淺談ZigBee和IPv6在工業控制中的應用

張冠杰，辛星召，張　璽

淺談ZigBee和IPv6在工業控制中的應用

張冠杰1，辛星召1，張璽2

（1.黃河水資源投資有限公司，河南 鄭州 450003；2.河南天擎機電技術有限公司，河南 鄭州 450000）

通過對基于ZigBee與IPv6的物聯網工業控制系統的介紹，提出了一種解決工業控制系統部署時需要繁雜的通訊線路與眾多的設備接入設備問題的辦法。并在系統建設上提出了由多個獨立的智能控制單元和云端智能控制單元組成的智能控制系統的新的自動控制理念。希望該技術在眾多無線通訊技術日益成熟的今天，能有效地應用于工業控制領域；改變工業控制領域的技術格局，這也將是自動控制系統和智能控制系統的一種發展趨勢。

傳感器；ZigBee；網絡通信；自動化；物聯網；控制系統

1　引言

在大型工業企業中存在生產地域分散、業務分工細致復雜、設備數量多等特點。企業需要對各種設備的狀態進行實時監控，以便出現問題時能夠及時報警與處理。現有的工業控制系統中一般采用工業以太網和現場總線這兩種來建立通訊方式，這兩種通訊方式都有布線麻煩、接線復雜、維護困難、成本高等缺點。隨著網絡通信技術、嵌入式計算技術和傳感器技術的飛速發展，具有感知計算能力和通信能力的智能傳感器開始出現。這些智能傳感器構成的傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術，能夠實時監測、感知和采集網絡分布區域的各種環境或監測對象的信息，并對這些信息進行處理，獲得詳盡而準確的信息，傳送給后臺用戶數據庫。ZigBee是一種新型的無線通訊技術，具有低功率、低成本、近距離的通訊特點，是實現無線智能傳感器理想的網絡通訊協議。本文根據工業控制系統現狀，對使用基于IPV6網絡應用的ZigBee數據通訊系統在工業控制系統領域的應用進行了探討。

2　ZigBee技術及特性

ZigBee由IEEE802.15工作組中提出，并由其TG4工作組制定規范。ZigBee的底層技術基于IEEE802.15.4，即其物理層和媒體訪問控制層直接使用了IEEE802.15.4的定義。

簡單的說，ZigBee是一種高可靠的無線數傳網絡，類似于CDMA和GSM網絡。ZigBee數傳模塊類似于移動網絡基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。

ZigBee是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，在整個網絡范圍內，每一個ZigBee網絡數傳模塊之間可以相互通信，每個網絡節點間的距離可以從標準的75m無限擴展。

與移動通信的CDMA網或GSM網不同的是，ZigBee網絡主要是為工業現場自動化控制數據傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價格低的特點。而移動通信網主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個ZigBee“基站”卻不到1000元人民幣。每個ZigBee網絡節點不僅本身可以作為監控對象，例如其所連接的傳感器直接進行數據采集和監控，還可以自動中轉別的網絡節點傳過來的數據資料。除此之外，每一個ZigBee網絡節點（FFD）還可在自己信號覆蓋的范圍內，和多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立的子節點（RFD）無線連接。

ZigBee技術所采用的自組織網是怎么回事？舉一個簡單的例子就可以說明這個問題。當一隊傘兵空降后，每人持有一個ZigBee網絡模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網絡模塊的通信范圍內，通過彼此自動尋找，很快就可以形成一個互聯互通的ZigBee網絡。而且，由于人員的移動，彼此間的聯絡還會發生變化。因而，模塊還可以通過重新尋找通信對象，確定彼此間的聯絡，對原有網絡進行刷新。這就是自組織網。

網狀網通信實際上就是多通道通信，在實際工業現場，由于各種原因，往往并不能保證每一個無線通道都能夠始終暢通，就像城市的街道一樣，可能因為車禍，道路維修等，使得某條道路的交通出現暫時中斷，此時由于我們有多個通道，車輛（相當于我們的控制數據）仍然可以通過其他道路到達目的地。而這一點對工業現場控制而言則非常重要。

自組織網要采用動態路由的方式。所謂動態路由是指網絡中數據傳輸的路徑并不是預先設定的，而是傳輸數據前，通過對網絡當時可利用的所有路徑進行搜索，分析它們的位置關系以及遠近，然后選擇其中的一條路徑進行數據傳輸。在我們的網絡管理軟件中，路徑的選擇使用的是“梯度法”，即先選擇路徑最近的一條通道進行傳輸，如傳不通，再使用另外一條稍遠一點的通路進行傳輸，以此類推，直到數據送達目的地為止。在實際工業現場，預先確定的傳輸路徑隨時都可能發生變化，或者因各種原因路徑被中斷了，或者過于繁忙不能進行及時傳送。動態路由結合網狀拓撲結構，就可以很好解決這個問題，從而保證數據的可靠傳輸。

3　工業控制系統現狀

當前工業控制系統主要應用的系統為分散控制系統（DCS）和現場總線控制系統（FCS）。

3.1分散控制系統（DCS）

當前工業控制計算機的應用范圍仍以大系統、分散對象、連續生產過程（如冶金、石化、電力）為主，采用分布式系統結構的分散控制系統仍在發展。由于開放結構和集成技術的發展，進一步擴展了大型分散控制系統的應用。

（1）應用現狀

DCS自1975年問世以來，大約有3次比較大的變革，70年代操作站的硬件、操作系統、監視軟件都是專用的，由各DCS廠家自己開發并沒有動態流程圖，通信網絡基本上是輪詢方式；80年代通信網絡較多使用令牌方式；90年代操作站出現了通用系統，90年代末通信網絡有的部分遵循TCP/IP協議，有的開始采用以太網。20多年來，DCS已廣泛應用于各工業領域并趨于成熟，成為工業控制系統的主流。

雖以現場總線為基礎的FCS發展很快，最終將取代傳統DCS，但其發展仍面臨一些問題，如統一標準、儀表智能化等。而傳統控制系統的維護和改造還需DCS，因此FCS完全取代傳統DCS尚有較長過程。現DCS的新產品的特點為：系統開放、管控一體化及帶有先進控制軟件，DCS生產廠家也從事FCS的研發、生產和推廣應用。

（2）DCS存在的問題

1）對1結構。1臺儀表，1對傳輸線，單向傳輸1個信號。這種結構造成接線龐雜、工程周期長、安裝費用高、維護困難。

2）可靠性差。模擬信號傳輸不僅精確度低，且易受干擾。為此采用各種措施提高抗干擾性和傳輸精確度，其結果是增加了成本。

3）失控狀態。操作員在控制室既不了解現場模擬儀表的工作狀況，也不能對其進行參數調整，更不能預測事故，導致操作員對其處于失控狀態。因操作員不能及時發現現場儀表故障，而發生事故已屢見不鮮。

4）互操作性差。盡管模擬儀表已統一4～20mA信號標準，可大部分技術參數仍由制造商自定，致使不同品牌儀表無法互換。因此導致用戶依賴制造廠，無法使用性能價格比最優的配套儀表，甚至出現個別制造商壟斷市場的局面。

3.2現場總線控制系統(FCS)

現場總線控制系統是繼DCS之后的又一種新型工業控制系統，它的出現帶來了工業控制領域的一場深刻革命。現場總線代表一種突破意義的控制思想，改變了原有控制體系結構，使模擬與數字混合的DCS更新換代為全數字現場總線控制系統，真正做到危險分散、控制分散、集中監控和全數字化。

（1）應用現狀

現場總線發展迅速，現處于群雄并起、百家爭鳴的階段。目前已開發出40多種現場總線，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、Modbus、ARCent、P-Net、FIP、ISP等，其中最有影響力的有5種，分別為FF、Profibus、HART、CAN、LonWorks。

FCS全數字化通信使過程控制具有更高可靠性，從傳感器、變送器到調節器，均為數字信號，這就使得復雜、精確的信號處理得以實現。因采用數字總線式通信線路代替DCS1對1的I/O連線，對于大規模I/O系統，減少了由連線帶來的不可靠，同時也降低了布線成本。此外FCS還具有互操作性、分散性、EIC(電氣傳動、儀表、計算機)一體化等優點。在由現場總線構成的FCS中，儀表實際上已成為具有綜合功能的智能儀表。EIC一體化結構恰恰是鋼鐵工業自動化用得較多而又急需的控制系統結構。

（2）現場總線存在的不足

現場總線是一種正在發展中的技術，在許多方面還需改善。IEC61158規定了 FF、Profibus、WorldFIP等8種現場總線標準，還有一些事實上的標準，如LonWorks和CAN總線等。現有8種現場總線為國際標準，它們采用的通信協議完全不同，因此要實現這些總線的兼容和互操作十分困難。許多標準的并存，將導致現場總線技術不易廣泛應用。

現場總線還存在著瓶頸問題，表現在：

1）總線切斷后，系統有可能產生不可預知的后果；

2）在本安防爆應用中，現有防爆規定限制總線長度和總線上所掛設備數量，同時也限制了現場總線節省線纜優點的發揮；

3）系統組態參數過于復雜，不易掌握，而其設定的好壞對系統性能影響很大。

4　基于ZigBee與IPv6　的物聯網工業控制系統淺談

從上述的DCS和FCS應用現狀中可以看出，DCS和FCS系統盡管在我國大規模使用，但還存在著各種問題，同時DCS和FCS系統部署的工作量與耗費的資源巨大。

本文通過對ZigBee通訊技術與IPv6網絡技術的研究，設計了一種基于ZigBee與IPv6的物聯網工業控制系統，主要解決工業控制系統部署時需要繁雜的通訊線路與眾多的設備接入設備的問題。下面本文對基于ZigBee與IPv6的物聯網工業控制系統的系統結構、通訊方式等方面進行介紹以供大家探討。

4.1系統結構

根據工業控制系統的應用現狀，本文將基于ZigBee與IPv6的物聯網工業控制系統分為下列模塊組成：

（1）檢測儀表：負責工業現場各種參數的測試，并具有數據接口可將數據上傳。

（2）電動執行機構：負責執行控制系統的控制命令，并具有數據接口可接收控制指令。

（3）ZigBee智能終端：每一臺智能終端具有唯一的IPv6地址，用于改造儀表和執行機構，可將儀表的數據上傳至控制中心，也可將控制中心的控制指令發送至執行機構，也可將儀表數據共享至其他的ZigBee智能終端，可接收控制中心下發的控制規則，根據ZigBee網絡內共享的儀表數據對執行機構進行實時控制。

（4）智能網關：用于ZigBee智能終端與控制中心通訊轉接，與智能終端通過ZigBee技術通訊，與云端控制中心直接的通訊可根據現場的實際需求使用WIFI、GPRS/3G/4G、網線或光纖通訊，與云端控制中心的通訊使用TCP/IP通訊協議。

（5）遠端控制中心：遠端控制中心由核心服務器與云存儲系統組成，負責數據存儲分析和處理，并根據儀表數據進行自動控制，云端控制中心還可將一些固定的和對時效性要求高的控制規則下發到相關的智能終端，將整個系統劃分為多個獨立智能控制單元，實現高時效的智能控制。

（6）客戶端：為系統的人機交互界面，用于用戶參看儀表數據，人為控制生產過程，同時為云端控制中心推送的消息提供顯示界面。

本系統中的檢測儀表和電動執行機構直接使用現在市場通用的產品即可，同時由于系統中使用了ZigBee智能終端，由智能終端將儀表和電動執行機構的數據轉換為系統的標準消息上傳，解決了在同一個系統中無法兼容多種總線和通訊協議的問題，系統內可兼容多種總線設備。

由于ZigBee通訊技術允許同一網絡內的數據進行數據共享，智能終端可將采集到的信息共享至其他指定的智能終端，這就可以實現將整個系統建設成為有多個獨立的智能控制單元和1個云端智能控制單元組成的智能控制系統，對于工業過程中時效性要求高的控制過程有非常好的適用性。

4.2系統通訊方式

基于ZigBee與IPv6的物聯網工業控制系統中有4個通訊環節，分別為：

（1）ZigBee智能終端與檢測儀表、電動執行機構之間的通訊

ZigBee智能終端與檢測儀表、電動執行機構之間使用有線連接，智能終端可根據現場實際情況選擇使用電池供電或電源線供電。

（2）ZigBee智能終端與智能網關之間或智能終端之間的通訊

ZigBee智能終端與智能網關之間或智能終端之間使用ZigBee無線通訊，組建基于IPv66Lowpan標準的ZigBee網絡，該網絡相對于其他的ZigBee網絡具有結構穩定、通訊可靠、延時低的優勢，同時網絡內隨時增減智能終端不影響網絡穩定性。

（3）智能網關與云端控制中心之間的通訊

云端控制中心可根據現場需要建設為局域網云端控制中心和互聯網云端控制中心；局域網云端控制中心與智能網關的通訊可通過使用WIFI和有線網絡建立的局域網進行通訊；互聯網云端控制中心與智能網關的通訊可通過GPRS/3G/4G通訊也可通過現場的局域網連接互聯網通訊。

（4）云端控制中心與客戶端之間的通訊

局域網云端控制中心與客戶端的通訊可通過使用WIFI和有線網絡建立的局域網進行通訊；互聯網云端控制中心與客戶端的通訊通過互聯網通訊。

4.3系統其它應用方式

基于ZigBee與IPv6的物聯網工業控制系統除了作為一個獨立的工業控制系統應用于實際生產中，還可作為一個通訊系統應用于現有的DCS和FCS系統中。當作為通訊系統部署時，只需在DCS 和FCS的控制中心安裝協議轉換組件，即可實現使用無線通訊技術替換現場通訊線纜的工作，這種應用方式在工廠的改擴建工程中可節約大量的材料成本與時間成本。

5　總結

本文提出了將基于IPv66Lowpan標準的Zig-Bee網絡應用于工業控制領域的一種應用方案，能夠解決工業控制領域傳統布線的局限性，本文作者相信在眾多無線通訊技術日益成熟的當代，將各種無線通訊技術引入工業控制領域，改變工業控制領域的技術格局是一種發展趨勢，而這種改變將促進一場工業領域的革命。

TP212

B

1672-5387（2016）08-0044-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.013

2016-06-29

張冠杰（1972-），男，高級工程師，從事水利樞紐機電設備的檢修維護工作。