基于WLAN的工业控制系统的研究

1、基于WLAN的工业控制系统的研究摘要：工业控制可以利用WLAN对工业现场中的设备进行监控，在控制中可以利用无线传输技术来传送整个控制系统中各个环节的数据，采用WLAN会大大简化工业现场中的布线，使得整个控制现场和控制方式更加方便，便于管理和维护。关键词：WLAN；工业控制；无线传输1 前言 当今的工业监控已经摆脱了单回路的控制，普遍采用多回路、多参数的控制,而随着计算机硬件和网络技术地不断发展,在数据接口、数据发布、数据连接等方面的要求也越来越高，并且当今传感器技术也得到很大的提高，现有的传感器正朝着智能化、网络化、无线化的方向发展。由于传统有线网络采用网线传输,在特殊的工作环境下，网络硬件的

2、搭建就是一个很大的问题，使得网络技术在特殊工业现场不能得到很好的利用。近年来，无线技术得到了飞速发展,为解决有线传输提供了快速简便的方法。以WLAN为代表的无线通信网络使得工业控制正在向无线网络控制的方向发展，本文就WLAN网络的特点，提出了基于WLAN的工业控制思想，采用该思想可以使无线局域网域和工业控制有效地结合起来，提高工业控制的整体水平。 2 无线局域网 无线局域网（WLAN：Wireless Local Area Network）是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的网络，是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，采用无线多址通道来实现计算机之间的通信。与传统通信网络相比较，无线局

3、域网是在不使用双绞线电缆的条件下，利用红外线系统或者无线电波发送和接收数据的局域网，通常利用无线网卡和无线路由器就可以构成无线局域网系统了。 3WLAN无线网络的特点 与传统网络相比较，WLAN具有很多优点，无线网络的通信方式很灵活，WLAN 是利用无线电波来实现在空气中发送和接收数据，而不需以电线作为介质。它的通信范围受环境的限制较小，网络传输半径较大，传输速度较快。有线局域网中，网络通信设备之间的距离受到通信介质的很大限制，其中铜缆的距离要小于0.5KM，光纤的通信距离小于3KM，而无线WLAN 中一个站点到另一个站点的距离可达到50KM，当WLAN建成之后，在无线网络中的任何位置都可以接

4、入到该无线网络之中。 无线网络的组建和维护相对来说较为容易。在网络系统建设中，整个工程中很大的投入是对网络的布线设置，布线要充分考虑到地形和建筑的特点。从而选择合适的方式进行布线，当网络出现问题时，不方便于查处问题的所在地，这给后期维护带来了相当大的负担。WLAN 则不需要繁杂的布线工作，只需安装一个或多个无线访问点AP，就可以实现在一定区域内的局域网络通信，而且更加便于网络管理和维护。 由于工业控制中的环境较为恶劣，所以要求网络的抗干扰能力较强，传统的有线网络虽然采用了很多防电磁干扰的措施，但是金属线路仍然容易受到干扰。WLAN采用的是无线扩频技术，当今大多数无线网卡也采用该技术，采用该技术

5、后，会有效的增强抗干扰能力、降低误码率，能够在负信噪比的条件下工作。无线设备使用极低的发射功率就可正常工作，同时可以让无线设备同频使用并不会受外界信号的干扰。而对于用户而言，他可以利用无线设备设置的通信保密功能，防止其他用户的对其进行侵害。 4 WLAN的通信协议 WLAN是计算机网络技术和无线通信的综合技术，WLAN的通信协议主要针对于计算机网络架构中的物理层和媒介访问控制（MAC）层，制定相应的通信频率和接口标准。网络架构如下图所示，当前WLAN的通信协议标准主要有IEEE802.11、蓝牙、HomeRF和HiperLAN。 图1 计算机网络网络架构 IEEE802.11通信标准 在199

6、7年6月, IEEE802.11无线局域网标准工作组制定了该通信标准。它作为第一代无线局域网标准被应用到网络通信中。该协议的不足之处是它的最高通信速率只能达到2Mbps。虽然IEEE802.11标准的制定对无线网络通信起到了很大的发展,但是在传输速率和传输距离上的限制已经不能满足人们更高的需要。因此该标准得到了进一步的发展相继发布了推出802. 11b、802.11a 和802.11g。其中最流行版本IEEE802.11b可以工作在ISM中的2.4GHz 频段,传输速度可达到5.5 Mbps 和11 Mbps，802.11b规定的是动态速率,它可以根据噪音状况对数据速率进行自动调整,使其可以在

7、多种速率之间进行切换。而IEEE802.11a版本可工作在5GHz的U-NII频带。并可以提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口, 以及TDD/TDMA的空中接口，但是与工作在2.4GHz频带上的IEEE802.11b标准不兼容。IEEE802.11g是一个混合的标准,该标准既可以适应传统的802.11a标准,也符合802.11b标准,如果该标准得到认可它将会进一步推动802.11无线局域网的发展。 蓝牙技术 蓝牙( Bluetooth)技术的工作频段在2.4GHz,它提供价格低廉但功能强大的通信网络。蓝牙技术主要是建立通用的无线接口标准及其控制软件的公开标准,这

8、样使得通信网络与计算机之间的关系更加的紧密,该标准可以使不同厂家锁生产的控制设备能够在没有线路连接的情况下进行短距离数据传输，它的最高传输速度可达到11Mb/s，最大传输距离可达到10m。它的主要优势在于它的无线性、强大的可兼容性以及很小的电磁辐射等特性。 HomeRF HomeRF工作组是将无绳电话技术和无线局域网技术相融合后产生的共享无线访问协议SWAP（Sharde Wirdless Access Protocol）。该协议是使用TDMA+CSMA/CA方式，适用于家用电器设备之间传送语音数据信息。该协议采用数字调频技术，可工作在2.4GHz的ISM频段。 HiperLan HiperL

9、an是一种被广泛应用在欧洲国家无线局域网通讯标准。该标准主要有HiperLan1和HiperLan2两种。HiperLan通信标准类似于IEEE 802.11无限局域网协议。HiperLan1标准采用5G射频频率，采用GMSK(调制前高斯滤波的最小频移键控)技术，通信速率可达20Mbps；HiperLan2也是采用5G射频频率，采用OFDM（正交频分复用）技术，通信速率可以达到54Mbps，其中HiperLan/2系统可同3G标准兼容，支持安全认证和加密功能。 5 WLAN的搭建 WLAN网络的搭建主要是靠通信，WLAN是基于PC机或者嵌入式控制设备来实现的，两者的共同点在于都可以实用网卡与局

10、域网进行链接，从而实现整个WLAN工业控制系统，对设备的操作则可以由两种设备中的软件进行操作。 基于PC机的WLAN网络控制系统 WLAN的无线通信网络是基于无线网卡上的网络通讯，在某种程度上说其传输的速度取决于无线网卡的传输速度，当今主流无线网卡的传输速度为54Mbps，比WLAN的理论传输速度要小的多。在现代工业控制中通常采用集中式控制，即利用控制室中的主控制设备实现对整个控制系统中各个设备的控制与监控，首先主控制设备给各个控制器分配一个随机的IP地址来实现的，使用AP(无线接入点)将每台PC或者工控机与当前的网络相连，然后检测给每台设备所分配的IP地址是否与网络上的其他地址有冲突，如果没

11、有冲突，则PC控制器顺利的接入到无线网络之中，当接入大量PC机后，就实现了单点对多点的网络拓扑结构，这样就形成了以PC为控制单元的控制网络。进行无线控制操作时，可以通过无线局域网将主机上的控制信号传输到整个WLAN中，然后通过网络传递给各个PC控制器，控制器再经过相应的信号转换利用RS-232或者RS-485通信，将控制信号传输到控制设备上，实现WLAN无线控制，其原理框图如图2所示，如水泥厂中的窑炉温度的控制，可以在中控室中利用主机向窑炉控制室发送控制指令，经过WLAN传输后控制指令传输到操作室，然后根据需要控制窑炉的温度。 基于ARM控制器的无线网络工业控制 工业控制的形式和要求是复杂多样

12、的，在进行某些特定的控制时，传统的PC机不能实现特定的控制要求，这就需要我们自行设计控制设备，现代广泛采用嵌入式技术来进行工业控制，ARM控制器的工作主频已经能达到700MHz，这已经能够满足一般工业控制的要求，其次嵌入式控制器是支持操作系统的，这样对开发网络通讯带来了很大的方便方便，换言之构建WLAN系统主要体现在开发无线网卡通讯上，这就需要选择合适的开发方案进行ARM控制器的设计，是利用无线网卡芯片实现网络通信，还是采用外加无线网络通信模块的方式。这两种方式都能够实现无线网络。采用ARM控制器里一个主要原因在于，它可以降低无线网络的搭建成本，减少PC机的使用。也可以将两者结合起来使用，这样

13、更能使工业控制满足专业化的要求。 图2 WLAN控制系统结构图 6 总结 从有线到无线，当今的工业控制越来越趋向于无线控制，除此之外网络通信协议也发展的越来越标准化，无线通讯网络使得工业控制变得更加的完善，PC机和嵌入式系统的使用将扩大WLAN局域网的使用，这些都会令操作人员的控制变得越来越方便、控制的范围越来越大，以WLAN为核心的工业控制系统将在生产实践中发挥出更大的作用。 7参考文献： 【1】 刘丽萍,王智,孙优贤. 无线传感器网络连接问题研究. 兵工学报, 2007,(09):1096-1102. 【2】 周强,杜毓青,熊华钢. 无线传感器网络可靠性建模研究. 兵工学报, 2008,(09):1063-1068. 【3】 王远,陈远知,杨仕勇. 一种新型的高能效无线传感器网络路由协议. 中国传媒大学学报(自然科学版), 2008,(02):35-38 【4】 崔凤云,李玉华,刘晓庆. 无线传感器网络路由协议比较研究. 2008年中国西部青年通信学术会议论文集, 2008 :1136-1143. 【5】 刘永顺. 无线传感器网络及其应用. 安阳师范学院学报, 2009,(02) :44-46.