智能无线网络WIA产品及其解决方案探析.doc

智能无线网络WIA产品及其解决方案探析

25
2020年4月19日
文档仅供参考
智能无线网络WIA产品及解决方案

中国科学院沈阳自动化研究所建立于1958年。作为国家自动化领域的主要研究机构,沈阳自动化研究所建因此来共完成各类科研项目1000多项,获得国家、中国科学院和各部委及省、市科技成果奖200多项,在工业自动化、水下机器人、工业机器人、光电信息等方面取得了一批具有国际水平、具有自主知识产权的成果,成为在国内具有领先与带头作用,在国际具有较高知名度的国家级研究开发基地。
    中国科学院沈阳自动化研究所是国内最早开展工业无线技术研究的科研单位之一,是中国工业无线联盟的发起者。攻克了工业无线技术的抗干扰、实时通信、节能等难点问题,提出具有自主知识产权的智能无线网络WIA技术体系,并开发出系列产品。当前,以WIA为基础的中国工业无线技术国家标准体系已初步形成,WIA正在成为与Wireless HART、ISA100并列的国际主流工业无线技术体系。 10月31日,由沈阳自动化研究所主持研发的用于工业过程自动化的无线网络WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation)规范经过国际电工委员会(IEC)全体成员国的投票,以96％的得票率获得经过,作为公共可用规范IEC/PAS 62601标准化文件正式发布。

    智能无线网络WIA技术

    智能无线网络WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)技术是由中科院沈阳自动化所推出的具有自主知识产权的高可靠、超低功耗的自组织多跳无线传感器网络技术。
    智能无线网络WIA技术基于短程无线通信IEEE 802.15.4标准,使用符合中国无委会规定的自由频带,解决恶劣环境下遍布的各种大型器械、金属管道等对无线信号的反射、散射造成的多径效应,以及马达、器械运转时产生电磁噪声对无线通信的干扰,提供能够满足应用需求的高可靠、实时无线通信服务。
    经过使用智能无线网络WIA技术,用户能够以较低的投资和成本实现对全流程的”泛在感知”,获取传统由于成本原因无法在线监测的重要过程参数,并以此为基础实施优化控制,来达到提高产品质量和节能降耗的目标。
    智能无线网络WIA技术不但适用于家庭自动化、智能楼宇、环境检测、医疗护理等低速率、低成本、近距离、数据量较少的无线传感器网络采集和监控系统,而且特别适用于工业控制与工厂自动化过程控制领域。

    WIA网络

    WIA网络是一种无需网络基础设施支持的自组织多跳网络,网络设备能够依靠电池供电长时间工作。设备启动后,无需人工配置,自主形成网络。
    WIA网络为经过低能耗无线设备实现远距离数据传输提供了有效的解决方案。

    WIA网络支撑设备:

    ●设备:网络终端节点,装有传感器或执行器,安装在工业现场,直接与生产流程连接。   
●WIA网关:包含1个或多个接入点,连接智能无线网路WIA与其它有线网络,负责网络性能监测、智能网络管理,以及桥接所有网络设备。   
●WIA上位机:用来显示网络拓、数据信息、设备状态及网络稳定性等信息,具有人机交互功能。

    WIA网络技术规范:

    ●无线电标准:基于IEEE802.15.4标准,通信速率为250kbps;
●波段:2.4GHz;l   
    ●拓扑:星型网、网状网、星型网状混合网;l
    ●网络规模:一个网关最多能够管理100台设备,系统能够经过以太网互连多个网关形成大规模复杂网络;l
    ●传输距离:工业环境室内200米,室外800米;l
    ●可靠性:数据可靠性大于99%;自适应跳频技术,避免干扰;冗余路由技术,自组织修复网络;l
    ●安全性:网络设备鉴权与认证,基于工业认证的数据加密技术;l
●兼容性:支持HART命令,兼容无线HART标准;l   
    ●电源:网关外接电源供电;设备DC-3.3V普通锂电池供电,寿命为1~5年,具体情况取决于网络规模及设备采集数据率;l
    ●数据率:数据率可配置,可调范围为1s~1h。l

    WIA网络优势:

    ●自适应的跳频模式与自动重传机制,对保障通信的可靠性更加有效;l
●支持网内报文聚合,有效地降低了网络开销,延长电池寿命;l   
    ●兼容IEEE802.15.4标准,能够使用现有商用器件,易于实现;l
●设备冗余机制及自组网模式提高了系统的鲁棒性及易用性。l   

    WIA网络无线仪表解决方案

    为了集成不同类型的仪表,采用一种通用的方式使传统仪表实现无线通信功能,中科院沈阳自动化所推出了简单通用的WIA网络透传解决方案。

    WIA网络在设备端和上位机端为仪表用户提供了接口,经过WIA网络提供透明的数据传输服务:
    设备端接口:WIA适配器为仪表提供了2种集成方式:
    ●内部集成:WIA适配器提供串口和相应的读写数据指令,与仪表原有的处理器连接通信。使用这种方式,WIA适配器需要集成在仪表内部。
    ●外部串接:这种方式只针对HART仪表,WIA适配器串接到仪表与控制器间4~20mA的信号线上,经过HART命令与仪表交互。使用这种方式,WIA适配器与仪表是分离的,需要独立封装。
    上位机端接口:WIA网关为用户应用提供了3种信息交互模式
●OPC方式:WIA网关作为OPCl    Server向外部应用提供数据服务。
●XML方式:WIA网关向外提供基于XML的API接口,用户能够使用该接口实现数据传输以及网络的管理配置。
  ●HART方式:WIA网关支持基于HART指令的数据传输。

    系统数据流程:

    下行数据流程:用户在上位机经过RS232或以太网向仪表发送数据信息->WIA网关进行数据打包并无线发送给对应的WIA适配器->WIA适配器经过RS232或RS485接口把数据包发送给仪表->仪表解析数据包,提取数据信息。
    上行数据流程:仪表把数据信息发送给WIA适配器->WIA适配器进行数据打包并无线发送给WIA 网关->WIA网关解析数据包,提取数据信息并经过RS232接口或以太网接口传送给上位机->上位机显示数据信息。

2.4GHz无线模块

    高效、易用的无线平台:

    2.4GHz无线模块是一个集合了符合IEEE802.15.4标准的射频收发器,高性能超低功耗的16位MSP430微处理器,可编程的I/O,多种天线连接方式和多种通信距离选择的整合方案。
    2.4GHz无线模块工作在全球免费的2.4GHz频段,通信速率为250kbps。

    高可靠、低功耗的OEM产品:

    2.4GHz无线模块是一种高可靠性,低能耗的OEM产品,它能够轻松为您的产品添加无线通讯功能,满足您对于超低功耗以及高性能微控制器需求,能够在其上进行各种协议开发,帮助您快速地开发诸如数据采集、设备监控等简单应用系统和搭建实验仿真平台。

    2.4GHz无线模块技术规范:

    ●标准:符合IEEE802.15.4无线通信标准;
    ●高性能、低功耗的OEM产品:能够在其上进行ZigBee、无线HART及WIA等协议的开发;l
●波段:2.4GHz;l   
    ●微处理器:集成高性能超低功耗的16位MSP430F1611或MSP430F2418微处理器;l
    ●低功耗:发射电流小于150mA,接收电流小于50mA,休眠电流为小于30uA;l

  WIA适配器

    集成WIA核心协议的无线设备:

    WIA适配器是一种低能耗、短程无线通信设备,工作在全球免费的2.4GHz频段。
    WIA适配器集成了WIA核心协议,能够连接现场仪表设备,使其能够接入WIA网络中,而且具备网络路由功能。

    兼容无线HART标准、易使用、易集成的OEM产品:

    WIA适配器是一种OEM设备,能够方便地与传感器、仪表进行连接,提供高可靠、低能耗、低成本的智能无线网络功能。WIA适配器兼容于无线HART标准,支持HART命令,WIA适配器能够集成不同的仪表,在设备端为用户提供了接口,经过WIA网络提供透明的数据传输服务。
    WIA适配器都能够作为终端设备和路由器,增加网络的可靠性,支持数据传输、请求和应答;配置参数提供节点控制等操作。

    WIA适配器技术规范:

    ●构成:集成2.4GHz 无线模块及WIA核心协议;
    ●简单易用的OEM产品:能够经过串口内部集成到普通仪表中,实现其无线功能,也能够经过外部串接到HART仪表与控制器间4-20mA的信号线上,升级传统HART仪表,实现其无线功能;l
    ●波段:2.4GHz;l
●电池寿命:数据率为1min,能够使用1年;l   
    ●安全性:AES128位密码,最新的动态多重加密技术。l

    WIA网关

    集成WIA核心协议的无线设备:

    WIA网关是一种短程无线通信设备,需要外接电源供电,工作在全球免费的2.4GHz频段。
    WIA网关负责整个WIA网络的管理、调度和优化,设定和维护网络通信参数,统一为网络设备分配通信资源和路由,配置WIA网络的运行,调度WIA网络设备间的通信,监控并报告WIA网络的运行状态。
    WIA网关还作为全网的时间同步源及均衡网络负载,提供消息缓冲与保存,桥接所有网络设备。WIA网关采用设备冗余机制,冗余网关负责网关的热备份,一旦网关出现故障,冗余网关自动替代网关。

    支持多个网络接入点和服务接入点:

    WIA网关支持一个或多个网络接入点和服务接入点。网络接入点提供连接其它网络的接口,比如工厂自动化网络,当前提供串口和以太网两种连接方式。服务接入点为上位机应用提供访问和管理WIA网络的接口,当前提供OPC、XML和HART三种接口方式。

    WIA网关技术规范:

    ●网络大小:一个网关最多能够管理100个设备;
    ●波段:2.4GHz;l
●用户接口:为用户应用提供OPC、XML及HART三种接口方式;l   
    ●全面API接口:支持一个或多个网络接入点和服务接入点,实现不同协议的互连接和互操作;l
    ●多种通信接口:支持以太网、RS232等通信接口。l

    WIA网络管理软件

    WIA网络管理软件负责显示整个WIA网络拓扑,而且能够经过选择菜单项或工具栏观察实时数据信息、设备状态及网络稳定性等等。

    WIA网络管理软件具体功能:

    ●显示网络拓扑视图。在网络拓扑视图中能够显示出整个网络的拓扑结构。
    ●显示网络设备信息。显示网络中所有设备的基本信息,包括设备类型、数据值、数据率、丢包率及运行状态信息。
    ●设备控制功能。能够经过命令对设备相关信息进行读取及配置l
●查询设备数据记录。能够查询设备实时和历史数据信息。l   
    ●查询网络性能记录。能够查询网络中每个设备的实时和历史可靠性信息,并经过图表显示出来。l

    WIA—NET800开发套件

    WIA—NET800开发套件为仪表企业及OEM厂商等提供工业无线网络原型产品,提供了一切模块编程和配置、模块与传感器连接、设备仪器输出及建立、测试和监控基于无线传感器网络所必须的功能。
    WIA—NET800是一款兼容无线HART标准,通用性极强的适用于恶劣的现场环境,具有很强的抗干扰能力、超低功耗、高灵活、易使用的智能无线传感器网络。WIA—NET800采用智能无线网络WIA技术,是WIA网络的具体体现。
    WIA—NET800开发套件提供了一个高速集成平台,快速与无线网络连接,符合IEEE802.15.4全球通用的2.4GHz频段,数据率达到250kbps,帮助您快速地开发诸如数据采集、设备监控与检测等简单应用系统和搭建实验仿真平台。
    WIA—NET800开发套件也可让您充分利用高效率网络在广域范围内进行测试,体验智能无线网络技术的优越性,同时为您提供灵活的评估Mesh网络概念的方法,并加快您的无线产品开发,快速占领无线市场的先机打下坚实的基础。

    WIA—NET800开发套件组成:

    ●一个WIA网关。
    ●十二个WIA适配器。
    ●一个CD-ROM光盘,包括上位机软件及套件相关硬件和软件用户文挡。
    ●一本WIA—NET800开发套件用户手册。
    ●电池、AC/DC适配器、网线。

    应用案例

    循环流化床锅炉压力温度传输系统

    应用地点:
    辽宁某纸业有限公司
    应用概述:
    辽宁某纸业有限公司为了扩大规模,增加生产量,自行建一个循环流化床锅炉,冬季能够为公司和城区进行区域性供暖,平时能够用锅炉产生的蒸汽推动蒸汽轮机进行发电,为公司提供动力源,还能够利用蒸汽进行生产和作业。
    为了节约生产成本,避免复杂的网络布线。公司采用我所的工业无线WIA网络进行压力、温度数据的采集与传输。安置在锅炉管道上的各个WIA无线压力表和WIA无线温度表实时把压力或温度数据信息传送到总控制室,用户经过WIA网络管理软件实时监控整个锅炉管道检测点的压力和温度情况。WIA无线压力表和WIA无线温度表都采用电池供电。

    相关图片:

抽油井示功图无线监测系统

    应用地点:
    东北某大油田
    应用概述:
    东北某大油田要求改进现有的人工举升采油方式—有杆泵采油方式。快速及时、准确无误地对抽油井示功图进行测取,是分析、诊断、优化抽油井工作状态,对抽油井进行日常管理的基本要求。中科院沈阳自动化研究所应用工业无线网络WIA技术研制成功了新型地面示功图无线监测系统。系统由一体化无线示功仪及相关软件构成,实现了抽油井示功图的在线测取、存储、传输、报警和查询等功能。系统完全针对油井生产管理需求设计,具有性能可靠、结构简单、安装方便、扩展性强、价格低等优点。
    相关图片:

    电机系统能源效率在线监测与能源管理

    应用地点:
    上海某电气集团
    应用概述:
    电机驱动系统在工业生产中占据重要位置,是能源消耗大户。由于电机技术水平落后、能效水平低,加上电机运行负载与额定负载不匹配、带故障运行、缺乏先进的能源管理等诸多原因,当前中国电机驱动系统电能浪费十分严重。
    本系统主要用来监测电机和电炉的运行状态,包括监测电机的运行状态,包括电压、电流、功率、转矩、输入功率、输出功率、效率以及电量等。最终的目的是进行节能监测,为节能改造提供依据,及电机的故障诊断,包括短条、线间短路等。
    本系统用电流电压传感器检测电机(或者电炉等)的工作电压、电流,然后进行处理之后的数据,经过无线网络传输到WIA网关,再串行发送给PC,在PC端进行处理显示。

相关图片: