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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(zé)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(yù)。
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(dāng)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(yù)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(dǎo)致實現(xiàn)復(fù)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(yù)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(yù)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(fù)，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(dǎo)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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