無線局域網技術在PLC通訊中的應用

摘 要：結合IEEE 802.11協議，開發一種基于無線局網的PLC工業以太網通訊技術。

關鍵詞：PLC 無線局域網 工業以太網

中圖分類號：TP393.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（b）-00-02

1 技術背景

現今工控行業，PLC通訊主要采用總線或以太網連接方式，將各PLC站及中控室上位機通過工控網絡連接，實現數據交換以及中控室的集中監控、調度。但在工廠實際建設或升級改造中，一些小型就地PLC站因其硬件匹配性、施工難度等原因未連入整個PLC工控網絡。這些小型控制站往往管理著重要的現場設備，加大了這類控制站的監控、管理的難度，也加大了運行、維護人員的負擔。通常對于這類管理著重要設備的PLC控制站，都需通過改造，建立其與中控室的通信，實現集中監控、集中管理、集中調度。目前，建立小型就地PLC站與中控室通訊的方式主要有如下三種。

（1）敷設電纜、光纜，通過物理連接接入全廠控制網絡。這種方式的優點是技術成熟，不易受到干擾。但其施工相對復雜，尤其對于新建或改造的小型控制站，缺乏物理路由支持，施工需要重新架線或挖溝鋪設電纜，破路、埋管、采購電纜，成本較高，施工施工周期較長。這種方式，顯然不適用于個別小型控制系統接入中控

網絡。

（2）采用無線電臺方式，這類無線通信建立采用現場站和中控室同時接入無線通訊電臺，實現數據交換，但這類方式往往購買電臺成本較高且安裝無線電臺天線時，必須考慮防雷接地等問題，安全問題凸顯。

（3）采用GPRS無線數據傳輸即在現場和中控室安裝GPRS模塊，通過運營商手機網絡傳輸數據。這種方法編程復雜，且每年需向GPRS運營商支付大筆流量費，維護不便。

上述三種方法都有各自的弊端，因此在工業以太網領域，筆者嘗試采用一種新型的無線控制網絡，解決就地控制站連入控制網絡的問題。這種方式的技術基礎在于，工業以太網是工控網絡的主流，其技術基礎是基于以太網技術；無線局域網技術同樣是基于以太網技術的，參考以太網技術的開放性，推斷無線局域網技術也應適用于工業以太網。因此，嘗試將無線局域網技術用于工業以太網，開發一種新型的無線通訊系統。

2 無線局域網的協議標準介紹

IEEE802.11是IEEE委員會1997年制定的一個無線局域網標準，其主要作用解決辦公室局網和校園網中，客戶端與客戶端的無線互聯接入[1]。該業務最初的目的在于數據存取，其速率最通常最高為2 mb/s。IEEE802.11只規定了開放式系統的物理層和MAC層，MAC層主要采用CSMA/CA協議。委員會對于此協議的物理層，定義了以下幾種的物理介質：紅外線方式、直接序列擴展頻譜方式（DSSS）以及跳頻擴展頻譜方式（FHSS）。在實踐過程中，IEEE802.11無論速率上和傳輸距離上，均不能滿足可靠性、穩定性、快接線的需要。其后，IEEE專家小組隨即推出了更新的IEEE802.11a和IEEE802.11b這兩項新型技術標準。這三個標準的技術差異主要在于物理層以及MAC層。

目前，使用最為廣泛的是IEEE802.11b標準，也是該文實現無線工業以太網網的主要應用技術。下面重點介紹IEEE 802.11b技術協議。

2.1 IEEE 802.11b的物理層

有線網絡與無線局域網在物理層上的主要區別表現在，有線網物理層采用電纜，而無線網物理層則采用無線電方式作為傳輸的介質，摒棄了電纜這種媒介。IEEE 802.11b無線網，物理層可采用三種形式，即跳頻擴頻層、直接序列擴頻以及紅外線層[2]。其選擇完全基于應用的需求。

2.2 IEEE 802.11b的MAC協議

從根本上講，對于MAC協議，有線網與無線網技術上并無根本的區別。其不同主要體現在，無線上網終端移動性強，導致基于802.11b的MAC協議繼續不能沿襲使用原來的局域網協議標準。

無線局域網協議標準IEEE 802.11b使用的是CSMA/CA協議，即有沖突避免的載波監聽多路訪問方式實現網絡共享。[3]

該CSMA/CA方式可用如下方法實現：數據包傳輸以前，相關無線設備首先對網絡進行監聽，判定否有其他設備正在占用網絡進行傳輸。當監測到有其他的傳輸正在進行，則等待一段時間，再次監聽，直到無其他設備占用網絡，則進行本次網絡傳輸。802.11b采用了RTS/CTS機制，即發送請求/清除請求，用于將傳輸沖突的概率降至最低。同時，為了保證數據傳輸的可靠性，還采用了ACK確認的機制，在接收端收到數據后，向發出端發送一個確認ACK。若發送端未收到該確認通知ACK，即表示數據傳輸出錯，數據已丟失，發出端將再次傳送該數據。

2.3 IEEE 802.11b性能分析

IEEE 802.11b協議在媒體訪問控制層采用CSMA/CA協議以實現無線信道的共享。在實際用應中，尤其是網絡中負荷不是很大的情況下，發生沖突的概率極低。與此同時，先進的網絡產品都有一些附加措施，這些措施甚至可以完全避免網絡沖突。例如：一些廠商的無線網絡橋接路由器采用了一種叫做動態時間輪尋的方式：當遇到數個無線遠程站要與基站通信時，基站會根據遠程站已經設定好的的站地址（IP），進行一次輪流詢問，若有該站有數據要需要傳送發送，基站即分配時間段，接受數據，若沒有，則繼續輪詢下一個站地址，以此類推。值得一提的是，這種動態輪詢方式，是在基站端用戶可設置的，例如：只輪詢在線的活動站，減少了非活動站對時間的占用，提高了效率，也完全避免了沖突的發生，這種特點是無線局域網用于工業以太網重要技術基礎。

3 無線網絡局域網技術在PLC通訊中的應用實例

下面將介紹一種無線局域網技術應用于PLC通訊系統的應用實例。該技術原理如圖1所示，其主要設備包括：PLC以太網模塊、網線、無線路由器、中繼器、以太網交換機、工控機等。本實施例即利用上述設備，通過PLC站與上位工控機間建立的無線局域網完成數據交換工作。其主要工作原理是，在PLC站現場安裝無線路由器，可安裝在PLC柜上方或側方，通過網線接入現場段路由器WAN端口，考慮現場站與中控室間的距離，可選擇安裝1-2個中繼器，與現場端路由器同品牌、同型號，用于放大無線信號，在原理圖中采用示意方式用一臺中繼器放大信號，在中控室安裝一臺無線路由器，用于接收無線信號，將該無線路由器的LAN接口連入網線與上位工控機的交換機相連，即完成組網。在實際組態中，將所有連入無線局域網的設備，通過無線網wifi信號或交換機上的工控機進行ip地址設置，包括：工控機、路由器、中繼器、PLC網絡模塊等。這些設備的網段設置須設置為同一網段，IP地址不可沖突，完成無線局域網的創建。上述工作完成后，可用任一臺上位機ping現場PLC網絡模塊，若ping通，則無線局域網建成，即可實現工控數據交換，在結合上位軟件，PLC編程等方式實現所有上位監控功能。

通過上述實例可以看出，這類無線局域網連接方式的技術原理是基于以太網技術的開放性，同時將無線局域網技術及工業以太網技術相結合，并對其進行靈活運用，實現了遠程站與中控站的互聯。這種方式區別于傳統的互聯方式具有：施工簡單、工作量小、無線路由器等設備成本低廉、網絡拓撲簡單、可擴展性強、安全系數高等特點。

4 結語

該項目的實現為PLC通訊提供了另一種新型的連接、工作方式，將工控網絡與無線網技術相結合，即采用相對成本低廉無線路由器、交換機，完成該網絡的建設工作。其優勢明顯：實施成本低廉、門檻低、施工安裝工作量小；采用自建無線局域網的方式，可靠性高，組網靈活，修改方便，可擴展性強；無線路由器均安裝在室內，信號通過構筑物間的中繼器放大，無雷擊可能性，安全系數高；該技術科應用于任一主流控制系統PLC通訊中，如：AB、西門子、施耐德等，可推廣使用，尤其適用于通訊距離短、無明顯高層構筑物遮擋、老廠控制站改造、新建控制柜及特別重要控制系統冗余網絡等控制站的無線通訊；無線路由器及中繼器均可作為wifi熱點，可隨時使用筆記本電腦在覆蓋范圍內對該局域網進行診斷、修改、擴展、維護等工作。該技術尤其適用于距離相對較近的PLC站無線通訊系統搭建，克服了傳統通訊方式的種種弊端，在簡化設計施工等工作的同時，大大節約了建設及維護成本。

參考文獻

[1]http：//baike.baidu.com/view/345218.htm.

[2]IEEE Std.802.11b-1999.

[3]王華，謝瑞.高速無線局域網的通訊技術[J].電信快報，2009（7）.