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自组织无线网络的可靠性

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2007.01.16阅读 3126

  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控制工程网版权所有,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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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www.cechina.cn,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…
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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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,











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