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构建工业无线传感器网络的实用建议

来源:控制工程网2016.06.28阅读 1538

  在很多情况下,无线传感器技术被用于监控远程、难于到达或者即使能到达但是成本较高的应用场合,或者用于监测时刻运动的应用。在选择无线方案时,可能需要做很多技术方面的权衡,还要考虑供应商方面的因素,才能选到最适合的方案。
  如果在网络上搜索技术文件,会搜索到大量的工业无线传感器网络(IWSN)的技术比较。对于大型最终客户或者工程公司中,专职做技术细节评估的那些人来讲,这些文章提供了非常详细的分析。但是很多目标最终用户缺少这类资源,而且没有如此正规的选择流程,也许在评估各种不同方案时,并不能确切地了解彼此之间的关键差异。
  工程师做选择时,一般综合考虑相似的影响因素。根据不同的应用案例,赋予各影响因素不同的权重,这些影响因素包括:
  ●通讯连接的可用性;
  ●安全;
  ●可扩展性;
  ●与期望设备的可连接性;
  ●危险区域等级;
  ●满足期望发布周期的功能选项;
  ●易用性;
  ●与控制系统的集成;
  ●投资搁浅的风险;
  ●某些特定现场所需考虑的其它因素。
  选择无线网络的步骤
  通常来说,IWSN选择过程包括两个步骤:首先是无线网络协议的选择,然后是供应商和单个设备的选择。协议确定网络的运行方式,特定应用则决定设备的选择。两者必须协同工作。如果一个协议,能够满足所有期望的网络需求,当然很好;但是,如果解决单个应用所需的设备并不存在,那这个协议仍然不能使用。
  某些选择标准也许太绝对,因此会导致一些潜在资源不合格。例如,如果需求为危险分区为1级1区、防护等级为IP67,那么任何没有获得上述认证的解决方案要么被筛掉,要么需要增加费用和围栏空间,提升安全等级以满足上述要求。
  某些用户也许坚持认为,一个IWSN如果基于国际通用的标准而不是某些专有的、单一来源的方案,那才有考虑的价值。搁浅的投资、有限的可扩展性、较少的安全审查、从单个供应商获得有限的产品供应,都会导致专有方案的出局。
  ISA100和WirelessHART协议都是IEC标准。这些标准都经过了严格的安全审查,得到很多国际性过程自动化供应商的支持,所以不会因为供应商的倒闭而导致投资的失败。ISA100和WirelessHART协议,即使不能通过全部,也能够通过大多数通用审查标准,但是它们之间仍然存在一些关键的差异,这就是下面我们所要重点提及的因素。
  IWSN 设计的灵活性
  网状网络提供了很多好处,包括自我构建、自我修复以及管理通讯数据包的传送。它还能提供多个外接点(网关),以便实现冗余和可扩充性。它的自我管理能力,依赖于确定网络设计或拓扑结构的复杂算法。
  它需要经常评估在无线传感器间指定给每个中继点的通讯路径www.cechina.cn,还应评估每个中继点的信号质量,避免由于丢包率过高而导致中继点不停的重发信号。对具有足够网格密度(意味着有足够多的节点来提供多个通讯路径)的IWSN来讲,给定网络的拓扑结构,一般来讲都是稳定的。
  网状网络仅仅依赖其自己的能力来实现自我组织,也许并不能满足监视或控制应用中关于确定性的要求(不能忍受较长时间的延迟或者延迟中的偏差)。所以,某些无线网状网络,允许用户设定从传感器到接出点之间可能的最大数量的中继点(,但是期望结构的特定网络所带来的设计灵活性,经常是有利的。
  WirelessHART,只支持网状拓扑结构CONTROL ENGINEERING China版权所有,这就要求所有的无线设备都像带路由的传感器一样工作。ISA100支持3种可能的组态:无线路由,带路由的传感器,以及不带路由功能,但是在网络故障时,能够选择多个路由器或网关以实现自我修复能力的传感器。
  ISA100支持单点对多点的网络结构(星型或带中继器的扩展星型)、网状网络、或者是星型与网状网络的组合。


■  IWSN上设备作用的方式包括:传感器、带路由功能的传感器、网关。传感器只与网关(星型网络)通讯,但是为了应对网络的崩溃,它们可以选择多个网关。带路由功能的传感器可以在每个中继的基础上将数据传递给网络上的其它设备。通讯路径有必要做一定的改变来适应网络的崩溃。图片来源:横河

  无线网络的性能
  ISA100的灵活性,允许设计人员可以通过在更密集的网络结构中,提供最优的信号质量,来满足延迟性要求,而不需要更多的接出点(ISA100骨干路由器或WirelessHART网关),就可以提高IWSN网络的可用性。
  关于IWSN设计的灵活,另外一个需要考虑的因素是对不同设备通讯速率或发布周期的支持。某些传感器可能需要每隔1到5秒钟监视一次,例如压力或温度传感器,而其它传感器要求的时间可能就相对较长,或者它们的数据可以在更长的连续时隙中传输www.cechina.cn,比如振动传感器的波形。ISA100的时隙灵活性,使得具有不同发布速率的无线设备能够共存在同一个网络,增加了较低发布速率设备电池的使用寿命,减少了网络带宽的使用。
  星型或组合网络的灵活性,为管理功耗和电池寿命提供了一种工具。如果一台设备,配备了较低的报告速率,可能具有较长的电池寿命,因为在不工作时其处于睡眠状态。对于网状网络,每个设备必须作为路由器来运行,以便支持网络的召唤,所以所有设备都要消耗功率控制工程网版权所有,以便执行其功能www.cechina.cn,而这一切与报告速率无关。
  工业物联网:面向未来的网络
  对于任何重大投资而言,包括IWSN,降低投资风险都非常重要。尽管只有很少的过程自动化投资真的面向未来,但是有些无线技术在未来出现并被应用于新的应用的几率,比如工业物联网(IIoT),要比其它IWSN技术要高。开放、基于标准的方案更有可能进一步发展、并被IIoT应用所支持,比如资产管理系统之于专用的、单一源方案。即使基于标准的IWSN协议,也提供了某种程度的面向未来的规定。
  WirelessHART协议,正如其名字所暗示的一样:HART 通过无线网络,实现主/从指令的通讯。另一方面,ISA100则支持很多协议,因为它的通讯是面向对象的,所以很多不同的通讯协议都可以通过其进行通讯,ISA100网络包含了HART和其它通用的过程工业协议,如Modbus等。
  ISA100支持网际网路通讯协定第六版(IPv6),为ISA100网络上的每个设备定义地址。使用HART协议的IWSN网络,与HART设备通讯,可能不支持未来的应用,比如IIoT,因为IIoT从本质上讲基于IP的。(作者:Kevin Zamzow)

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