调失真、阻塞、去感及其他窄带现象。
尽管扩频利用被称为过程增益的技术来减少窄带干扰，但一些用户又说，很明显厂商们并不关心这一点，而且扩频信号在最小所需速率上即将功率推到可调整极限。这些扩频速率有时在数据传输速率以下使用，这意味着它们并没有多大的过程增益，而且易受频带内所有干扰的影响。过程增益类似于宽带调频信号的静止效应，且用户需要在实施无线系统以前将它搞清楚。
为避免出现上述及其他潜在问题，无线支持者们说，用户必须对其应用及设施中的无线解决方案进行试验与评估，因为每一种解决方案都有其各自的特点，且大多数无线厂商都会很高兴让用户来试用它们的解决方案。
“无线还意味着用户不必破坏或更换他们现有的网路。他们可以进行逐步地实施，使他们现有的网络就好像只增加了一层以前没有的移动性”，Wonderware公司可视化产品经理Renee Robinson说。
更好的SCADA及更少的布线 为帮助伊利诺依州Normal市的市政供水部门更换它过时的基于RTU的SCADA系统，SCADAware公司的系统集成工程师Rick Caldwell最近为其实施了一套由PC驱动的新型FHSS解决方案。Normal目前在其水处理厂中使用主、辅服务器来实现HMI及基于PC的控制。这些计算机通过Locus无线串行网并在57.6 kbps的速率上（旧系统的数据速率仅为0.3 kbps）采集并监视来自Normal所有水井、储水罐及提升站上的数据。
与此同时，Wago I/O可编程现场耦合器使工厂技术人员能在其系统中进行调整和控制。同时，Sixnet的以太网至串行（Ethernet-to-Serial）转换器也被用来将输入串行数据转换到以太网上，这样就能从工厂局域网上访问数据。SCADAware公司的软件具有简单易用的图形用户界面，因此很容易实现对数据的即时访问及对可能问题的视觉指示。这些改进减少了供水部门的驱动及响应时间，并且还有助于SCADA及水分配系统的诊断、维护及扩展。
Akzo Nobel Surface Chemistry LLC公司也取得了类似的成本节省，它最近需要增加6个温度变送器来监视及跟踪储罐中的原材料。但储罐位置使得如果不切实增加成本及实施时间就不可能将布线路由到变送器上。事实上，据Akzo公司控制系统专家Marc Ayala估计，用于准备传统4~20 mA线缆的成本大约为无线变送器/接收机组成本的10倍。
因此Akzo公司选择了无线方案来抵达储料罐，并在几天时间内即将无线与Emerson Process Management公司的DeltaV系统进行了集成，而如果安装用于布线的管道则需用两周的时间。迄今为止，Akzo公司已经安装了大约10部这种接收机/变送器组合，并将其用于另一应用中，以执行对慢变化温控回路的闭环控制。
将来会出现拥塞及标准化？ 可靠性、安全性及可扩展性，是人们对过程设备上无线I/O的3个主要关注点，但无线电频谱拥塞可能是一件将来最让人头疼的事情。之所以迄今尚未变成一个问题，只是因为还没有足够多的用户来造成拥塞。但Moss却说，无线设备膨胀速度如此之快，以至于将来拥塞肯定会成为一个问题，工业无线产品也会遇到同样的情况。
例如，据Moss称，拥有10个或数个无线应用（如无线I/O或与PLC相连的无线调制解调器等）的工厂到2010年底预计将达到100至200家，而且问题还会由于无线传输不会局限于工厂范围的四周而变得更加恶化。用不了多久，仅在同一工厂，每一部无线发射机就不得不与其他设备进行竞争，还不用说与邻近工厂中的其他设备。
幸运的是，开发商正在寻求基于以下事实的解决方案，即：无线通信常常采用与PLC一样的轮询及定时更新消息传送机制。Moss补充说，无线开发商通过使用更加智能的消息传送协议可缓解拥塞，但使用轮询及定时更新的困难是，必须连续发送消息以获得良好的时间响应。通过改变异常报告（只在有改变时才发送消息），可将大多数无线系统的总流量密度降低50至100倍。当然，这种改动又带来了新的网络控制问题，因为每一个节点都必须能充当网络控制节点。
此外，预计今后5至10年内将出现可减少专用无线电设备间潜在非兼容性的无线开放标准。同样，所增加的标准化可通过用蜂窝电话及互联网协议（IP）来传输数据而适当地用无线广域网（WWLAN）来代替射频，Opto22公司技术营销总监的Benson Hougland说，“这有助于我们记住：无线只不过是另一种意义上网络或有线网络的扩展”，他说。
使用网格网络来使无线更加可靠
当蜂窝电话经常掉线时，您如何能使工厂老牌的控制工程师相信射频（RF）通信可靠？Ember公司的主席兼首席技术官（CTO）Robert Poor说，答案就是使用网格网络。
“譬如，假设安装在工厂内的温度传感器每分钟发送一次读数，并且我们决定用Ember公司实现的无线链路来从传感器上为控制器收集数据”，Poor说，“以极为保守的假设--无线链路只有90%的可靠性，这表示将有1/10的读数会丢失，而实际上可靠性可能比这要高出很多。以被IEEE 802.11采纳的星形拓扑为例，这意味着每10分钟即丢失一个读数”。
“但以2个相邻无线节点通信为例--比如在网格网络中，其可靠性即可高达99%，或者说每100分钟才丢失一个读数；同样，以4个相邻无线节点通信为例，其网络可靠性更可高达99.99%，或者说每1周才会丢失一个读数；依此类推，6个相邻节点通信可拥有高达99.9999%的可靠性，或者说每2.6年才丢失一个数据包！”
为计算这一可靠性，Poor补充说，可令“P”表示数据包传输成功概率，其中0 = 没有任何数据包传输成功；1.0 = 每次传输都很完美；0.5 = 有一半数据包丢失。然后再令“N”表示进行数据包中继的相邻节点数，这样总的传输成功率即可用等式1-(1-p)^N来计算。“随着N的增加，网络可靠性也随之迅速增加”，Poor说，“当p= 0.9或90%时，你每增加一个相邻节点，其小数点后面就会‘增加一个9’，以更为真实的起始链路可靠性95%计算，其可靠性概率将会更佳甚至增加更快”。
确保无线网络的安全性 用户可以使无线网络像它们所希望的那样安全，就像有线网络一样。
他们可以先利用无线接入点（wireless Access Point，AP）的基本内建安全特性来保护连接，然后再用虚拟专网（Virtual Private Networks，VPN）等更加成熟的技术来进一步增加安全。Invensys Wonderware公司最新公布的白皮书“工业自动化应用中的平板电脑”提出了如下无线网络安全建议：
■ 规划您的AP覆盖，当可能时，将您感兴趣的覆盖范围从AP延展至工厂外墙及窗户；但靠近工厂外墙布置AP可能会将覆盖范围延展至工厂以外，从而可能使陌生人进入您的网络；
■ 从默认上来改变服务组标识符（SSID）；
■ 禁用SSID广播；广播会扩散您网络的存在；可以用名称来加以识别；但过于显眼的名字会使您的网络比其他网络更易成为攻击的目标；
■ 从默认上改变管理员的口令，这能防止入侵者窜改您的设置；
■ 启用有线等效专用（WEP）安全，尽管并不完美，但它几乎能阻止最专业的黑客攻击；
■ 使用您AP中最高等级的WEP加密，最好用128位加密（而不是64位）；
■ 定期更改密钥；
■ 限制连接数量；譬如如果您仅需要在一个AP上支持5台机器，则将最大连接数设为5；如果您试图连接但被拒绝，这表示有非授权计算机已经接入您的Wi-Fi网络；
■ 禁用DHCP并使用固定IP地址，通过不能自动提供IP地址来增加潜在入侵者接入您网络的难度；
■ 使用介质访问控制（Media Access Control，MAC）地址过滤；这能将AP配置成只接受从MAC地址属于地址表中的设备上进行的连接；但只适用于仅有少数几台无线设备的网络。
实施无线方案以前的4项任务 除了让供应商针对您的特定应用来试验及评估其无线解决方案以外，据Phoenix 3Contact公司仪表及无线产品市场经理Davis Mathews称，用户在尝试实施无线I/O或其他无线网络以前需完成以下4项任务：
■ 确信在不会造成重大故障的非关键应用中开始试验任何新的、首次采用的无线网络；
■ 确定任何你以前总是想从A点至B点通信中获得、但对于传统解决方案来说又总是过于昂贵的信号；
■ 进行一次总的站点检查，并重点检查你准备安装无线设备的站点；
■ 为你的首次无线网络应用寻找一个相对缓慢且可能实施的过程。
相关更多信息，请访问下列网站或进入
www.cechinamag/freeinfo输入咨询编号查询
Accutech
www.accutech.com 235
ARC Advisory Group
www.arcweb.com 236
Elpro Technologies
www.elpro.com 237
Emerson Process Management
www.emersonprocess.com 238
Honeywell
www.honeywell.com/imc 239
Locus
www.locus.com 240
Omnex Control Systems
www.omnexcontrols.com 241
Opto 22
www.Opto22.com 242
Phoenix Contact
www.phoenixcon.com 243
Sixnet
www.sixnet.com 244
Wago
www.wago.com 245
Wonderware
www.wonderware.com 246