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现场仪表

从现场总线到无线传感器网络(下)

  2009年10月19日  

无线传感器网络WSN
      随着市场需求的发展、技术的进步,无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)技术应运而生,这成为当前所有应用领域内的新热点。而在工业方面的应用,工业无线传感器网络也正成为当前自动化领域的热点。
      凡是新生事物的产生,首先是市场需求,其次是技术上的可行,当二者具备时,新生事物就会油然而生。随着国防工业、农业、商业、食品、医疗、卫生等行业的发展,以及人们对环境保护和社会安全的日益重视,加之人们的生活质量不断提高,这就需要一种技术的产品在一定范围内方便地进行实时感知、监测和采集多种信息并加以处理,从而采取适当措施加以控制。因此,WSN就提上了日程。WSN是一种跨学科的技术,现代传感器技术、微机电系统(MEMS)、微电子技术、无线通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和人工智能技术发展到一定程度为实现WSN奠定了技术基础。

无线传感器网络的发展
      我国政府在国家“十一五”规划和《国家中长期科技发展纲要》中将“传感器网络及信息处理”列入其中,国家863、973计划中也将WSN列为支持项目。此外国家自然科学基金与各省市的大型企业等也都有资助,这为WSN的快速发展创造了条件。
      产品和技术的发展与标准的适应至关重要。在IEEE 802.15标准中,家用和办公领域内已有蓝牙(blue tooth)、Zigbee,而在工业领域内则有HART 7.1,ISA(美国仪表学会)100和中国的WIA-PA。其中HART基金会的HART 7.1(无线HART)还于2008年9月19日正式获得IEC的认可,成为公共可用的规范(Public Available Specification,简称PAS)。WIA-PA(Wireless Industrial Automation—Process Automation)是由我国中国科学院沈阳自动化研究所牵头制定的中国WSN标准,已于2008年10月31日获得了IEC的认可,成为PAS 62601文件。而ISA(美国仪表学会)的ISA 100标准要向IEC申请成为PAS文件时,由于内部矛盾,投票表决时,仅以一票之差未能通过。相信其文本经过修改后,成为PAS文件是没有什么问题的。

无线传感器网络产品的应用概况
      目前已有Emerson与Honeywell两家国外大公司推出的WSN产品,前者符合无线HART 7.1版本的标准,而后者采用了ISA 100标准,但大多数只限于温度、压力、流量及物位耗电量小的变送器。在国内,川仪和重庆邮电大学合作也已生产出无线系列变送器及执行器的样机,而WIA-PA在鞍钢冷轧机测量轴承温度也已使用成功(测点已达400点)。国外两家公司的产品在国外也已有了多个应用案例。
      由于WSN目前尚处于研发与不断完善的阶段,功能有限,例如无线HART目前的水平是:无线通信距离在200米以内,电池寿命为5-10年,可靠性为99%。而Honeywell的产品则在一个mesh主干网可以有22个多功能节点(相当于网点),每个多功能节点可以连接100台现场设备,无线仪表的刷新速度为1秒、5秒、10秒、30秒四种(未来可达到0.25秒),电池寿命在1秒刷新时为4-5年,5秒刷新时为10年。
    综上所述,WSN目前的应用范围只能局限在数据的监控和采集方面(SCADA),尚不能用在控制和安全的场合,目前只能是有线应用的补充。另外目前WSN的产品价格较贵,如无线HART的适配器(无线收发器)价格约人民币万元,一个无线HART的变送器约6000美元左右,比HART仪表要贵很多。

WSN攻关的难点
      目前WSN的难点在于一方面用了无线,就不能要求用电缆供电,而必须用电池。而电池又不能经常去更换,这就要求低耗;而另一方面,通信的要求则是需要具有三性,即实时性、可靠性和安全性。要做到这一点又必须增加开销,这就又要多耗电,这两者是矛盾的。因此只能在目前的条件下,找出其平衡点,达到整体的优化。
      当前国内外的一些研发部门莫不殚精竭虑,他们在软、硬件方面“大做文章”,现在已有了阶段性成果。如在低耗方面,已作出了一些低耗芯片。高性能电池或在节点不工作的时间内进行休眠或半休眠等等节能措施;或者利用光能、机械能(振动)等能量将之转化为电能。在保证信息的“三性”方面,也在制订各种协议以达到“三性”的目的。
      由于用户的需要、技术的发展,WSN的前景是光明的。据有关专家统计,要攻克上述难点大概还需要5-10年的时间。
      根据现场总线的经验,只要没有多标准,制造厂商和研发部门也不要刻意去炒作,用户也不要为新技术而新技术,为无线而无线。要坚持从实际出发,讲究以最少的投资实现最大的生产效益,这样WSN才能获得健康而较快的发展。

希望与建议
      首先,研发部门必须要重视用户的作用。如果说国内外存在着技术差距,大家或许会承认(事实上在某些方面,我国的科技水平已达到国际的先进水平,但总体来讲,还存在着5-10年的差距);但在对用户重视程度上的差距比起技术上的差距确实要大得多。以WSN标准为例,ISA花了两年时间与一些大用户联合调研,这确实对标准的完整性和实用性起到了完善的作用。而中国的WIA-PA由于对应用了解不够,其定位显然有欠准确。WIA-PA的定位应该是在WSN,而不是WIA-PA,WIA中文名称是“无线工业自动化”,而无线自动化在流程工业中的应用包含三类:即开发标准的实际目的及内容仅是WSN,而WSN属于无线个域网(WPAN),属于IEEE 15.4;还有一类应用是点对点,或点对多点的强功率的无线局域网(WLAN),属于IEEE 15.1,这已成功应用于流程工业,如钢铁工业;第三类是无线广域网(WWAN),属于IEEE 802.16,这也开始在跨省、跨国的大企业中开始应用。显然WIA-PA名不符实,有定位不准之嫌,比较准确的命名应为无线工业传感器网路WISEN(Wireless Industrial Sensor Network),这样的名称念起来也方便。如果有用户参与,就不会有这些问题产生了。
      另外,欢迎金融企业的介入和支持。目前金融风暴波及我国,国外的一些大公司加强了在中国的本土化,这对中国本土的仪表工业的压力越来越大,中小型企业首当其冲,所以这些企业都在采取措施、转变观念、调整其产品结构。在中国仪器仪表学会2008年举办的WSN论坛和WSN培训班上已充分地体现了这一点,中小型企业需要技术,更需要资金的支持,因此在“产、学、研、用”的结合上,再需要加上“金”字,即金融业的介入,以辅助国家对科技的投入。
      同时由于WSN的应用广泛,几乎无所不包,因此具有无限的商机,希望不忘错过这个“四万亿投资拉动内需”的机遇。

 

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