工业无线技术的发展及前景分析

工业无线技术的发展及前景分析

2011-5-31

 

　　摘要：对比有线技术，介绍了工业无线技术的发展、特点和现状优势；通过基于WZA-PA的建筑检测仪和基于无线传感器网络的智能电网的两个应用实例介绍了工业无线技术在生产生活中的运用；从技术角度和市场潜力上对其未来的发展及应用范围作了预测，并提出了在以后的发展中亟待解决的问题。

 

　　关键词：工业无线技术，标准，发展趋势，市场前景

 

　　0  引言

 

　　工业无线技术从诞生到现在，经历了从饱受争议到逐渐认可的过程，在许多国内、外用户的逐步试用之后，工业无线技术的优点被人们看到了，工业无线技术也迎来了自己的春天。尽管工业无线技术兴起的时间并不长，但这个发展迅速的技术在自动化市场上正受到人们越来越多的关注。

 

　　1  工业无线技术概述

 

　　1.1  工业无线技术概念

 

　　工业无线技术是一种新兴的，面向现场应用的，短程、低速率信息交互的无线通信技术。工业用无线传感器网络，是指一类为传感器、执行器和控制器之间提供冗余、容错的无线通信连接的嵌入式通信网络。按现今工业自动化业界的共同认识，在工业自动化和控制环境中的无线应用划分为监控、控制和安全应用三大类[1]。

 

　　1.2  工业无线技术较之传统有线技术的优势

 

　　基于工业无线技术的测控系统，与传统的有线测控系统相比，具有低成本、高可靠、易维护、高灵活、易使用的优势，具体如下[2]：

 

　　1）非接触传输，特别适用于恶劣环境或对振动、高速旋转对象的监控；

 

　　2）能降低安装成本和运行维护成本；

 

　　3）更换方便，便于升级；

 

　　4）减少接插件故障，移动自由且不受限制；

 

　　5）工厂测试模式的变革。

 

　　1.3  工业无线技术的发展现状

 

　　工业无线技术是继现场总线之后，工业控制领域的又一个热点技术，是降低自动化成本、提高自动化系统应用范围的最有潜力的技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点。在工业控制系统中引入无线通信技术，可设计全新的无线工业控制网络通信体系或无线与有线混合的工业控制网络通信体系，从而促进传统控制网络升级换代。

 

　　工业无线正处于一个高速发展的阶段，突出的优势创造了巨大的市场，不过它在应用上依旧受到限制。据美国网络技术市场分析ONWorld公司对工业无线技术市场进行调研的结果显示，阻碍用户接受无线技术的关键问题在于工业无线技术缺乏统一的国际标准。针对这一问题，一些国际大公司和区域组织开始了相关的工作，并且取得了重要的突破。

 

　　目前在工业控制和消费电子领域使用的无线网络技术有ZigBee、无线局域网（WiFi）、蓝牙（Bluetooth）、ISA100、WIA-PA等，未来还会有3G、超宽频（UWB）、无线USB、WiMax等。当然还有大量的私有和专用无线网络在工业控制和消费电子装置中使用，其中ZigBee，ISA100，WIA-PA是目前在国内工业控制中讨论和使用较多的3种，它们被广泛应用于工业检测等领域。3种标准[3]的特点对比见表1。

 

 

　　2  工业无线技术在生产生活中的实例分析

 

　　工业无线技术适合在恶劣的工业现场环境下使用，具有很强的抗干扰能力。超低能耗、实时通信、增加用户或更改网络结构方便、灵活、经济等技术特征，扩展了工业用户的自由度。同时，无线网络的成本在网络的配置、安装、修改和扩展等方面都低于有线网络，并凭借其自身的技术特点广泛地应用于国防军事、环境监测、城市管理、医疗、工业控制、反恐、抗灾等诸多领域。

 

　　2.1  基于WIA-PA的建筑检测仪

 

　　以近来频发的地震灾害为例，基于WIA-PA的建筑监测仪能对建筑物强度结构的健康情况进行监测。高层建筑有个共同的特点，即建筑结构极其敏感，因此其前端的测量点部署很难采用有线方式，否则极易损害建筑结构受力状况。而无线技术，特别是不需供电的低功耗无线技术，在解决建筑物健康监测，尤其在前端100m数据获取问题中，具有极其重大的意义。节点具有无线监测能力，体积较为小巧，可以很容易地安装在建筑物的关键受力点上，而不影响建筑物外观，具体实物图如图1所示。同时其低功耗的优点可以避免节点的频繁更换，省去了复杂耗时的布线操作。使用时只要打开节点开关，位于建筑物监控中心的接收终端就可以实时获取数据，与建筑报警系统联动后，一旦探测到可能威胁到建筑物的震动信息，立即发出报警信号，及时通知建筑物内人员立即撤离，反馈回监测波形，如图2所示。平时该系统收集的数据还可以用来监测建筑物老化状况，为建筑物维护提供辅助决策信息。

 

 

　　2.2  基于无线传感器网络的智能电网

 

　　在电力自动化领域已有研究把无线传感器[4]网络应用于负荷预测、变电站自动化、配电网继电、配电线路故障定位、输电线路实时监测与预防方面。基于WIA-PA的工业无线网络通过布置得当的节点获取电网运行状态、参数等物理信息，并通过无线网络传输到终端，为电网运行和管理人员提供更为全面、完整的电网运营数据，有利于决策系统控制实施方案和应对预案。通过ZigBee技术，实现智能电表和家庭设备之间的无线通信，构成家庭内部的能源管理系统。智能电网的节点布置及系统结构如图3和图4所示。

 

 

　　智能电网涵盖了高级量测体系，高级配电运行、高级输电运行和高级资产管理。它们之间的密切配合使智能电网安全稳定运行得以实现，兼容分布式电源，提高电网资产的利用率，提高用户用电的效率，可靠性和电能质量的目标。无线传感器网络在AMI，ADO，ATO和AAM领域有着广泛的应用前景。

 

　　3  工业无线技术的发展前景及市场潜力

 

　　3.1  从技术角度分析其发展前景

 

　　随着市场国际化的加快，世界仪器仪表巨头已开始向中国产业界渗透。国内外工业自动化领域的研究机构和企业都在进行工业无线通信技术的研发工作，关键技术难题正在逐步突破。

 

　　目前，工业无线技术的国际标准[5]已形成了由IEC TC65（工业测量和控制技术委员会）推出的Wireless HART（HART基金会）标准、美国仪表系统与自动化协会ISA推出的ISA 100.11a（ISA）标准和我国自主研发的WIA-PA（中国）标准三足鼎立的局面。作为我国十一五“863”计划先进制造领域“工业无线技术及网络化测控系统研究与开发”重点项目，工业无线技术目前已突破诸多核心技术，建立了拥有自主知识产权的技术体系，开发出了众多网络支撑设备，构建了测试认证环境，并在冶金、石化、电力、污水处理等行业的示范应用中取得了良好的效果。相信随着WIA技术在工业应用中的不断突破，国内自主研发的第一套工业无线标准WIA-PA标准，在国家政策、资金的大力支持下，将会拥有巨大的市场前景和广泛的社会基础。

 

　　无线技术是未来嵌入式系统发展最快速的领域之一，单片机是嵌入式和工业控制系统最传统的核心部件。无线技术的应用是单片机发展的一个热点，是包括I，Freescale，ST，NXP，Atmel，Microchip这些工业芯片半导体巨头和专业无线公司Ember，Jennic，Nordic角逐的重要舞台。无论是把射频器件和单片机核心集成在一起的SoC无线单片机，还是单片机加上射频器件或者射频单片机的无线单片系统，都将嵌入在未来形形色色的电子设备里。

 

　　3.2  从市场方面进行潜力分析

 

　　目前，全球工业无线通信市场规模已经超过13亿美元，保守估计在未来的几年中将保持15%左右的年增长水平。美国能源部预计传感器及自动化技术在2010年可节约能量12万LBTU（英国热量单位）以上。市场调研公司ONWorld近期发布的一份报告称：预计到2011年，世界市场无线传感器网络（WSN）系统与服务将飞升至约46亿美元，比现在增长5亿美元。调查显示，现在有三分之一的公司正在使用无线传感和控制技术，并且近一半的公司计划在未来一年半内，研究或计划采用无线解决方案。为了监控机器在工厂内外的品质及状况，世界各工业界公司预计会在无线传感器网络系统和服务方面投入一部分资金。事实上，有40%的公司计划采用无线解决方案，是为了监控机器品质，保证机器正常运作。瑞士ABB、电路保护与电源管理器件制造商博仕（CooperBussmann）、法国科尼思系统公司（CoronisSystems）、DustNetworks、霍尼韦尔国际公司（Honeywell）和Sensicast等公司均在使用无线传感器网络系统监控机器品质。

 

　　中关村物联网产业联盟、长城战略咨询联合发布的《物联网产业发展研究（2010）》报告指出，未来10年中国物联网产业将经历应用创新、技术创新、服务创新3个阶段，形成公共管理和服务、企业应用、个人和家庭应用三大细分市场。总体规模预计到2015年将超过1万亿，2020年将超过5万亿。随着国家推行工业产业信息化进程和打造“物联网”计划的开展，工业领域内各行业对无线传感网络设备的需求会越来越多，2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。

 

　　综合以上分析，工业无线设备无论是在国际还是在国内，都拥有非常广阔的应用前景和经济效益。工业无线技术的快速发展成为未来工业控制领域内的必然趋势。

 

　　4  结束语

 

　　工业无线技术较有线技术的特点决定了其巨大的市场潜力，逐步突破的技术难题为其广泛的应用提供了可能。目前广泛使用的工业无线标准之一WIA-PA是我国自主研发的；表明了我国在工业无线通信领域已处于国际领先水平。全国工业过程测量和控制标准化技术委员会（SAC/TC124）秘书长欧阳劲松教授指出，我国自主无线标准WIA-PA成为国际标准对于我国的工业无线技术乃至整个自动化行业的发展具有重要的意义。未来几年内，工业无线技术会有迅猛的发展，并且会凭借其低成本、高可靠性等巨大的优势，在工业控制领域内得到广泛应用，开拓出广阔的市场。

 

　　参考文献：

 

　　[1]  曾鹏.工业无线技术的标准化应用 [J]. 中国仪器仪表，2008（3）：12-13.

 

　　[2]  李善仓，张克旺.无线传感器网络原理与应用 [M]. 北京：机械工业出版社，2008：86-91.

 

　　[3]  彭瑜.工业无线标准WIAPA的特点分析和应用展望 [J]. 自动化仪表，2010，31（1）：7-8.

 

　　[4]  张强.无线传感器网络在智能电网中的应用 [R]. 北京：中国电力，2010.

 

　　[5]  王平.工业无线技术ISAl00.11a的现状与发展 [J]. 中国仪器仪表，2009（10）：11-13.