ZigBee与OPC技术在工业管控系统中的应用

《自 动 化 技 术 与 应 用 》2 0 1 2 年 第 3 1 卷 第 5 期

   行业应用与交流
Industrial Applications and Communications

ZigBee 与 OPC 技 术 在 工 业 管 控 系 统 中 的 应 用
巩  伟, 孙永欣, 宋勇江, 孙凯明
(黑龙江省科学院自动化研究所,黑龙江  哈尔滨 150090)
摘  要:本文介绍了 ZigBee 的技术特点,及 ZigBee 与 OPC 技术结合在工业管控系统中的应用方法,为工业管控系统提供了一种开放 式、自治愈的无线解决方案。 关键字: ZigBee;OPC;无线工业网络 中图分类号:TP277    文献标识码:B    文章编号:1003-7241(2012)05-0096-04

ZigBee and OPC Technologies In the Industrial Control System
GONG Wei, SUN Yong-xin, SONG Yong-Jiang, SUN Kai-ming
( Automation Institute of Hei Long Jiang Academy of Scinces, Harbin 150090 China )
Abstract: This article describes the technical characteristics of ZigBee, ZigBee and OPC technologies in the industrial control system applications, provide an open, self-healing wireless solutions for industrial control systems. Key words: ZigBee; OPC; wireless industrial networks

1  引言
在计算机、通信和网络技术发展的推动下, 工业通 信技术的发展经历了 20 世纪六七十年代的模拟仪表控 制系统、20 世纪八九十年代的集散控制系统(DCS)和 20 世纪末的现场总线控制系统(FCS)阶段,正朝着智能化和 网络化的方向不断发展。随着测控系统规模的不断扩 大,降低投资和使用成本成为工业通信技术发展新阶段 的迫切要求。而工业现场传感器的安装和使用成本过 高成为阻碍工业通信技术发展的主要难题。在这一背 景下,无线工业网络的低成本、易用、泛在感知等特征 引起了人们广泛的关注。 无线网络成为自动化领域中迅速发展的热点之一, 也是工业自动化产品未来的新增长点。显而易见,在配 置、安装、修改和扩展等方面,无线网络的成本都低于 有线网络。工业无线管控网络是连接工业现场无线测 量控制设备并将设备信息传输到上层企业信网络的一 类通信网络,是利用工业无线技术嵌入式系统技术和管 控一体化技术,将工业现场设备工作状态信息及时、可 靠地传输到上层企业信息网络中去的系统。无线技术

已经成为工控领域的核心技术,它将改变工业自动化的 格局。基于无线技术建立的新型网络化管控系统,是通 过对工业全流程的“泛在感知”实施优化控制, 来达到 , 提高产品质量和节能降耗的目标。为了推进无线技术 在工业领域的快速发展,将无线传感器网络应用于工业 自动化领域, 并将适合在恶劣的工业现场环境使用, 这 也代表着工业自动化系统技术的发展方向,将在在石油 天然气开采、石化、冶金、污水处理等高耗能、高污染 行业有广泛的应用前景。

图 1     有线管控网络架构
收稿日期: 2 0 1 2 - 0 3 - 1 9 96 | Techniques of Automation & Applications

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2  传统传感方式与无线传感网络对比
现有的实现工业监控方案: 传统的分布式控制系统 (DCS), 现场总线控制系统(FCS),工业以太网系统,都不 是最合适的选择, 以下为有线管控网络架构图。 工业以太网为主流的工业控制网络, 以其扁平化, 高带宽来保证数据传输的实时性,并且与企业信息网络 可以相对容易的集成在一起,但是它也有不能忽视的弊 端: 就是成本比较高, 而且不易部署, 布线比较麻烦。 基于以上分析, 提出无线管控网络系统, 将现场控 制网络与企业信息网络集成起来, 实现管控一体化, 有 效降低生产成本,提高生产效率。实现工业现场无线技 术的选择,来保证工业现场数据可靠、实时传输。无线 管控一体化网络架构如下:

本文所应用的 ZigBee 技术是一种基于 IEEE802.15. 4 协议标准而产生的新兴无线通行技术。相对于现有的 其它无线通信技术, Z i g B e e 技术具有短距离、低复杂 度、 低功耗、 低数据速率、 低成本等显著特点。 而ZigBee 已于无线传感器网络有了很成熟的应用,ZigBee 技术可 协调数千个微小的传感器节点之间的相互通信。这些 传感器节点只需要很少的能量,以接力的方式通过无线 电波将数据从一个传感器节点传到另一个传感器节点, 通信效率高。因此,ZigBee 技术是实现无线工业管控网 络的最佳选择,ZigBee 技术的出现为无线工业管控一体 化技术的发展提供了契机。利用 ZigBee 技术作为无线 工业网络的传输载体,将会使无线工业网络更能充分发 挥其优势。 为了与实际应用相结合,本文是在研究和分析了当 前工业无线通信技术实现上存在的一些不足,针对一些 工业现场无线数据传输网待传输数据量较大, 可靠性 高、实时性保证的特点,在研究 IEEE 802.15.4 协议基 础上,提出了一种基于 Zigbee 与 OPC 技术的无线管控一 体化实现思想;一种低成本、低功耗、可靠性高、实时 性有保证的工业无线管控网系统解决方案;作为有线工 业管控一体化系统的一种发展和重要补充;将工业无线 技术、管控一体化技术和嵌入式技术、OPC 集成技术 结合在一起的首次尝试;并且加强了管控一体化网络的 开放性和标准性,不同品牌的控制器都可以通过 OPC 接 入管控一体化网络中的标准。

图 2     无线管控一体化网络架构

4  ZigBee 无线网络特点
ZigBee 无线网络具有如下特点: (1)  低速率,其数据传输速率为 10 ̄250 kbps, 适合 传输温度、湿度之类的数据; (2) 近距离,两个节点之间的单跳距离在 10 ̄75m 之间; ( 3 )   低功耗, 由于传输速率低, 通信距离短, 其发射 功率仅为 1mW,而且 ZigBee 芯片都采用了休眠模式,因 此 ZigBee 设备,特别是终端节点非常省电;据估算,一节 普通容量的锂电池就可以维持 0.5 ̄3 年的使用时间; (4)  低成本,ZigBee 协议简单(不到蓝牙的 1/10),从 而降低了对通信控制器的要求, 8 位单片机就能满足要 求,目前各家半导体制造商所推出的 ZigBee 芯片的价格 都在 8 美元以下, 外围电路简单, 而且 Z i g B e e 协议是免 专利费的; (5)  短时延,ZigBee 的响应速度较快,一般从睡眠转
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3   无线传感网络解决方案
本文针对当前无线传输在工控领域应用遇到的可 靠性、实时性、互操作性、低能耗等主要问题, 在 IEEE802.15.4 协议基础上,提出了基于 ZigBee 与 OPC 技术的无线管控网络的解决方案,通过 ZigBee 自组网、 自治愈的智能网络机制与 OPC C/S 模式建立无线工业 网络的数据交换, 具有成本低、体积小、功耗低的 ZigBee 技术无疑成为无线传感器网络的首选技术之一。
[1]

解决工业现场控制网络与企业信息网络技术的集成问

题, 从而实现了完整的无线管控网络方案, 作为有线工 业管控一体化系统的一种发展和重要补充。

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入工作状态只需 15ms,节点加入网络只需 2s,进一步减 小了功耗,相比较, 蓝牙需要 3  ̄ 1 0 s , W i F i 需要 3 s ; (6)  网络容量大,根据 ZigBee 规范,一个 ZigBee 网络可 以容纳 255 个节点,理论上,最大容量高达 65 000 个节点; ( 7 )   动态组网, 自动路由, 有自愈功能, 可以随时在 已有网络中加入新的节点,那些由于客观条件而退出网 络的节点, 如超出信号覆盖范围, 信道被污染等, 在条件 消除以后可以重新加入网络,当网络中的某个路由器由 于种种原因出现故障时,会重新寻找一条新的最佳路径; (8)  高安全性,ZigBee 提供了三级安全模式,包括无 安全设定, 使用接入控制清单( A C L )防止非法获取数据 以及采用高级加密标准( A E S - 1 2 8 )的对称密码, 以灵活 确定其安全属性; (9)  免执照频段,使用的频段分别为 2.4GHz(全球)、 8 6 8 M H z ( 欧洲) 和 9 1 5 M H z ( 美国) , 均为免执照频段。 ZigBee 的以上技术特点决定了它将是无线传感器网络 的最好选择 。
[2]

械设备远程的监测与控制, 大部分是标量数据, 没有涉 及到语音和视频。所以本文选用 IEEE 802.15.4 无线 技术方案。这不仅是因为它的数据传输率适合工业监 控需求。更是因为它有着低成本, 低复杂度, 超低功耗, 广阔的市场前景等特点。 现有的信息集成方案有:采用 DDE 技术实现、采用 统一的协议标准来实现,还可以采用 OPC 技术来实现。 (1)  采用 DDE 技术实现 在现场控制网络和企业信息网络之间架设一个中 间系统或共享存储器工作站,在其上采用基于 Windows 平台的动态数据交换(Dynamic Data Exchange,DDE)方 式实现两者的集成,其实质是各应用程序通过共享内存 交换信息,实际上是一种协议。DDE 协议使用共享内存 在应用程序之间传输数据,完成应用程序之间的数据交 换。DDE 集成方式虽然具有较强的实时性,且借助 win- d o w s 平台较容易实现, 但是整个协议转换较复杂, 软件 开销比较大, 所以只适合配置简单的小型系统。 (2)  采用统一的协议标准实现 由于现场控制网络和企业信息网络均采用了面向不 同应用的协议标准,这样两者的集成就需要进行数据格式 的转换,这种协议转换将使系统复杂化。倘若现场控制网 络与企业信息网络均采用相同的协议标准,那就不需要协 议转换了。但这种协议标准必须同时满足现场控制网络 与企业信息网络的实时性、可靠性要求。现今在工业控 制领域比较流行的工业以太网,它是在以太网技术和 TCP / IP 技术的基础上开发出来的一种现场总线,可以方便地 实现与 Internet 实现无缝链接,它同时满足了现场控制网 络与企业信息网络的性能需求。这种方式将成为控制网 络和信息网络完全集成的最终解决方案。但是它还是一 种有线的方式, 有成本较高、不易部署等缺点。 (3)  采用 OPC 技术实现 OPC(OLE for Process Control)是一套为 Windows 操作平台的工业应用程序之间提供高效的信息集成和 交互功能的组件对象模型接口标准,它以微软的组件对 象模型 COM/DCOM/COM+ 技术为基础,采用 Client/ Server(客户 / 服务器)模式。OPC 在软件之间建立单一 的数据访问规范,这个接口规范不但能够应用于单台计 算机,而且可以支持网络上的分布应用程序之间的通信 和不同平台上应用程序之间的通信,该技术完全支持分 布应用和异构环境下应用程序之间的无缝集成和互操 作性。采用 OPC 技术实现信息集成方案是合适可行的。

5  信息集成技术的选择
工业现场无线技术方案的选择: 8 0 2 . 1 5 . 4 、红外、 HomeRF、蓝牙、802.11b、HiperLAN1 等。

图 3   ZigBee 无线网络
要考虑目前流行的几种无线技术的传输速度、适 用场合。将它们引入到工业控制网络时, 要结合工业控 制网络, 低成本、可靠性与实时性有保证的重要特征来 仔细考虑。从数据传输率的角度不难看出, H i p e r L A N 2 、8 0 2 . 1 1 b 较适合于家庭娱乐型网络, HomeRF 、蓝牙则适合于数据文件和语音的传输。而 则 IEEE 802.15.4 低数据传输率的监测和控制网络的 首选技术。由于现阶段工业监控场合主要的应用是机
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OPC 开发的最重要的目的是即插即用,也就是采用标准 方式配置硬件和软件接口,一个设备可以很容易地加入 现有系统并立即使用, 不需要复杂的配置, 且不会影响 现有系统,系统中的信息也可以很方便地分散至众多支 持 OPC 的软件当中,如维护、监督、操作显示和文档管 理等。OPC 技术相对来说已经比较成熟,基于微软平台 的, 发展比较完善, 所以无线管控网络方案实施在于工 业现场无线技术的实现。 提出 Zigbee 与 OPC 集成技术相结合的方案,将无线 管控网技术应用于工业生产线监控领域,这是工业无线 技术、管控一体化技术在实际工程的首次尝试。

管理网络的关键桥梁,OPC 在软件之间建立单一的数据 访问规范, 这个接口规范不但能够应用于单台计算机, 而且可以支持网络上的分布应用程序之间的通信和不 同平台上应用程序之间的通信,该技术完全支持分布应 用和异构环境下应用程序之间的无缝集成和互操作性。 由于 OPC 技术本身比较成熟,所以无线管控系统的关键 技术就是无线现场数据采集网络系统的设计与实现了。 本文所提出的基于 Zigbee 与 OPC 技术的无线管控 一体化实现思想和工业无线管控网系统的解决方案是 有线工业管控一体化系统的一种发展和重要补充;将工 业无线技术、管控一体化技术和嵌入式技术、OPC 集 成技术结合在一起的首次尝试,加强了管控一体化网络 的开放性和标准性,不同品牌的控制器都可以通过 OPC 接入管控一体化网络中的标准,本技术方案应用于某选 煤厂中, 解决了工业现场无线传感组网的实际问题。

6  结束语
长期以来, 低价、低传输率、短距离、低功率的无 线通讯市场一直存在着。自从 Bluetooth 出现以后,曾 让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不 已,但是 Bluetooth 的售价一直居高不下,严重影响了这 些厂商的使用意愿。ZigBee 是一种新兴的近距离、低 复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技 术,主要用于近距离无线连接。这些传感器只需要很少 的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络 节点传到另一个节点, 所以它们的通信效率非常高。 OPC 服务器是实现无线现场监控网络与企业信息 (上接第 90 页) 系统使得整机效率提高了 8%,则一年可以节省 86690 度 电。按照工业用电 1.5 元 / 度计算,可以节省电费 13 万 元运营费。我们不难发现, 在某些地区、城市, 既使愿 意多付出 1 3 万元, 也会因为能源供应不足, 而无法保证 系统的正常用电(特别是在用电高峰季节尤为突出), 在 这个时候, H I F T   U P S 在高效节能方面的特性, 才尤为 突出, 值得更加关注。

参考文献:
[1]  蒋挺,赵成林.紫蜂技术及其应用[M].北京:北京邮电大 学出版社, 2 0 0 6 : 1 - 2 5 [2]  吴光荣,章剑雄,徐向华.ZigBee 网络系统节点硬件设计 与实现[J].杭州电子科技大学学报,2008,(8):2.

作者简介: 巩伟( 1 9 7 1 - ) , 男, 副研究员, 从事自动化控制, 管 控一体化系统研究。

台达 HIFT(海福)模块化 UPS 高智能容错供电系统, 有力保障医疗单位 1 0 0 % 地安全、可靠运行, 为人民的 健康及生命筑起了一道安全保障,真正成为人民生命安 全的守护神。希望能利用此文提供给更多的医疗行业 用户作参考。

作者简介: 郑强( 1 9 8 2 - ) , 男, 高级应用工程师, 主要负责售 前技术支持工作。

4  结束语
(上接第 9 5 页) 采用本自控系统的无负压供水系统管网压力平稳, 控制精度达到  +0.1kg、响应速度较快(5S ̄10S)。

的系统,无论是对变频器参数的修改和还是对系统压力 的设定,只需在触摸屏上进行操作即可;系统具有抗干扰 能力强、控制精度及性价比高等特点。该系统在我公司 生产的无负压设备中应用, 工作稳定可靠。

5  结束语
无负压供水系统, 采用欧姆龙小型 P L C 控制核心, 配置欧姆龙 NB7W 触摸屏,在软件设计中调用 PID 控制 指令, 采用模块化设计, 整个系统是一个非常容易操作

作者简介: 黄妙军( 1 9 7 7 - ) , 男, 本科, 工程师, 主要从事水行 业自控系统研发设计。
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