無線通訊在工業控制中的應用

孫霞

（哈爾濱鐵道職業技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

一、無線通信技術的特點和優勢

（一）無線網絡技術

無線網絡技術其本質是通過電磁波信號來交換信息。該技術主要通過無線網絡連接來傳輸數據（如：信息、語音或視頻等）。

目前，無線終端設備得到了快速的發展，已包含諸多便于攜帶、移動的各類終端，包括手機、筆記本電腦、平板電腦、PDA 等，這些設施可為造船企業在生產過程中帶來便利。

無線網絡技術較之有線網絡技術降低了網絡部署的成本，但同時由于無線網絡技術的傳輸介質是大氣，所以在傳輸過程中易受干擾，需在設計階段通過現場勘測、選擇正確的無線點位來降低環境對信號傳輸的干擾。

（二）無線通信技術的優勢

首先，降低成本。有限系統和無線系統的最大區別在于是否有電纜。如果車間或設備之間的距離太長，特別是信號采集和控制非常復雜時，電纜和附件將大大減少。在特殊的環境下，應用無線傳輸方式可以最大限度地節約成本。

二是轉換靈活方便。如果該區域有無線信號覆蓋，接入網絡可以忽略空間和距離，并且不會受到位置的影響。

最后，完成了總線功能。隨著科學技術的進步，工業無線通信技術發展迅速，其水平不斷提高。它不僅能成功地檢測到現場設備的信號，而且能在沒有明顯布局的情況下傳輸不同類型的信息，從而實現高效的信息傳輸。

二、有線通訊在工業控制中的問題

在早期的工業控制中，大多使用金屬線來完成數據傳輸，即有線通信。它在工業控制中的應用存在幾個問題：

首先，傳輸距離短。大多數舊的金屬線主要是雙絞線傳輸。即使增加一個額外的驅動電路，實際通信距離也不能超過20m。

其次，數據在傳輸過程中會衰減。以工業控制中常見的RS485 雙絞線傳輸為例，雖然傳輸距離可以有所延長，但隨著距離的增加，數據信號會因線路阻抗而不同程度地衰減。

最后，有線傳輸會在一定程度上增加成本，并且不能及時控制遠程運動部件。在有線通信模式下，信號需要通過光纜傳輸。如果距離太長，需要增加支架電纜。同時，必須相應增加設備的布置空間和行車負荷，這不僅會增加施工成本，而且會由于外部環境的影響而存在一些安全隱患，降低有線運輸的安全性和及時性。

由于上述工業控制中有線傳輸中常見的問題，無線通信已成為工業控制領域的研究熱點。

三、無線通信工業控制體系結構

基于無線通信的工業控制主要有兩種形式。一種是以PC 機為控制器，利用無線網卡將工業控制系統接入無線網絡。與單片機的通信主要依靠數據線和地址線。同時，利用無線路由和網絡服務器構建外部局域網。雖然以PC 機為控制器的控制系統投資巨大，但由于采用了標準的網絡通信協議，可以實現PC機與外圍無線網絡的實時連接，從而可以有效提高無線網絡的兼容性。二是基于射頻模塊和單片機的工業控制系統。該工業控制系統主要作用于小型工業領域的自動控制。單片機是主控制器。遠程數據傳輸需要由無線收發模塊完成，然后利用傳統的串行通信協議完成單片機與無線模塊之間的通信。

四、基于無線通訊網絡協議的控制

（一）無線網絡的通信協議

基于無線通訊協議網絡的工業控制，主要是利用PC 機來實現的，現如今在工業自動化領域，IEEE802.15.4(Zig Bee）是使用最為廣泛的無線通訊技術協議，能夠與無線短程網絡高度匹配。如果是交換遠程視頻監控的數據，經常采用IEEE 802.15.3協議；如果在無線局域網中，需要傳輸大量數據或者傳輸范圍較大，那么通常采用IEEE 802.11 協議。在工業控制中，無線局域網和無線短程網有著十分廣泛應用。

工業以太網也是工業控制網絡中的重要組成內容。Internet TCP/IP 協議是工業控制自動化應用的標準，企業網絡和控制網絡能夠在工業以太網中完美兼容，可以在很大程度上為工作人員提供工作便利、降低操作難度，促進工作人員能夠快速掌握網絡控制要點。

（二）基于PC 機的無線網絡工業控制

無線網卡是無線局域網中實現無線通信的主要工具。同時，無線網卡的傳輸速度直接影響通信數據的傳輸速度。目前，無線網卡的傳輸速度大多為54Mbps，計算機會使用網卡隨機為每個控制器分配一個單獨的IP 地址，并確保每臺PC 都能通過無線接入點穩定地連接到網絡。同時，工作人員需要檢測控制器的IP 地址是否與其他地址沖突。如果沒有矛盾，則證明PC 已成功連接到無線網絡。如果將大量的PC 機連接到無線網絡，將形成網絡的點對多點拓撲，然后形成一個完整的控制網絡，并將每個PC機作為網絡單元。工作時，工作人員可在WLAN的作用下將控制信號傳輸至控制網絡，信號通過隔離轉換器，接收網絡可將轉換后的控制信號通過RS-232 傳輸至控制設備，實現對機械設備的智能控制。如今，隨著科學技術的飛速發展，工業領域中幾乎所有的傳感器都可以與無線傳輸模塊高度集成，從而大大簡化了控制系統的電路，實現了控制系統隨時隨地的檢測。例如，以水泥廠窯爐溫度檢測儀為例，我們可以充分利用無線傳感技術，將實時溫度信息及時傳輸到主監控室，以便及時調整溫度。

（三）基于ARM 控制器的無線網絡工業控制

如果工業控制中有特殊任務，那么單純依靠PC 機無法實現對外圍設備的精確數據采集和具體控制。此時，工作人員可以充分利用ARM 嵌入式控制器，結合不同的控制要求，設計具有特定功能的工業控制器。隨著科學技術的飛速發展，ARM 核的主頻已經超過700MHz，在很大程度上可以滿足一般工業控制的要求。因此，對于特殊的工業控制，ARM 嵌入式控制器已成為無線網絡工業控制的主要方式。

同時，arm 在無線控制領域也有著重要的應用。在arm 控制器中，芯片選擇端與無線網卡相連，通過數據線和地址線將數據傳輸到總線上。設計者可以通過優化電路設計和減少布線來進一步加快數據傳輸速率。而且，arm 控制器在工業控制中的應用不需要無線網絡和PC 機的輔助，大大降低了工程造價。為了進一步完善網絡接口的通信功能，技術人員需要輸入相應的驅動程序，確保arm 控制器與WLAN 真正兼容，以滿足工控的具體需求。

（四）基于無線傳輸模塊的無線控制

嵌入式控制器結合無線模塊和單片機結合無線模塊是工業控制中最常用的無線傳輸方式。無論采用哪種傳輸方式，都不需要額外構建無線局域網，可以在一定程度上降低企業的工控成本。另外，與建設無線局域網相比，無線傳輸模塊的安裝效率更高，成本更低，不會在企業內占用太多空間。在無線模塊中，數據傳輸主要由射頻完成。目前，CC1100 和CC2500 是最常見的無線傳輸模塊。如果單片機與通訊模塊連接，技術人員需要將控制模塊與通訊模塊分開，以保證通訊模塊的通用性。此外，設計人員還可以將其他控制芯片與該工業控制框架集成，制作出新的控制器，不斷提高控制器的智能性。

（五）高頻傳輸技術

高頻傳輸的重點就是增加頻段數量,實現多頻段傳輸,以此提高傳輸效率。而在5G 無線通信技術中,具有非常多的頻段支撐數據傳輸需求,而這也意味著需要相關技術人員,使用更高的技術將射頻器件的工作頻段調整到與之符合的頻段,由于現階段通信技術多元化發展,因此,若匹配低頻段頻譜為5G 無線通信技術應用,確實存在一定困難。為解決此問題,需要引入高頻傳輸技術,進而達到5G 無線通信技術頻段使用需求,改變以往擁擠低頻段頻譜傳輸問題,進而有效提升數據傳輸效率。需要注意的是,在這一過程中,應當考慮到空氣中的介質是否會干擾、影響信號質量這一問題,如果存在則需要解決,進而推動高頻段傳輸發展。此外,應用高頻傳輸通信技術,會消耗大量的能量,針對此,可以通過直徑傳輸的方式進行調節。相關領域技術研究人員,有必要進一步探索最佳的傳輸方式,打破現存限制。

（六）直接通信技術

在冶金工程中,會使用到大量的設備,而設備之間的聯系,主要采用的就是直接通信技術,即不借助其他任何載體,開展通信活動,最終可以完成直接交流目標。從以往傳統移動通信過程看,在網絡面積全覆蓋方面存在很大不足。但采用此種直接通信技術,可以很好的完善各種設備,從而提高移動通信質量,為冶金工程建設提供良好的基礎保障。在直接通信技術作用下,可以很好的降低各系統運行能耗,進而有效迎合我國提倡的節能減排目標,對冶金工程可持續性發展起到重要作用。

（七）云計算平臺與直接通信

云計算平臺在5 G 無線通訊技術中占有重要地位。分析冶金工程,當中涉及到了各種智能設備,需要進行自動切換,而將云計算平臺應用其中,可以對其實施科學的設置,使得設備智能化運行,進而形成健全、科學、合理的智能組網系統,使得5G 無線通信技術的智能化水平得到提升,同時,也有效降低移動通信能源損耗量。除此之外,直接通訊技術在5G 無線通信技術中的利用可以降低對頻譜資源浪費率,起到節約資源的作用。

結論

綜上所述，由于有線通信在工業控制中存在著一些慣性問題，因此現如今在工業領域已經更加趨向于無線控制，無線控制已經成為工業控制的主要途徑，而且通信協議也更加標準，這使得工業控制系統更加優化、功能更加完善，PC 機結合無線模塊、內嵌式控制器結合無線模塊的無線通訊方式也降低了工業控制對無線局域網的依賴，帶來了更大的操作便利。但是不可否認的是，現代無線通訊與有線通訊相比也存在著一定不足，例如數據傳輸安全和網絡安全有待提高，這都需要技術人員不斷創新研究，進一步提高無線控制的應用價值，促使其在工業領域發揮出重要作用。