摘 要：結(jié)合IEEE 802.11協(xié)議，開發(fā)一種基于無線局網(wǎng)的PLC工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)。

關(guān)鍵詞：PLC 無線局域網(wǎng) 工業(yè)以太網(wǎng)

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(shù)背景

現(xiàn)今工控行業(yè)，PLC通訊主要采用總線或以太網(wǎng)連接方式，將各PLC站及中控室上位機通過工控網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換以及中控室的集中監(jiān)控、調(diào)度。但在工廠實際建設(shè)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(wǎng)絡(luò)。這些小型控制站往往管理著重要的現(xiàn)場設(shè)備，加大了這類控制站的監(jiān)控、管理的難度，也加大了運行、維護人員的負擔(dān)。通常對于這類管理著重要設(shè)備的PLC控制站，都需通過改造，建立其與中控室的通信，實現(xiàn)集中監(jiān)控、集中管理、集中調(diào)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(shè)電纜、光纜，通過物理連接接入全廠控制網(wǎng)絡(luò)。這種方式的優(yōu)點是技術(shù)成熟，不易受到干擾。但其施工相對復(fù)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(shè)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(tǒng)接入中控

網(wǎng)絡(luò)。

（2）采用無線電臺方式，這類無線通信建立采用現(xiàn)場站和中控室同時接入無線通訊電臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸即在現(xiàn)場和中控室安裝GPRS模塊，通過運營商手機網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。這種方法編程復(fù)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(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域，筆者嘗試采用一種新型的無線控制網(wǎng)絡(luò)，解決就地控制站連入控制網(wǎng)絡(luò)的問題。這種方式的技術(shù)基礎(chǔ)在于，工業(yè)以太網(wǎng)是工控網(wǎng)絡(luò)的主流，其技術(shù)基礎(chǔ)是基于以太網(wǎng)技術(shù)；無線局域網(wǎng)技術(shù)同樣是基于以太網(wǎng)技術(shù)的，參考以太網(wǎng)技術(shù)的開放性，推斷無線局域網(wǎng)技術(shù)也應(yīng)適用于工業(yè)以太網(wǎng)。因此，嘗試將無線局域網(wǎng)技術(shù)用于工業(yè)以太網(wǎng)，開發(fā)一種新型的無線通訊系統(tǒng)。

2 無線局域網(wǎng)的協(xié)議標準介紹

IEEE802.11是IEEE委員會1997年制定的一個無線局域網(wǎng)標準，其主要作用解決辦公室局網(wǎng)和校園網(wǎng)中，客戶端與客戶端的無線互聯(lián)接入[1]。該業(yè)務(wù)最初的目的在于數(shù)據(jù)存取，其速率最通常最高為2 mb/s。IEEE802.11只規(guī)定了開放式系統(tǒng)的物理層和MAC層，MAC層主要采用CSMA/CA協(xié)議。委員會對于此協(xié)議的物理層，定義了以下幾種的物理介質(zhì)：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(wěn)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(shù)標準。這三個標準的技術(shù)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(xiàn)無線工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)的主要應(yīng)用技術(shù)。下面重點介紹IEEE 802.11b技術(shù)協(xié)議。

2.1 IEEE 802.11b的物理層

有線網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)在物理層上的主要區(qū)別表現(xiàn)在，有線網(wǎng)物理層采用電纜，而無線網(wǎng)物理層則采用無線電方式作為傳輸?shù)慕橘|(zhì)，摒棄了電纜這種媒介。IEEE 802.11b無線網(wǎng)，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(yīng)用的需求。

2.2 IEEE 802.11b的MAC協(xié)議

從根本上講，對于MAC協(xié)議，有線網(wǎng)與無線網(wǎng)技術(shù)上并無根本的區(qū)別。其不同主要體現(xiàn)在，無線上網(wǎng)終端移動性強，導(dǎo)致基于802.11b的MAC協(xié)議繼續(xù)不能沿襲使用原來的局域網(wǎng)協(xié)議標準。

無線局域網(wǎng)協(xié)議標準IEEE 802.11b使用的是CSMA/CA協(xié)議，即有沖突避免的載波監(jiān)聽多路訪問方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享。[3]

該CSMA/CA方式可用如下方法實現(xiàn)：數(shù)據(jù)包傳輸以前，相關(guān)無線設(shè)備首先對網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)聽，判定否有其他設(shè)備正在占用網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。當(dāng)監(jiān)測到有其他的傳輸正在進行，則等待一段時間，再次監(jiān)聽，直到無其他設(shè)備占用網(wǎng)絡(luò)，則進行本次網(wǎng)絡(luò)傳輸。802.11b采用了RTS/CTS機制，即發(fā)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(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，還采用了ACK確認的機制，在接收端收到數(shù)據(jù)后，向發(fā)出端發(fā)送一個確認ACK。若發(fā)送端未收到該確認通知ACK，即表示數(shù)據(jù)傳輸出錯，數(shù)據(jù)已丟失，發(fā)出端將再次傳送該數(shù)據(jù)。

2.3 IEEE 802.11b性能分析

IEEE 802.11b協(xié)議在媒體訪問控制層采用CSMA/CA協(xié)議以實現(xiàn)無線信道的共享。在實際用應(yīng)中，尤其是網(wǎng)絡(luò)中負荷不是很大的情況下，發(fā)生沖突的概率極低。與此同時，先進的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品都有一些附加措施，這些措施甚至可以完全避免網(wǎng)絡(luò)沖突。例如：一些廠商的無線網(wǎng)絡(luò)橋接路由器采用了一種叫做動態(tài)時間輪尋的方式：當(dāng)遇到數(shù)個無線遠程站要與基站通信時，基站會根據(jù)遠程站已經(jīng)設(shè)定好的的站地址（IP），進行一次輪流詢問，若有該站有數(shù)據(jù)要需要傳送發(fā)送，基站即分配時間段，接受數(shù)據(jù)，若沒有，則繼續(xù)輪詢下一個站地址，以此類推。值得一提的是，這種動態(tài)輪詢方式，是在基站端用戶可設(shè)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(fā)生，這種特點是無線局域網(wǎng)用于工業(yè)以太網(wǎng)重要技術(shù)基礎(chǔ)。

3 無線網(wǎng)絡(luò)局域網(wǎng)技術(shù)在PLC通訊中的應(yīng)用實例

下面將介紹一種無線局域網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于PLC通訊系統(tǒng)的應(yīng)用實例。該技術(shù)原理如圖1所示，其主要設(shè)備包括：PLC以太網(wǎng)模塊、網(wǎng)線、無線路由器、中繼器、以太網(wǎng)交換機、工控機等。本實施例即利用上述設(shè)備，通過PLC站與上位工控機間建立的無線局域網(wǎng)完成數(shù)據(jù)交換工作。其主要工作原理是，在PLC站現(xiàn)場安裝無線路由器，可安裝在PLC柜上方或側(cè)方，通過網(wǎng)線接入現(xiàn)場段路由器WAN端口，考慮現(xiàn)場站與中控室間的距離，可選擇安裝1-2個中繼器，與現(xiàn)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(wǎng)線與上位工控機的交換機相連，即完成組網(wǎng)。在實際組態(tài)中，將所有連入無線局域網(wǎng)的設(shè)備，通過無線網(wǎng)wifi信號或交換機上的工控機進行ip地址設(shè)置，包括：工控機、路由器、中繼器、PLC網(wǎng)絡(luò)模塊等。這些設(shè)備的網(wǎng)段設(shè)置須設(shè)置為同一網(wǎng)段，IP地址不可沖突，完成無線局域網(wǎng)的創(chuàng)建。上述工作完成后，可用任一臺上位機ping現(xiàn)場PLC網(wǎng)絡(luò)模塊，若ping通，則無線局域網(wǎng)建成，即可實現(xiàn)工控數(shù)據(jù)交換，在結(jié)合上位軟件，PLC編程等方式實現(xiàn)所有上位監(jiān)控功能。

通過上述實例可以看出，這類無線局域網(wǎng)連接方式的技術(shù)原理是基于以太網(wǎng)技術(shù)的開放性，同時將無線局域網(wǎng)技術(shù)及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，并對其進行靈活運用，實現(xiàn)了遠程站與中控站的互聯(lián)。這種方式區(qū)別于傳統(tǒng)的互聯(lián)方式具有：施工簡單、工作量小、無線路由器等設(shè)備成本低廉、網(wǎng)絡(luò)拓撲簡單、可擴展性強、安全系數(shù)高等特點。

4 結(jié)語

該項目的實現(xiàn)為PLC通訊提供了另一種新型的連接、工作方式，將工控網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，即采用相對成本低廉無線路由器、交換機，完成該網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)工作。其優(yōu)勢明顯：實施成本低廉、門檻低、施工安裝工作量??；采用自建無線局域網(wǎng)的方式，可靠性高，組網(wǎng)靈活，修改方便，可擴展性強；無線路由器均安裝在室內(nèi)，信號通過構(gòu)筑物間的中繼器放大，無雷擊可能性，安全系數(shù)高；該技術(shù)科應(yīng)用于任一主流控制系統(tǒng)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(gòu)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(tǒng)冗余網(wǎng)絡(luò)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(nèi)對該局域網(wǎng)進行診斷、修改、擴展、維護等工作。該技術(shù)尤其適用于距離相對較近的PLC站無線通訊系統(tǒng)搭建，克服了傳統(tǒng)通訊方式的種種弊端，在簡化設(shè)計施工等工作的同時，大大節(jié)約了建設(shè)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(wǎng)的通訊技術(shù)[J].電信快報，2009（7）.