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无线网络在EMS中的应用研究
来源:一起赢论文网     日期:2013-06-08     浏览数:1847     【 字体:

摘   要:无线网络具有灵活性高、部署速度快、施工成本低等特点,近年来在民用领域取得飞速发展,从办公室到家庭广泛使用。无线网络在工业领域也开始推广,但是面临信号干扰大、网络速度和带宽无法保证等问题。随着国家对能源问题的重视,EMS(EnergyManagementSystem,简称EMS)项目在钢铁、石化、有色等多个行业大力推广,EMS项目涉及面较广,联通多种不同种类网络,面临通信路由复杂、通信接口种类多等情况,结合EMS项目特点,对无线网络在EMS中的应用进行了研究,研究结果对EMS项目实施具有重要参考意义,同时本文研究结果对大中型自动化、信息化工程中应用无线网络也具有重要参考价值。
关 键 词:无线网络;无线局域网;EMS;MESH
AppliedResearchofWirelessNetworkinEMS
Abstract:Wirelessnetworkiswidelyusedincivilfieldsuchasofficeandhouseholdbecauseofitsflexibility,scalabilityandotheradvantages.Nowwirelessnetworkiscomingtoindustryfieldandmanymanufacturershavegivenoutwirelessnetworksolutions.Inrecentyears,energyhasbroughttotheforefrontandEMSprojectiswidelypromotedinsteel,nonferrousmetal,petrochemicalindustryandotherindustries.NetworkisthebaseofEMS.Thispaperresearchthetechnologyofwirelessnetwork,andanalysisthekeyproblemsinEMSprojects.TheresearchresultsarenotonlysignificantfortheimplementationofEMSprojects,butalsousefultothewirelessapplicationofotherautomationandinformationprojects.
Keywords:wirelessnetwork;WLAN;EMS;MESH
  1 引 言
  近些年无线网络技术发展迅猛,自IEEE设立无线网络相关工作组以来,诞生了80211b、80211a等多个无线局域网(简称WLAN)协议,再加上CDMA、GPRS等通信技术,已形成从局域网到广域网的无线网络应用方案。无线网络所具有的灵活性高、部署速度快、施工成本低等特点,使其广泛应用于办公室、家庭、机场、宾馆等民用领域。
  随着经济的快速发展,能源问题已经日益成为中国经济发展中的重要制约因素,而能源管理系统(EnergyManagementSystem,简称EMS)则是实现系统节能的一个重要途径,自2009年起国家在钢铁行业大力推广能源管理系统,目前正推广到石化、机械、有色金属等重点用能行业。
  EMS项目一般都是覆盖企业全厂,甚至是企业集团的多个厂区,其中的一个难点就是部署网络:联通不同时代的网络系统,部分环境恶劣的区域根本无法布线或者布线成本昂贵,为此,设想无线网络在EMS工程中应用的可行性。本文重点论述在EMS工程中应用无线网络的解决方案及可能存在的问题。
  2 无线网络介绍
  参照有线网络划分方式,无线网络可粗略分为无线局域网、无线城域网、无线广域网。本文重点论述无线局域网。
  传统无线局域网 
  无线局域网发展了很多年,80211协议族是IEEE制定的无线局域网标准,目前常见标准有以下几种[1]:表1 常见无线网络标准协议 最高传输速率 通信频率 通信信道数80211b 11Mbps 24GHz11条通道,包括3条非重叠通道80211a 54Mbps 5GHz 12条非重叠通道80211g54Mbps、108Mbps24GHz 同80211b80211n300Mbps到600Mbps24GHz5GHz类似80211b和80211a80211b协议最早出现,由于传输速度较低,又诞生了80211a和80211g协议,从目前实际应用情况看,兼容80211b的80211g协议市场份额较大,80211n增长迅速。需要说明的是,无线网络实际传输速率往往比标称速率低很多,并且容易受传输距离、干扰源影响。从传输距离看,室内与室外也有很大差别。
  无线mesh网络 
  无线mesh网络是一种基于多跳路由、对等网络技术的新型网络结构[2],具有移动宽带的特性。它由传统无线网络发展变化而来,无线mesh网络中任何无线设备节点都可以同时作为接入点(AccessPoint,AP)和路由器,即网络中的每个节点都可以收发信号。无线Mesh技术的出现,代表着无线网络技术的又一大跨越,非常适合于覆盖大面积开放区城(包括室外和室内)的无线区域网络解决方案。
  3 EMS与网络
  EMS网络涉及面很广,包括生产主工艺系统、能源公辅系统、电力自动化监控系统、制造执行系统(MES)、财务系统(ERP)等不同层次、差别很大的网络,其核心网络一般包括中央网络和工业现场网络系统。图1 EMS网络示意图
  中央网络 
  中央网络主要用于大规模信息交换,一般采用千兆以太网结构,由核心交换机和若干边缘交换机以及主干光纤等构成,可满足海量数据传输。接入中央网络的设备有I/O服务器、实时数据库服务器、关系数据库服务器、应用服务器、WEB服务器、操作站等。中央网络还会联通多个小的信息系统网络。
  工业现场网络 
    EMS工业现场网络用于连接现场的各种网络,如DCS、PLC、通信计算机、RTU、I/O服务器等。考虑到网络可靠性,工业网络一般采用环形加星形的结构,将主要的控制站点如煤气站、煤气柜、放散塔等放在环网中,其他的站点根据情况采用星形连接就近接入环网中。在EMS项目中,电力相关的信号点是非常多的,包括三相电流、电压,有功功率、无功功率,开关状态等,常用计量设备是电表;水系统一般包括给排水站、污水处理站、雨水处理站、循环水处理站等不同站点,各站点相对比较分散,每站点信号量少,主要信号来源是各种液体流量仪表如电磁流量计、超声波流量计等。动力系统一般包括燃气系统、氮氧氩系统、空压系统、蒸汽系统等,各站所的气体发生量、使用量等,主要仪表设备是各种流量仪、积算仪等。
  4 EMS中的无线网络应用方案
  根据前面分析,EMS中央网络数据流量极大,一般都是铺设光缆,无线网络方案极少采用,但是工业现场网络这块,无线网络完全可以发挥作用。
  信号点分析 
  一个大型企业的EMS通常建立在上万个信号点(I/OTag)的基础上,这些信号点有的是作为过程监控使用,比如开关阀的关闭,有的则作为计量统计使用,如流量、电流等。对于作为监控使用的信号点来说,系统要求这种类型的信号点具备快速响应的特征,能够在画面上至少以秒级的速率进行刷新显示(有的系统甚至要求画面刷新率在500ms)。另外,对于应用于控制的信号点,在快速响应的前提下,还需要有可靠性保证,即对于数据电文,理论上既不允许丢包,也不允许损坏(避免拒动和误动)。此类监控信号往往存在于相对集中的站所内的某一套或者多套自动化控制系统内,信号采样物理位置相对密集,便于布线、接线。综合以上描述,对于监控所需的信号点,以传统的有线传输方式比较合理,而不宜采用无线采集方式。EMS系统中的另外一类重要信号,即常说的计量信号,往往对于采样周期有比较低的要求。一般具备分钟或者小时级的采样周期,就可以满足系统内的统计、管理、分析等要求。该类信号对于信号的准确度要求比较高,但对于采样周期要求较低。甚至允许在采样周期内丢失数据的前提下进行后期的弥补工作,如从历史数据库续传,甚至人工抄数等方式。水系统、动力系统的计量点,往往会分散在庞大的管网系统上,地理位置分散,单个地方信号点很少,现场条件复杂。为了采集这些信号,传统的有线方式需要进行大量的设计工作,并且采购相应的设备进行安装,有的地方甚至要开展土建施工工作。这对工程的实施来说,需要增加大量的成本,并且很难保证在要求的工程周期内完成。因此,综合上述的原因,对于这类计量信号,采用无线采集的方式显得较为合理,并且可以降低工程实施的成本,提高工程实施的效率。另外,对于当前国家愈发重视的环境监测数据无线网络在EMS中的应用研究的采集,无线采集方案也有其使用的前景。由于环境监测数据采集的要求与计量信号的要求类似,并且环境监测点往往是针对污染源的监测,此类监测点采用人工抄表的方式,对抄表人员的健康有很大的影响。采用常规的有线方式,则可能造成维护上的困难。因此,利用无线采集方案来实现环境保护的在线监测不啻为一种简便可行的技术。
  应用方案 
  目前有国际知名厂商推出了工业无线移动解决方案,例如西门子推出的ScalanceW解决方案,解决了一般民用无线网络不可靠的问题,而且可以与西门子的PLC等设备无缝集成,这种方案具有很大的局限性,受制于特定厂商设备,从单个信号点成本来看,还是非常高的,不适合EMS项目信号点数较多的情况。目前也有厂商推出了基于Mesh网络的无线方案,一个无线Mesh网络中包括多个采集设备、多个中继设备和一个接收设备。采集设备以RS485的方式直接连接一台或者多台仪表,利用Mesh网络自身的多跳特性,将现场信号直接传回或者通过中继传回到接收设备,再由接收设备将信号传输到工业环网中。需要说明的是该方案中的采集设备自身也可以当作中继设备。这种方案具有先进性,单个采集设备可以很低的成本接入一个至多个信号,平均每个点的接入费用很低,非常适合在EMS项目中的采集计量等场合使用,如流量等信号点分散,但是却又相对集中的场合。但是这种方案面临的最大问题是采集设备终端所接入的信号种类太复杂,仪表种类众多、协议不统一。另外就Mesh网络自身来看,Mesh网络也处在起步阶段,提供Mesh网络设备的厂商不多,这个问题目前是影响无线Mesh技术推广使用最重要的原因。针对EMS中部分偏远地区的孤立信号,铺设光缆的方式成本太高,采用带GPRS功能的无线设备,租用通信运营商的GPRS流量的方式则相对较好。
    3)值得注意的问题 
  在工程项目中采用无线网络方案,首先考虑的是成本问题,无线网络方案部署虽然方便,但是无线设备自身价格还是偏高,如果是距离较远的EMS站点,比如山区中的一些孤立信号点,还必须通过广域无线网络才能把信号传输回来,可能产生GPRS流量,因此综合计算网络部署成本、扩展成本和运行成本是实施无线方案所必须的。从工程应用的角度来讲,无线网络布网尚没有完整的工程实施规范以及辅助的网络测试设备;而有线网络这块,则有经过多年工程考验的综合布线等系统,也有很多辅助测试工具和设备,网络的各种指标很容易得出。安全方面也是一个值得关注的事情,考虑到所有无线信号易被第三方截获,加密协议如WEP(WiredEquivalentPrivacy)已经被证实很容易破解[4],其他保密措施也被证明存在隐患,如果采用无线网络进行设备控制,需要特别注意。工业现场环境一般比较恶劣,在雨雪、高温、低温、灰尘多等情况下,无线设备防护等级是必须考虑的内容。考虑到发射功率越大、频率越快,能源消耗越大,因此低功耗无线设备一般是首选,但是功耗低,又会导致穿透能力差、信号发送距离受限等问题。在部分供电不便的场所,可采用蓄电池的方式。目前无线网络抗干扰能力还是有所欠缺的,很多无线技术如无绳电话、微波炉、对讲机等使用相近的无线发射频率,容易产生相互干扰,突发噪音、大型移动物体如运送钢卷的货车都有可能造成网络速度下降,甚至断网。无线尚不能像有线网络中划分VLAN来得方便。无线频率是宝贵资源,一般都需要政府部门审批,这也是实施无线网络所必须面对的问题。
  5 结 语
  无线网络具有很多优势,但也存在不可回避的避点,本文通过对EMS项目中无线网络的应用研究以及工程实施中需要注意的事项,说明无线网络技术可以作为有线网络的有益补充,但尚不能成为网络中的主流,本文研究结果对EMS项目实施具有重要参考意义,同时本文研究结果对大中型自动化、信息化工程中应用无线网络也具有重要参考价值。
  参考文献:[1] (美)SteveRackley,吴怡等译.无线网络技术原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2008.[2] (加)EkramHossain,(英)梁KinK.Leung.易燕等译.无线Mesh网络架构与协议[M].北京:机械工业出版社[3] 赵欣.西门子工业网络交换机应用指南[M]北京:机械工业出版社,2008.[4] 杨哲.无线网络安全攻防实战进阶[M].北京:电子工业出版社.2011.[5] SlotineJ.J.,LiW.AppliedNonlinearControl[M].NewJersey:PrenticeHall,1991.[6] Heredia.J.A.,WenYu.Ahigh-gainobserver-basedPDcontrolforrobotmanipulator[C].AmericanControlConference,2000.[7] Tae-YongKuc,Woong-GieHan.AnadaptivePIDlearningcontrolofrobotmanipulators[J].Automatica,2000,36(5):717-725.[8] P.R.Ouyang,W.J.Zhang,MadanM.Gupta.Anadaptiveswitchinglearningcontrolmethodfortrajectorytrackingofrobotmanipulators[J].Mechatronics,2006,16(1):51-61.[9] YuxinSu,VicenteParra-Vega.Globalasymptoticsaturatedoutputfeedbackcontrolofrobotmanipulators[C].Proceedingsofthe7thWorldCongressonIntelligentControlandAutomation,2008.

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