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工业监控中的无线网络设计与应用

工业监控中的无线网络设计与应用 2011： 1　引　言　　　　工业生产监控早已突破了单回路控制与监视的功能，而随着计算机软硬件技术、网络技术和工业综合自动化系统整合水平的不断发展，在数据接口开放性、数据发布实时性、数据连接安全性等方面提出更高的要求［1］。智能化、网络化的现场仪表与监控系统成为新一代工业标准。由于传统有线网络本身的局限性，许多特殊环境下的网络覆盖和网络支持仍然是个难题。近年来，无线技术得到了飞速发展，为解决上述问题提供了经济有效的手段。该文首先分析了当前无线网络的应用现状和协议对比，讨论了使用无线网络带来的传输速度、可靠性、拓扑结构以及安全性的问题，然后根据某化工厂监控组网需求，提出一个综合了无线局域网、广域网的工业监控平台网络设计方案，最后对于无线网络在工业中的应用作了总结和展望。2　无线局域网（WLAN，Wireless Local AreaNetworks）2．1　无线网络优势与工业应用现状　　现有的监控平台大多基于有线网络。有线网络高速稳定，满足了大部分场合工业组网的需要。但是，有线网络只能沿着一维的线路传输数据，传输需要导体介质，因而带来规划布线、预设接口、线路检测、线路扩容等一系列和传输途径有关的工作，并且这些工作不可避免地具有破坏建筑、浪费接口、检修困难、扩展困难的弊病。此外，监控设备处在不能布线的环境中或者是装载在车辆等运动机械的情况下，是难以使用有线网络的。与此相对应，无线网络向三维空间传送数据，中间无需传输介质，只要在组网区域安装接入点（Access Point）设备，就可以建立局域网；移动终端只要安装了无线网卡就可以在接收范围内自由接入网络。总之，在网络建设的灵活性、便捷性、扩展性方面，无线网络有独特的优势。传输的作用（如图2—1）：　　　这种做法功能单一（只能实现点到点或者一点对多点的连接）、封闭、没有安全性、价格昂贵、实现复杂（必须专门编程实现通讯）。随着各行业中对无线组网需求的不断增长，迫切需要一种开放、安全、对应用透明、能够实现不同组网要求的无线解决方案。随着无线局域网协议标准的制定，上述问题得以解决，无线局域网可以灵活地实现多点互连、中继连接、多区域漫游连接等多种组网方式。无线技术正越来越多的被应用于智能化仪器仪表与监控系统中，无线现场总线的应用与研究也开始出现［5］。2．2　无线局域网络协议介绍与对比　　无线局域网络协议标准建立至今已有较长时间，但由于无线局域网速度低、协议标准不统一、价格昂贵，用户为保护投资，不愿意使用无线网络，因此无线局域网并没有得到广泛应用。　　近两年来，随着速率较高的无线通讯协议开始推出，无线局域网得到快速发展。表2—1给出了常见的协议及其性能对比。　　　　注：a．对于共享网络，所指速率为独享网络所具有的最高物理层传输速率； b．指无特殊干扰的情况下，室外传输距离；　　 c．价格受时间、市场和型号影响较大，此为2001年底市场一般产品每节点的价格，仅供参考，下同。　　　　从对比可以看出，IEEE802．11系列和ETSI的HiperLAN系列最适合工业应用，网络协议性能也大致相当，但从目前来看，HiperLAN远没有能够形成广泛应用的产品市场，而基于IEEE802．11b标准的产品已经在市面上大量出现，成为事实上的标准；在下一代协议中，IEEE801．11a和HiperLAN／2［9］的性能都有了很大提高，传输速率均达到54M，IEEE801．11a传输距离将达5～10 km。随着基于IEEE802．11b的产品不断推出和市场的不断扩大，价格也在不断下跌，一个AP的价格现在在200左右，而无线网卡在100以下，逐渐接近人们可接受的价格范围。可以预见，802．11系列协议会是将来的无线局域网协议的最重要成员之一。IEEE802．11b作为当前一个无线局域网最典型的实例，在以下的讨论中将围绕它展开。2．3　无线局域网用于监控平台的问题　　工业监控对其网络设施有严格的要求，因此需要从传输速度、可靠性、拓扑结构、安全性等方面考虑无线网络的优缺点，并提出相应的解决方法。 ·传输速度　　与IEEE802．3冲突检测机制不同，IEEE802．11b采用了避免冲突的传输机制（IEEE，1999），因而能够获得更高效率的数据传输。但是由于无线网络数据传输容易受到地域、气候等环境因素的影响，难以稳定地获得协议设计的最高速度。为此，IEEE802．11b提供了4种传输速率标准：高速（11 M）、中速（5．5M）、标准速度（2M）以及低速（1M），从而网络设备能够根据网络连接的实际情况自动选择传输速率。由于无线以太网是共享信道，每个终端所能获得的

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