8-工业无线技术及产品开发

能源技术
微型、高效、持久能源；涉及材料、化工、微机械等
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无线技术在工业自动化领域的应 用发展
第一阶段：单纯的通信手段，作为有线技术 的补充
上世纪70～80年代 以解决长距离的数据传输为目的 点对点通信
Emerson、ABB、Siemens 等都参与了WirelessHART 规范和协议的制定工作
是第一个开放式的可互操作 无线通信标准，用于满足流 程工业对于实时工厂应用中 可靠、稳定和安全的无线通 信的关键需求
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Emerson智能无线网络产品
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WIA技术的产生源于工业自动化 应用的需求
可靠
实时
稳定
严格的系统性确定性需求
灵活
安全
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恶劣的工厂环境
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动态变化的工业环境 极端恶劣环境 强振动 高湿度 极端温度
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国际研究热点
美国将工业无线技术列为其以节能降耗为目标的 未来工业计划的主要支撑技术之一。
用得起的 无线技术
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欧洲
制定了未来10年内 无线技术在工业控 制和自动化领域的 发展应用计划—— RUNES计划。
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工业无线WIA网络架构
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工业无线网络WIA系列产品
服务 系统级 模块 + 协议级 模块级
技术咨询 技术服务 技术开发
25个组织参与，目 标是在到2014年将 安装成本降低80% ，运行成本降低 50% 。
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工业无线技术标准体系
工业无线网络WIA（由中国国家标准化管理委员 会提出，以中科院沈阳自动化所为主要代表）
无线HART（由HART基金会提出，以Emerson为 主要代表）
无线链路的时空变化
高湿度、强振动、温度变化-40度～+85度、强电磁与射频干 扰、随机的物理遮挡。
传统的无线技术难以解决现存的 问题
不能适应宽带和窄带突发干扰并存的工业环境
不能提供有效的实时性保证
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第二阶段：实现泛在感知，推动工业测控模 式变革
本世纪初 以解决低成本的信息获取为目的 大规模网络化
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上世纪70~80年代，分散设施的 监控(SCADA系统)
电力、铁路、水利、自来水、石油、环保、热网 等行业需要对分散设施进行遥控、遥测
主要应用 模式：利 用窄带数 传电台进 行点到点 或点到多 点的传输
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无线技术的快速发展
/
成 本
复
杂
长距离、高速
度
率、高品质
3G/4G
功
人类信息交互
耗
短距离、低功耗 、低成本 传感器网络
设备间信息交互
专用无线网络
数据传输率
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无线技术向工业自动化领域渗透
传感技术
微型、低功耗、高性能、高可靠；涉及物理、化学、 生物、材料、微系统技术、纳米技术、信息获取等；
无线通信技术
高效率、低功耗、抗干扰强；涉及通信、微电子等；
网络技术
微型、低功耗、高性能、高可靠；涉及物理、化学、 生物、材料、微系统技术、纳米技术、信息获取等；
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ISA100网络构架
Honቤተ መጻሕፍቲ ባይዱywell无线产品
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内容提要
1 工业无线技术概述 2 工业无线WIA技术 33 工业无线WIA产品开发 4 工业无线应用案例
解决工业现场无线使用难题，为用户提供可行的解决方案
制定国家标准和国际标准
WIA技术特征—高可靠Mesh路 由结构
每个设备至少有两条可用的通信路径，提高了端到端的通信 可靠性
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WIA技术特征—先进的实时通 信网络调度机制
报文截止期为1秒、可靠性95%、节点平均能耗0.5mA的网 络，国际先进的DustNetwork网络技术可以容纳3个节点， 使用我们的方法可以容纳5个节点，带宽利用率提高66%。
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-40℃~85 ℃
高电磁场/射频 噪声
电机、马达、变频器等 无线对讲机 焊接 射频设备 无线以太网、无线路由器
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干扰与衰落严重影响通信可靠性
关闭干扰源
打开干扰源
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电力：用户负荷监测、断路器等的遥控 水利：雨量、水情监测 环保：环保设施使用监测、污染排放监测 石油：油井监测、遥控
应用特点：需要监控的设施相互间距离较远(通 常在2公里以上)。通信速率要求较低
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SCADA应用模式
工业测量与控制。包括开环控制、闭环监督控制及闭环 调节控制；
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ISA100（由美国仪器仪表学会提出，以Honeywell 为主要代表）
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WIA成为国际标准
2008年10月31日经过国际电工 委员会（IEC）全体成员国的投 票，以96％的得票率获得通过 ，作为公共可用规范IEC/PAS 62601标准化文件正式发布
启动 CC2420
destination
写TXFIFO
启动CC2420 沈阳中科博微自动化技术有限公司
15.6ms
发送报文
接收ACK
CCA、发送 报文接收阈量
ACK接收检测
ACK接 收阈量
接收报文
发送ACK
报文接收博检测大精深、细致入微
CCA、发送
形成ACK报文， 写TXFIFO
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工业通讯网络发展历程
4~20mA 一对一连接，只传输测量或控制信号
现场总线
利用一对线缆，在多台设备间双向传输信息
工业以太网
将开放的IT技术应用于自动化 控制系统
无线通信
用无线连接代 无线必然是未来工业通讯网 替物理线缆 络的发展趋势
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用于过程自动化的WIA系统结 构与通信规范WIA-PA
目的：
面向各种过程自动化应用，针对抗干扰和低能耗等方面 的需求，提供无线网络技术方案，定义无线网络系统结 构，并参照OSI开放网络模型，定义物理层、数据链路层 、网络层、传输层、应用层协议规范；
主要应用：
工业监测。包括监测不对工业生产过程产生直接影响的 数据和监测在短时间内可对工业生产过程产生直接影响 的数据；
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工业无线技术的优势
非接触传输，特别适用于恶劣环境或振动、高 速旋转对象的监控
降低安装成本、持续降低运行维护成本 更换方便，便于升级 减少接插件故障，移动自由且不受限制 工厂测控模式的变革
传统认为成本过高，无法大规模部署传感器进行监测 的应用成为可能。
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工业无线测控系统
利用低成本无线技术，免费的无线频段，获取更 多的生产、设备信息，实施优化控制，来达到提 高产品质量和节能降耗的目标。
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WIA技术—中国自主的工业无 线技术
为了解决上述问题，中科院沈阳自动化所推出了具有自主知 识产权的高可靠、超低功耗的工业无线 WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)技术
满足流程工业对于实时工厂应用中可靠、稳定和安全的无线 通信的关键需求
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WIA技术特征—全网TDMA模式
基于微秒级的全网高精度时间同步
B
D
A
. . .
Channel 4 A－>B
Channel 2 Channel 1 Channel 0
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C
B－>D
A－>C
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WIA技术特征—面向工厂环境 的时空频分集的强抗干扰技术
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沈阳中科博微自动化技术有限公司 中国科学院沈阳自动化研究所
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内容提要
1 工业无线技术概述 2 工业无线WIA技术 33 工业无线WIA产品开发 4 工业无线应用案例
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WIA技术特征—低能耗技术， 持久的电池使用寿命
全网精确的同步休眠与唤醒模式
休眠
通信
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WIA技术特征—低能耗技术， 持久的电池使用寿命
先进的时隙内节能调度方法
通信
Source
WIA技术特征—低能耗技术， 持久的电池使用寿命
平均电流微安级， 5秒通信一次，平均能耗300uA。 4Ah锂电可以工作13000小时，18个月
WIA标准体系
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布线成本是制约工业测控系统应 用的瓶颈问题
2001年全球工业用传感器的市场份额是110 亿美元，而安装和使用成本（主要是布线成 本）超过1000亿美元。
工业无线技术的产生
新兴的面向设备间信息交互的无线通信技术，适 合在恶劣的工业现场环境使用，具有很强的抗干 扰能力、超低功耗、实时通信等技术特征。
引入时、空、频分集的概念，对信道进行时域、频域、 空 域划分，利用信号分集来动态适应环境
基于同步通道切换的自适应跳频机制
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WIA技术特征—自动请求重传模式
自动回复Ack，若不成功 则重传
发送
重传
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仪表整机 网关 组态软件
OEM协议级 模块 开发套件 工具软件
OEM裸模块 传感器网络硬 件平台
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流程工业无线协议—WirelessHART
HART基金会于2007年9月 推出了WirelessHART标准 ，作为HART7.0规范的核 心部分
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WIA成为国际标准
2009年7月3日经过国际电工委员会（IEC）全体成员国的投 票，以100％的得票率获得通过，正式作为IEC一个新的国际 标准制定工作项目（NP）被纳入IEC国际标准体系
中国工业无线联盟
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