8-工业无线技术及产品开发
工业无线技术理论与应用(一)
１ 工业无线技术的应用要求
１１ 工 业无线技 术 的优 点 ．
在 工业 环境 中 ，用 户经常遇 到 在某 些恶劣 条件 下设 备只能 通
工 业无 线应 用将 保持 高速 增长 ，预 计２ １ 年 工业 无线 设备的 安装 ００ 数将 突 破一 百万 台 ，￣２ １ 年 可达 到 四百万 台 ，年平均 增长 率超 ０３
过５ ％。 Ｏ
信 的 可行性 。 自从 ｌ ９ 年 马可 尼实 验室 证 明了运 动 中无线 通信 的 ８７ 可 应用 性 以来 ，移 动通 信技 术开 始得 到 了不断 的发 展 。２ 世纪２ ０ Ｏ 年代 末 ，奈 奎斯 特提 出了著 名的 采样 定理 ，成 为 我们迈 向数 字 化 时代 的金 钥 匙 。在过 去 的十 几年 ，无 线移 动通 信 的数字 和射 频 电 路制 造技 术 取得 了突 破性 进 展 ，数字 交换 技术 推动 了移 动通 信 网
在 过 程 工 程 系 统 中 ， 由 于 距 离 太 远 或 范 围 难 以 达 到 ，从 传 感
术 开 始成 为工 控领 域 的热 点 ，新 产 品新 技术 层 出不穷 ，ＷＬ Ｎ、 Ａ
ＺｉＢｅ 、蓝 牙 、ＲＦ Ｄ、 无线 传 感 器等 各 种无 线技 术 和 概念 逐 渐 ｇ ｅ Ｉ
络的 大规 模 发展 。移 动 电话 系统 的发 明 ，为生 活的 各个 方面 都带
本连 载将 对应用 在工 厂 自动化 领域 的无 线技术 作较 深入的介
绍和 探讨 。 内容主要 包 括 ：工业 无线技 术 的应 用要求 ；无 线技术
基础 知识 ；工业 无 线技 术协 议介绍 ；天 线的 设计 和选 择 ；无 线 网
我国工业无线技术国际标准制定工作取得重大突破
位 ， 在众 多的 跨 国公 司 的支持下 ， 积 极 开 展 相
关标 准 的制定 工 作 。 我 国 在 国 家8 6 3 计 划 、 科学 院创新方 向性项 来自的支持下 ， 经 过 两年近 百
名科 技 工 作者 的艰 苦攻 关 ， 使 工 业 无 线技 术取
得 了突破 ， WI A — PA技 术在 j 台全 、 石 化 、 轻 工 等
盛 ， 艾 默 生 、 霍 尼 韦尔等 公 司 已 初步 形 成 了自
有技术体 系和 原 型 产 品 。
标准制定 是 工 业 无 线技术竞争 的焦 点 。
国 际 上 ， 以 HA RT通 信 基 金 会 和 美 国仪 表 系 统
与 自动 化 协 会 I s A 等 为 代 表 的 几 百 家会 员单
Pr o c e s s Au t o m a t i o n ) 规范于 2 0 0 8 年 1 0 月3 1 日 经 国际 电工 委 员会 ( I EC ) 全 体 成 员 国的投 票 ， 以9 6 ％的得 票 率获 得 通 过 ， 作 为公 共 可 用 规 范 I EC／PAS 6 2 6 0 1 标 准化 文件正 式 发 布。
工 业 无 线技 术是 工 业 自动化领 域前 沿 热 点 技 术 ， 引 领 工 业 自动 化 系 统 未 来 的 发 展 方 向。 工 业 无 线技 术是 本 世 纪 初 新兴 的 、 面 向设 备 间信 息 交 互 的 无 线 通 信技 术 ， 是 对 现 有工 业 通 信技术在 工 业 应 用 方 向上 的功 能扩展 和 提 升 ， 将 引发传 统 工 业 测 控模式 的变革 ， 引领 工 业 自动化 系统 向着 低 成 本 、 高 可 靠 、 高 灵 活 的方 向发 展 。 欧 美 等 国政 府 多次在发 展 规 划 中指 出 ， 工 业 无 线 技 术将 在提高产 品 质 量 、 降 低生 产成本 、 提高能源效率等方面 发挥重要 作 用 。 美 国能源部还 将工 业 无 线技术列为实现 到 2 0 2 0 年 美 国 工 业 整体 能 耗 降低 5 ％目标 的主要 技术手段 之 一 。
无线遥控技术极其在起重机上的应用
无线遥控技术及其在起重机上的应用在科学技术不段发展的今天，无线遥控技术应用已经十分广泛，大到人造卫星，小到家用的空调器、电视机、音响等都使用遥控技术来进行操作。
遥控技术的发展被认为是一种现代化的标志，它可以充分使人从繁杂的体力劳动中解放出来，随心所欲地从远距离进行控制，如：电视机的遥控可以使人随意地躺坐来变换喜欢的电视节目，使人享受充分的休息。
遥控技术的发展使人们享受着科学的魅力。
由于遥控技术可以减低劳动强度、提高劳动生产率及提高作业的安全性等方面起着积极的作用，在工业自动化控制中的遥控技术的应用已愈来愈被人们重视。
日常生活中我们使用的无线遥控发射方式多数为红外线型，因其成本低，易于人们接受。
但由于该控制方式受发射距离、方向和条件的限制，局限性较大，应用在工业无线控制领域就显不足。
而目前广泛用于工业无线控制领域的遥控装置，主流是以无线信号进行传输的方式。
以下就起重机用无线遥控系统自身特点、发展概况、使用优势和遥控系统分类进行简单介绍。
（一）起重机用无线遥控系统必须具有以下几个特点：1．可靠性。
遥控系统一旦发生故障，将影响生产正常运行。
因此其系统及系统的硬件必须具有高度的可靠性。
2．安全性。
遥控系统是起重机械的控制装置，如果动作有误，将发生物损、人伤的事故。
因此必须保证遥控系统的百分之百的安全，具有操作者应能直接进行紧急停车和系统自动急停的安全保护。
3．抗干扰性强。
能够不受电焊、电炉及起重机变频器等的电磁杂波干扰，能够在小范围内同时多台使用，互不干扰。
4．能在恶劣环境中使用。
必须具有较强的防尘、防煤气、耐油、抗冲击等性能。
5．轻小型便于操作。
发射系统由操作者携带进行操作，故应体积小、重量轻、携带方便。
（二）起重机用无线遥控系统的发展概况：1．50年代，各类工业用遥控系统在欧美开始出现。
2．60年代，以德国HBC为代表的遥控制造商开发了专用于起重机控制的遥控系统，被认为是企业减少劳动力、实现自动化控制的良好途径。
现场总线、工业以太网、工业无线
现场总线、工业以太网、工业无线【前言】目前工业通信领域的三大主流技术：现场总线、工业以太网、工业无线。
综合应用趋势：将现场总线、以太网、嵌入式技术和无线通信技术融合到控制网络中，在保证系统稳定性的同时，又增强了系统的开放性和互操作性，从而有助于企业加快新品开发、降低生产成本、完善信息服务。
【现场总线】现场总线的出现不仅简化了系统的结构，还使得整个控制系统的设计、安装、投运、检修维护都大大简化，给工业自动化带来一场深层次的革命。
但现场总线技术至今还没有一个统一的标准。
事实上，从现场总线的概念提出开始，国际电工技术委员会/国际标准协会（IEC/ISA）就着手开始制定现场总线的标准，至今统一的标准仍未完成。
很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。
【工业以太网】正当现场总线标准大战硝烟正浓之时，以太网悄悄进入了控制领域，从而产生了一个新的名词工业以太网，并且由于以太网传输速率较现场总线更快等优势，以太网技术一出生就风华正茂，近年来其势头更是盖过了现场总线。
然而，正如当年的现场总线的标准之争一样，工业以太网也出现了多种不同的以太网技术，如Ethernet/IP，Profinet，ModbusTCP，EtherCAT，Powerlink等，而且这些网络在不同层次上基于不同的技术和协议，包括了OPC，CP，IP等，而且，每种技术的背后都有不同的厂商阵营在支持，这就决定了多种以太网技术并存的局面。
【工业无线】再说说无线技术，从复杂的布线到如今仅需要一台无线信号发射器，从依赖PC机到现在可利用任何配有无线终端适配器的设备，连接网络呈现出在任何时间、任何地域、任何设备上都畅通无阻的现状。
技术的发展同时也推动了社会的进步，无论是军用产品、工业产品，甚至民用产品，无线技术俨然成为社会发展中必不可少的一部分。
相比有线网络，无线网络具有移动性，。
工业互联网核心技术
具有自主知识产权并初步取得了国际标准制订权
涉及37项国内外重大发明专利 初步取得了国际标准制定权
来源：成都西谷
适合LDSW芯片的应用场景
来源：成都西谷
三、工控实时操作系统SylixOS
工控实时操作系统是工业互联网、工控系统等的核心技术， 关系到各行各业的安全，过去这一领域被外国的VxWorks、 QNX等操作系统垄断，存在着巨大的安全隐患。
RISC-V基金会：
中国成员：计算所（发起、审计）、清华（审计）、华为（金）、阿里（金）……
追求简约
以页数和单词数衡量的 RISC-V、ARM-32 和 x86-32 指令集手册比 较
RV32G，ARM-32，x86-32，RV32C和Thumb-2程序的相对大小
丢弃历史包袱
x86指令集自诞生以来指令数量的增长。x86在1978年诞生时有 80条指令，到2015年增长了16倍，到了1338条指令，并且仍在增长。
成都西谷宏指令通信技术国际专利利用简单宏指令代码代替繁长具体的工作指令传输保密省电工作清单分组比对技术专利从海量通信对象中将少部分需要处理的终端一次筛选出来解决了海量电子标签低功耗管理问题
工业互联网核心技术
前广，它包含了“互联网”、“物联网”和“智能 制造”等技术，以及将这些技术融合起来构成“工业互联网”的技术。为了保障 “ 工业互联网”的安全，使其不受制于人，我们应重视发展工业互联网的核心技术。 下面举出其中的一些案例。
RISC-V与x86及ARM架构CPU的比较
新一代信息技术领域是RISC-V的潜在市场
中国开源芯片联盟的目标
开源芯片模式对于我国打破芯片市场垄断、实现芯片自主可控和增强芯片业创 新能力具有重要意义。因此，在国家发展战略性新兴产业方针的指引下，我国应当 依托丰富的科技人力资源和巨大的市场，加大芯片业自主创新力度，营造完善的 生态系统，发展自主可控的开源芯片，推动中国在开源芯片的技术、社区和产 业 等方面全面发展，为人工智能、物联网、5G等等新一代信息技术和数字经济 的发 展，为建设网络强国提供强大支撑。
工业无线网络性能测试方法研究和实现
工业无线网络性能测试方法研究和实现姜德志;费敏锐;李昕【摘要】为了研究基于IEEE 802.15.4a的工业无线网络的实时通信性能,给出了基于该标准下的无线网络的实时性测试方法.设计了该方法的测试装置,实现了对该无线网络的实时性能指标的测试.测试结果表明,该测试方法可靠、稳定,能够有效地获取该无线控制网络的实时性能指标,为优化和改善工业无线网络通信提供了依据.%In order to research the real-time communication performance of the industrial wireless network based on CSS physical layer specifications of IEEE 802.15.4a standard, the test method for the real time performance of such network is given, and the test device based on this method has been designed for implementing the test of the performance index. The result of the test indicates that this method is reliable, stable and is able to effectively obtain the real-time performance indexes of this wireless control network; thus it provides basis for optimizing and improving communication performance of industrial wireless network.【期刊名称】《自动化仪表》【年(卷),期】2011(032)008【总页数】4页(P74-77)【关键词】实时性能测试;无线网络;数据通信;操作系统;嵌入式【作者】姜德志;费敏锐;李昕【作者单位】上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海市电站自动化技术重点实验室,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海市电站自动化技术重点实验室,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海市电站自动化技术重点实验室,上海200072【正文语种】中文【中图分类】TP3920 引言近年来，中短程无线通信技术发展迅速，它正逐步渗透到工业控制领域，具有很好的应用前景。
普联TP-LINK工业级双频无线客户端 TL-CPE1300D工业级 安装手册
4. 在固定螺钉到墙体之前，请将螺钉插入壁挂件的一个锁孔中，确保 螺钉头和柄的尺寸合适。 固定螺钉到墙体时，不要将螺钉完全拧进去，需留出2毫米左右的空 间，以便在墙体和螺钉之间滑动壁安装面板。
经销商向您作出的非普联技术有限公司保证的其它承诺，普联技术有限公司不
已经超出保换、保修期限； 未按使用说明书要求安装、使用、维护、保管导致的产品故障或损坏； 擅自涂改、撕毁产品条形码； 未经普联技术有限公司许可，擅自改动本身固有的设置文件或擅自拆机修理；
承担任何责任。
四、在国家法律法规的范围内，本承诺的解释权、修改权归普联技术有 限公司。
熄灭：断电或者关闭时熄灭
快闪: 升级过程中快闪 复位快闪：长按RESET键5秒后，SYS快闪1秒进行复位
2. LAN1指示灯 常亮：对应端口接入时，指示灯常亮 闪烁：对应端口接入且正在传输数据时，指示灯闪烁 熄灭：对应端口未接入时，指示灯不亮
3. LAN2指示灯 常亮：对应端口接入时，指示灯常亮 闪烁：对应端口接入且正在传输数据时，指示灯闪烁 熄灭：对应端口未接入时，指示灯不亮
警告： ■ 此为A级产品，在生活环境中，该产品可能会造成无线电干扰。
在这种情况下，可能需要用户对干扰采取切实可行的措施。 ■ 设备在工作时壳体温度可能会达到70℃以上，请按照防烫标识
提示，谨慎接触设备外壳，以免烫伤。
物品清单
1. 无线客户端 2. 导轨件（标配，带2个螺钉） 3. 墙挂件 (2件，螺孔安装) 4. 双频天线 (2根) 5. 安装手册
17
金属弹簧 DIN轨道
智能无线网络WIA产品及解决方案
智能工厂解决方案基于WIA-PA协议，实现设备之间的互联互通，提高生产设备 的利用率和工作效率，降低能耗和减少维护成本，同时保障生产安全。
智能物流解决方案
总结词
优化物流流程、提高运输效率、降低物流成本。
详细描述
智能物流解决方案利用WIA-PA协议实现物流信息的实时采集和传输，优化物流流程，提高运输效率，降低物流 成本，同时为物流企业提供更加精细化的管理方式。
智能楼宇解决方案
总结词
提高楼宇智能化水平、保障人身安全、节能环保。
详细描述
智能楼宇解决方案基于WIA-PA协议，实现楼宇设备的互联互通，提高楼宇智能化水平，保障人身安 全和数据安全，同时实现能源的精细化管理，达到节能环保的效果。
智能农业解决方案
总结词
提高农业生产效率、增加农民收入、保障农产品质量安全。
城市基础设施和公共安全
WIA-PC系列产品适用于城市供水、供气、供电等基础设施的无线 通信和监控，提高城市运营效率和管理水平。
智能家居和智能楼宇
WIA-PE系列产品适用于家庭和楼宇的智能控制、安全监控等应用 ，提高生活品质和安全保障。
02
WIA产品技术解析
无线通信技术
1 2
无线局域网(WLAN)
，确保长时间的正常运行。
高效性
WIA产品具有高效的无线通信 性能，可实现高速数据传输和 实时监控，满足各种应用场景 的需求。
智能性
WIA产品具备智能感知和自适 应能力，能够自动优化网络配 置，提高网络性能。
易用性
WIA产品采用人性化设计，易 于安装和操作，降低使用门槛
。
产品系列与分类
01
02
03
WIA-PA系列
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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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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
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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
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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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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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—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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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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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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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。
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
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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ISA100网络构架
Honeywell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
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
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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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
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）
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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-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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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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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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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；
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