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2024年4月23日发(作者：常用反函数求导公式大全)
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无线通讯在工业控制中的应用
作者：鹿 兵
来源：《科技传播》2010年第10期
摘 要 有线传输受环境的影响较大,不利于工业控制。而采用无线传输的形式进行数据的交
互,可以减少环境对传输设计的影响。本文主要介绍现代工业控制中常用的无线网络传输协
议、无线通讯方式(WLAN,无线射频),将它们与相应的控制器配合,实现在工业控制上的无线控
制系统。
关键词 无线通讯;工业控制;WLAN;无线射频
中图分类号TN92 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)19-0081-02
早期的工业控制采用金属线路进行数据的传输,但存在以下几方面问题:
1)传输距离短。如RS232双绞线传输方式等,即使增加驱动电路,但仍然受到很大的限制,一
般通讯距离小于20m。
2)数据传输过程存在衰减。如现在用于工业控制的RS485双绞线有线传输方式,网线传输
方式,这两种传输方式提高了传输距离,但随着传输距离的扩大,线路的阻抗对信号产生很大的衰
减。
3)无法满足长距离运动部件的控制需求,投资增加。有线控制方式通过线缆传输信号,长距
离传输时需增加相应的线缆托架,增大设备布置空间,增加设备驱动负荷,并且线缆在频繁往复运
动过程中易出现故障,总体投资增加。
为了克服以上问题,无线通讯技术成为了主要的研究方向,随着无线网络技术的发展,尤其是
随着计算机网络技术使得无线通讯网络得到了广泛的应用。WLAN(无线局域网络)技术能够在
工业控制中,为各种智能设备、机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据
链路和灵活的网络拓扑结构,在很大成度上弥补了有线网络的不足,在无线射频领域,工业控制也
有很大的发展,各种通信模块被大量使用,从而进一步完善了工业控制网络的通信性能。
1 无线通信工业控制的架构
基于无线通信的工业控制的架构可分为两种,一种是以PC机为控制器的工业控制系统,它
与无线网络的接入由无线网卡完成,与MCU的通信由数据线和地址线完成,外部的局域网,则使
用网络服务器和无线路由来搭建。这样的控制系统投入的成本较高,但这种无线局域网络采用
的是标准的网络通信协议,可以随时接入外围的无线网络PC便于无线网络的扩展和兼容;另一
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种是以单片机和无线射频模块构成的工业控制器。采用这样的方式适合于小型的工业现场进行
自动化控制,一般情况下他的控制器以单片机为主,利用无线发送和无线接收模块实现远距离的
数据传输,再通过传统的串口通信协议实现无线模块与单片机之间的通信。
2 基于无线通讯网络协议的控制
2.1无线网络的通信协议
采用无线通信协议网络实现工业控制,主要采用PC机的形式进行控制,在工业自动化领域
中被广泛使用的无线通讯技术协议是:IEEE 802.15.4(ZigBee),它主要适合于无线短程网络;如果
是进行短程视频监控的大量数据交换时,则采用IEEE 802.15.3协议;而对于较大范围和较大信息
传输量的无线局域网,采用的是IEEE 802.11协议。其中被广泛使用的是无线短程网和无线局域
网。
以太网在控制网络的使用中得到了广泛的应用,Internet TCP/IP协议已经成为了自动化应用
中的标准,以太网可以是企业网络与控制网络有机的结合在一起,可以使熟悉办公领域的操作人
员快速的适应工业自动化领域的网络控制。
2.2基于PC机的无线网络工业控制
采用WLAN无线通信网络是基于无线网卡上的通讯,传输的速度取决于无线网卡的传输速
度,现在主流的无线网卡的传输速度为54Mbps,计算机可以利用网卡给各个控制器分配一个随机
的IP地址,通过AP(无线接入点)使每台PC与当前的网络相连,检测所分配的IP地址是否与网络
上的其它地址有冲突,若无冲突,则PC接入到无线网络,当接入大量PC机后,就实现了点对多点
的网络拓扑结构,这样就形成了以PC为单元的控制网络。进行无线控制操作时,可以通过无线
局域网将主机上的控制信号传输到通信网络中,然后接收网络可以利用隔离信号转换器将转换
的控制信号通过RS-232或者RS-485通信,传输到控制设备上,WLAN无线通信控制的框图如图
1所示,这些通信协议是基于IEEE 802.11B和以太网IEEE 802.3标准。现代工业传感器可以与
无线传输模块集成到一起,这样将大大简化检测部件的电路,使得检测单元可以随时随地的进行
实时检测,整个工业现场的布线也大大简化。如水泥厂中的窑炉温度检测器,可以利用无线传感
的技术,将采集到的热能量信息传送到主监控室中。采用局域网进行工业控制,还可以实现与以
太网的连接,可以通过Internet进行远程系统信息的交换,这为构建远距离控制系统提供了传输平
台。
2.3基于ARM控制器的无线网络工业控制
在进行特定的工业控制时,传统的PC机不能实现特定的数据采集,和对外围设备的控制,这
时我们可以采用ARM嵌入式控制器,这样可以更好地针对于我们的控制要求,来设计我们所需
的工业控制器。当前ARM内核的主频已经能达到700MHz,已经能够满足一般的工业控制要求
的速度,对于特定领域的工业控制来说采用ARM控制器已经成为了一个研究的重点。在无线控
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制领域ARM也得到了广泛的使用,ARM控制器中可以利用片选端与无线网卡相连,并通过数据
线和地址线将数据传送到总线上,通过自行设计电路,减少电路上的布线,可以提高数据在总线上
的传输速度。另外,采用ARM控制器可以降低无线网络的搭建成本,减少PC机的使用。若要实
现网口的正常通信则需要编写相应的网口驱动程序,这样就能将嵌入式技术融入到无线局域网
络中,使得工业控制更能满足专业化的控制。
2.4基于无线传输模块的无线控制
在工业控制中还大量采用单片机与无线传输模块结合,或者嵌入式控制器与无线模块结合
的控制方式,采用这样的控制方式有很大的优点。不需要建立无线局域网,从而节省了构建局域
网和维护它的费用。无线模块的安装也较为方便,占用空间较小。无线模块一般采用RF射频的
方式进行传输,传输频率为315、433、868、915的工业级频段。常见的无线发射模块有
CC1100,CC2500,这些通讯模块通常采用的是SPI,或者RS232串口通讯,设计时可以直接将这些
通讯模块与单片机相连,这样可以大大简化工业控制设计,设计时还应将通讯模块与控制模块分
开,这样就使通讯模块具有很强的通用性,可以与其他的控制芯片结合做成新的控制器,这样大大
节约了成本。采用无线通讯模块与单片机构成的工业控制框图,如图2所示。
3 结论
从有线到无线,现代的工业控制越来越趋向于无线控制,通信协议也将越来越标准化,无线通
讯网络与无线通讯模块的结合会使得工业控制变得更加的完善,PC机的使用将扩大WLAN局域
网的使用,这些都会令操作人员的控制的范围越来越大,除此之外,现代无线通讯在网络安全和数
据传输速度上和传统的有线传输相比还存在很大的不足,这些问题还有待于研究开发人员要进
一步的完善,无线控制将对未来工业控制起到重要的作用。
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