2011-5-31
摘要：對(duì)比有線技術(shù)，介紹了工業(yè)無(wú)線技術(shù)的發(fā)展、特點(diǎn)和現(xiàn)狀優(yōu)勢(shì)；通過(guò)基于WZA-PA的建筑檢測(cè)儀和基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能電網(wǎng)的兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例介紹了工業(yè)無(wú)線技術(shù)在生產(chǎn)生活中的運(yùn)用；從技術(shù)角度和市場(chǎng)潛力上對(duì)其未來(lái)的發(fā)展及應(yīng)用范圍作了預(yù)測(cè)，并提出了在以后的發(fā)展中亟待解決的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：工業(yè)無(wú)線技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展趨勢(shì)，市場(chǎng)前景
0 引言
工業(yè)無(wú)線技術(shù)從誕生到現(xiàn)在，經(jīng)歷了從飽受爭(zhēng)議到逐漸認(rèn)可的過(guò)程，在許多國(guó)內(nèi)、外用戶的逐步試用之后，工業(yè)無(wú)線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)被人們看到了，工業(yè)無(wú)線技術(shù)也迎來(lái)了自己的春天。盡管工業(yè)無(wú)線技術(shù)興起的時(shí)間并不長(zhǎng)，但這個(gè)發(fā)展迅速的技術(shù)在自動(dòng)化市場(chǎng)上正受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。
1 工業(yè)無(wú)線技術(shù)概述
1.1 工業(yè)無(wú)線技術(shù)概念
工業(yè)無(wú)線技術(shù)是一種新興的，面向現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的，短程、低速率信息交互的無(wú)線通信技術(shù)。工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是指一類為傳感器、執(zhí)行器和控制器之間提供冗余、容錯(cuò)的無(wú)線通信連接的嵌入式通信網(wǎng)絡(luò)。按現(xiàn)今工業(yè)自動(dòng)化業(yè)界的共同認(rèn)識(shí)，在工業(yè)自動(dòng)化和控制環(huán)境中的無(wú)線應(yīng)用劃分為監(jiān)控、控制和安全應(yīng)用三大類[1]。
1.2 工業(yè)無(wú)線技術(shù)較之傳統(tǒng)有線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
基于工業(yè)無(wú)線技術(shù)的測(cè)控系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的有線測(cè)控系統(tǒng)相比，具有低成本、高可靠、易維護(hù)、高靈活、易使用的優(yōu)勢(shì)，具體如下[2]：
1）非接觸傳輸，特別適用于惡劣環(huán)境或?qū)φ駝?dòng)、高速旋轉(zhuǎn)對(duì)象的監(jiān)控；
2）能降低安裝成本和運(yùn)行維護(hù)成本；
3）更換方便，便于升級(jí)；
4）減少接插件故障，移動(dòng)自由且不受限制；
5）工廠測(cè)試模式的變革。
1.3 工業(yè)無(wú)線技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
工業(yè)無(wú)線技術(shù)是繼現(xiàn)場(chǎng)總線之后，工業(yè)控制領(lǐng)域的又一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)，是降低自動(dòng)化成本、提高自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用范圍的最有潛力的技術(shù)，也是未來(lái)幾年工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品新的增長(zhǎng)點(diǎn)。在工業(yè)控制系統(tǒng)中引入無(wú)線通信技術(shù)，可設(shè)計(jì)全新的無(wú)線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信體系或無(wú)線與有線混合的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信體系，從而促進(jìn)傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)升級(jí)換代。
工業(yè)無(wú)線正處于一個(gè)高速發(fā)展的階段，突出的優(yōu)勢(shì)創(chuàng)造了巨大的市場(chǎng)，不過(guò)它在應(yīng)用上依舊受到限制。據(jù)美國(guó)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)市場(chǎng)分析ONWorld公司對(duì)工業(yè)無(wú)線技術(shù)市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研的結(jié)果顯示，阻礙用戶接受無(wú)線技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題在于工業(yè)無(wú)線技術(shù)缺乏統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)這一問(wèn)題，一些國(guó)際大公司和區(qū)域組織開始了相關(guān)的工作，并且取得了重要的突破。
目前在工業(yè)控制和消費(fèi)電子領(lǐng)域使用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有ZigBee、無(wú)線局域網(wǎng)（WiFi）、藍(lán)牙（Bluetooth）、ISA100、WIA-PA等，未來(lái)還會(huì)有3G、超寬頻（UWB）、無(wú)線USB、WiMax等。當(dāng)然還有大量的私有和專用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制和消費(fèi)電子裝置中使用，其中ZigBee，ISA100，WIA-PA是目前在國(guó)內(nèi)工業(yè)控制中討論和使用較多的3種，它們被廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域。3種標(biāo)準(zhǔn)[3]的特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。
2 工業(yè)無(wú)線技術(shù)在生產(chǎn)生活中的實(shí)例分析
工業(yè)無(wú)線技術(shù)適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下使用，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。超低能耗、實(shí)時(shí)通信、增加用戶或更改網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方便、靈活、經(jīng)濟(jì)等技術(shù)特征，擴(kuò)展了工業(yè)用戶的自由度。同時(shí)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的成本在網(wǎng)絡(luò)的配置、安裝、修改和擴(kuò)展等方面都低于有線網(wǎng)絡(luò)，并憑借其自身的技術(shù)特點(diǎn)廣泛地應(yīng)用于國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市管理、醫(yī)療、工業(yè)控制、反恐、抗災(zāi)等諸多領(lǐng)域。
2.1 基于WIA-PA的建筑檢測(cè)儀
以近來(lái)頻發(fā)的地震災(zāi)害為例，基于WIA-PA的建筑監(jiān)測(cè)儀能對(duì)建筑物強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的健康情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。高層建筑有個(gè)共同的特點(diǎn)，即建筑結(jié)構(gòu)極其敏感，因此其前端的測(cè)量點(diǎn)部署很難采用有線方式，否則極易損害建筑結(jié)構(gòu)受力狀況。而無(wú)線技術(shù)，特別是不需供電的低功耗無(wú)線技術(shù)，在解決建筑物健康監(jiān)測(cè)，尤其在前端100m數(shù)據(jù)獲取問(wèn)題中，具有極其重大的意義。節(jié)點(diǎn)具有無(wú)線監(jiān)測(cè)能力，體積較為小巧，可以很容易地安裝在建筑物的關(guān)鍵受力點(diǎn)上，而不影響建筑物外觀，具體實(shí)物圖如圖1所示。同時(shí)其低功耗的優(yōu)點(diǎn)可以避免節(jié)點(diǎn)的頻繁更換，省去了復(fù)雜耗時(shí)的布線操作。使用時(shí)只要打開節(jié)點(diǎn)開關(guān)，位于建筑物監(jiān)控中心的接收終端就可以實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，與建筑報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)后，一旦探測(cè)到可能威脅到建筑物的震動(dòng)信息，立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，及時(shí)通知建筑物內(nèi)人員立即撤離，反饋回監(jiān)測(cè)波形，如圖2所示。平時(shí)該系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)還可以用來(lái)監(jiān)測(cè)建筑物老化狀況，為建筑物維護(hù)提供輔助決策信息。
2.2 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能電網(wǎng)
在電力自動(dòng)化領(lǐng)域已有研究把無(wú)線傳感器[4]網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于負(fù)荷預(yù)測(cè)、變電站自動(dòng)化、配電網(wǎng)繼電、配電線路故障定位、輸電線路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)防方面?；?span>WIA-PA的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通過(guò)布置得當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)獲取電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)等物理信息，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇K端，為電網(wǎng)運(yùn)行和管理人員提供更為全面、完整的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，有利于決策系統(tǒng)控制實(shí)施方案和應(yīng)對(duì)預(yù)案。通過(guò)ZigBee技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能電表和家庭設(shè)備之間的無(wú)線通信，構(gòu)成家庭內(nèi)部的能源管理系統(tǒng)。智能電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)布置及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。
智能電網(wǎng)涵蓋了高級(jí)量測(cè)體系，高級(jí)配電運(yùn)行、高級(jí)輸電運(yùn)行和高級(jí)資產(chǎn)管理。它們之間的密切配合使智能電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行得以實(shí)現(xiàn)，兼容分布式電源，提高電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率，提高用戶用電的效率，可靠性和電能質(zhì)量的目標(biāo)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在AMI，ADO，ATO和AAM領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
3 工業(yè)無(wú)線技術(shù)的發(fā)展前景及市場(chǎng)潛力
3.1 從技術(shù)角度分析其發(fā)展前景
隨著市場(chǎng)國(guó)際化的加快，世界儀器儀表巨頭已開始向中國(guó)產(chǎn)業(yè)界滲透。國(guó)內(nèi)外工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都在進(jìn)行工業(yè)無(wú)線通信技術(shù)的研發(fā)工作，關(guān)鍵技術(shù)難題正在逐步突破。
目前，工業(yè)無(wú)線技術(shù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[5]已形成了由IEC TC65（工業(yè)測(cè)量和控制技術(shù)委員會(huì)）推出的Wireless HART（HART基金會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)儀表系統(tǒng)與自動(dòng)化協(xié)會(huì)ISA推出的ISA 100.11a（ISA）標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)自主研發(fā)的WIA-PA（中國(guó)）標(biāo)準(zhǔn)三足鼎立的局面。作為我國(guó)十一五“863”計(jì)劃先進(jìn)制造領(lǐng)域“工業(yè)無(wú)線技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)研究與開發(fā)”重點(diǎn)項(xiàng)目，工業(yè)無(wú)線技術(shù)目前已突破諸多核心技術(shù)，建立了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系，開發(fā)出了眾多網(wǎng)絡(luò)支撐設(shè)備，構(gòu)建了測(cè)試認(rèn)證環(huán)境，并在冶金、石化、電力、污水處理等行業(yè)的示范應(yīng)用中取得了良好的效果。相信隨著WIA技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的不斷突破，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的第一套工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)，在國(guó)家政策、資金的大力支持下，將會(huì)擁有巨大的市場(chǎng)前景和廣泛的社會(huì)基礎(chǔ)。
無(wú)線技術(shù)是未來(lái)嵌入式系統(tǒng)發(fā)展最快速的領(lǐng)域之一，單片機(jī)是嵌入式和工業(yè)控制系統(tǒng)最傳統(tǒng)的核心部件。無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用是單片機(jī)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，是包括I，Freescale，ST，NXP，Atmel，Microchip這些工業(yè)芯片半導(dǎo)體巨頭和專業(yè)無(wú)線公司Ember，Jennic，Nordic角逐的重要舞臺(tái)。無(wú)論是把射頻器件和單片機(jī)核心集成在一起的SoC無(wú)線單片機(jī)，還是單片機(jī)加上射頻器件或者射頻單片機(jī)的無(wú)線單片系統(tǒng)，都將嵌入在未來(lái)形形色色的電子設(shè)備里。
3.2 從市場(chǎng)方面進(jìn)行潛力分析
目前，全球工業(yè)無(wú)線通信市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)超過(guò)13億美元，保守估計(jì)在未來(lái)的幾年中將保持15%左右的年增長(zhǎng)水平。美國(guó)能源部預(yù)計(jì)傳感器及自動(dòng)化技術(shù)在2010年可節(jié)約能量12萬(wàn)LBTU（英國(guó)熱量單位）以上。市場(chǎng)調(diào)研公司ONWorld近期發(fā)布的一份報(bào)告稱：預(yù)計(jì)到2011年，世界市場(chǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）系統(tǒng)與服務(wù)將飛升至約46億美元，比現(xiàn)在增長(zhǎng)5億美元。調(diào)查顯示，現(xiàn)在有三分之一的公司正在使用無(wú)線傳感和控制技術(shù)，并且近一半的公司計(jì)劃在未來(lái)一年半內(nèi)，研究或計(jì)劃采用無(wú)線解決方案。為了監(jiān)控機(jī)器在工廠內(nèi)外的品質(zhì)及狀況，世界各工業(yè)界公司預(yù)計(jì)會(huì)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和服務(wù)方面投入一部分資金。事實(shí)上，有40%的公司計(jì)劃采用無(wú)線解決方案，是為了監(jiān)控機(jī)器品質(zhì)，保證機(jī)器正常運(yùn)作。瑞士ABB、電路保護(hù)與電源管理器件制造商博仕（CooperBussmann）、法國(guó)科尼思系統(tǒng)公司（CoronisSystems）、DustNetworks、霍尼韋爾國(guó)際公司（Honeywell）和Sensicast等公司均在使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)器品質(zhì)。
中關(guān)村物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、長(zhǎng)城戰(zhàn)略咨詢聯(lián)合發(fā)布的《物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究（2010）》報(bào)告指出，未來(lái)10年中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將經(jīng)歷應(yīng)用創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、服務(wù)創(chuàng)新3個(gè)階段，形成公共管理和服務(wù)、企業(yè)應(yīng)用、個(gè)人和家庭應(yīng)用三大細(xì)分市場(chǎng)?？傮w規(guī)模預(yù)計(jì)到2015年將超過(guò)1萬(wàn)億，2020年將超過(guò)5萬(wàn)億。隨著國(guó)家推行工業(yè)產(chǎn)業(yè)信息化進(jìn)程和打造“物聯(lián)網(wǎng)”計(jì)劃的開展，工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)各行業(yè)對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的需求會(huì)越來(lái)越多，2010年全球傳感器市場(chǎng)可達(dá)600億美元以上。
綜合以上分析，工業(yè)無(wú)線設(shè)備無(wú)論是在國(guó)際還是在國(guó)內(nèi)，都擁有非常廣闊的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。工業(yè)無(wú)線技術(shù)的快速發(fā)展成為未來(lái)工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)的必然趨勢(shì)。
4 結(jié)束語(yǔ)
工業(yè)無(wú)線技術(shù)較有線技術(shù)的特點(diǎn)決定了其巨大的市場(chǎng)潛力，逐步突破的技術(shù)難題為其廣泛的應(yīng)用提供了可能。目前廣泛使用的工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)之一WIA-PA是我國(guó)自主研發(fā)的；表明了我國(guó)在工業(yè)無(wú)線通信領(lǐng)域已處于國(guó)際領(lǐng)先水平。全國(guó)工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC124）秘書長(zhǎng)歐陽(yáng)勁松教授指出，我國(guó)自主無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)WIA-PA成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于我國(guó)的工業(yè)無(wú)線技術(shù)乃至整個(gè)自動(dòng)化行業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。未來(lái)幾年內(nèi)，工業(yè)無(wú)線技術(shù)會(huì)有迅猛的發(fā)展，并且會(huì)憑借其低成本、高可靠性等巨大的優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，開拓出廣闊的市場(chǎng)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 曾鵬.工業(yè)無(wú)線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用 [J]. 中國(guó)儀器儀表，2008（3）：12-13.
[2] 李善倉(cāng)，張克旺.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用 [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：86-91.
[3] 彭瑜.工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)WIAPA的特點(diǎn)分析和應(yīng)用展望 [J]. 自動(dòng)化儀表，2010，31（1）：7-8.
[4] 張強(qiáng).無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用 [R]. 北京：中國(guó)電力，2010.
[5] 王平.工業(yè)無(wú)線技術(shù)ISAl00.11a的現(xiàn)狀與發(fā)展 [J]. 中國(guó)儀器儀表，2009（10）：11-13.
聯(lián)系客服
