论文部分内容阅读
摘 要：结合IEEE 802.11协议，开发一种基于无线局网的PLC工业以太网通讯技术。
关键词：PLC 无线局域网 工业以太网
中图分类号：TP393.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（b）-00-02
1 技术背景
现今工控行业，PLC通讯主要采用总线或以太网连接方式，将各PLC站及中控室上位机通过工控网络连接，实现数据交换以及中控室的集中监控、调度。但在工厂实际建设或升级改造中，一些小型就地PLC站因其硬件匹配性、施工难度等原因未连入整个PLC工控网络。这些小型控制站往往管理着重要的现场设备，加大了这类控制站的监控、管理的难度，也加大了运行、维护人员的负担。通常对于这类管理着重要设备的PLC控制站，都需通过改造，建立其与中控室的通信，实现集中监控、集中管理、集中调度。目前，建立小型就地PLC站与中控室通讯的方式主要有如下三种。
（1）敷设电缆、光缆，通过物理连接接入全厂控制网络。这种方式的优点是技术成熟，不易受到干扰。但其施工相對复杂，尤其对于新建或改造的小型控制站，缺乏物理路由支持，施工需要重新架线或挖沟铺设电缆，破路、埋管、采购电缆，成本较高，施工施工周期较长。这种方式，显然不适用于个别小型控制系统接入中控
网络。
（2）采用无线电台方式，这类无线通信建立采用现场站和中控室同时接入无线通讯电台，实现数据交换，但这类方式往往购买电台成本较高且安装无线电台天线时，必须考虑防雷接地等问题，安全问题凸显。
（3）采用GPRS无线数据传输即在现场和中控室安装GPRS模块，通过运营商手机网络传输数据。这种方法编程复杂，且每年需向GPRS运营商支付大笔流量费，维护不便。
上述三种方法都有各自的弊端，因此在工业以太网领域，笔者尝试采用一种新型的无线控制网络，解决就地控制站连入控制网络的问题。这种方式的技术基础在于，工业以太网是工控网络的主流，其技术基础是基于以太网技术；无线局域网技术同样是基于以太网技术的，参考以太网技术的开放性，推断无线局域网技术也应适用于工业以太网。因此，尝试将无线局域网技术用于工业以太网，开发一种新型的无线通讯系统。
2 无线局域网的协议标准介绍
IEEE802.11是IEEE委员会1997年制定的一个无线局域网标准，其主要作用解决办公室局网和校园网中，客户端与客户端的无线互联接入[1]。该业务最初的目的在于数据存取，其速率最通常最高为2 mb/s。IEEE802.11只规定了开放式系统的物理层和MAC层，MAC层主要采用CSMA/CA协议。委员会对于此协议的物理层，定义了以下几种的物理介质：红外线方式、直接序列扩展频谱方式（DSSS）以及跳频扩展频谱方式（FHSS）。在实践过程中，IEEE802.11无论速率上和传输距离上，均不能满足可靠性、稳定性、快接线的需要。其后，IEEE专家小组随即推出了更新的IEEE802.11a和IEEE802.11b这两项新型技术标准。这三个标准的技术差异主要在于物理层以及MAC层。
目前，使用最为广泛的是IEEE802.11b标准，也是该文实现无线工业以太网网的主要应用技术。下面重点介绍IEEE 802.11b技术协议。
2.1 IEEE 802.11b的物理层
有线网络与无线局域网在物理层上的主要区别表现在，有线网物理层采用电缆，而无线网物理层则采用无线电方式作为传输的介质，摒弃了电缆这种媒介。IEEE 802.11b无线网，物理层可采用三种形式，即跳频扩频层、直接序列扩频以及红外线层[2]。其选择完全基于应用的需求。
2.2 IEEE 802.11b的MAC协议
从根本上讲，对于MAC协议，有线网与无线网技术上并无根本的区别。其不同主要体现在，无线上网终端移动性强，导致基于802.11b的MAC协议继续不能沿袭使用原来的局域网协议标准。
无线局域网协议标准IEEE 802.11b使用的是CSMA/CA协议，即有冲突避免的载波监听多路访问方式实现网络共享。[3]
该CSMA/CA方式可用如下方法实现：数据包传输以前，相关无线设备首先对网络进行监听，判定否有其他设备正在占用网络进行传输。当监测到有其他的传输正在进行，则等待一段时间，再次监听，直到无其他设备占用网络，则进行本次网络传输。802.11b采用了RTS/CTS机制，即发送请求/清除请求，用于将传输冲突的概率降至最低。同时，为了保证数据传输的可靠性，还采用了ACK确认的机制，在接收端收到数据后，向发出端发送一个确认ACK。若发送端未收到该确认通知ACK，即表示数据传输出错，数据已丢失，发出端将再次传送该数据。
2.3 IEEE 802.11b性能分析
IEEE 802.11b协议在媒体访问控制层采用CSMA/CA协议以实现无线信道的共享。在实际用应中，尤其是网络中负荷不是很大的情况下，发生冲突的概率极低。与此同时，先进的网络产品都有一些附加措施，这些措施甚至可以完全避免网络冲突。例如：一些厂商的无线网络桥接路由器采用了一种叫做动态时间轮寻的方式：当遇到数个无线远程站要与基站通信时，基站会根据远程站已经设定好的的站地址（IP），进行一次轮流询问，若有该站有数据要需要传送发送，基站即分配时间段，接受数据，若没有，则继续轮询下一个站地址，以此类推。值得一提的是，这种动态轮询方式，是在基站端用户可设置的，例如：只轮询在线的活动站，减少了非活动站对时间的占用，提高了效率，也完全避免了冲突的发生，这种特点是无线局域网用于工业以太网重要技术基础。
3 无线网络局域网技术在PLC通讯中的应用实例
下面将介绍一种无线局域网技术应用于PLC通讯系统的应用实例。该技术原理如图1所示，其主要设备包括：PLC以太网模块、网线、无线路由器、中继器、以太网交换机、工控机等。本实施例即利用上述设备，通过PLC站与上位工控机间建立的无线局域网完成数据交换工作。其主要工作原理是，在PLC站现场安装无线路由器，可安装在PLC柜上方或侧方，通过网线接入现场段路由器WAN端口，考虑现场站与中控室间的距离，可选择安装1-2个中继器，与现场端路由器同品牌、同型号，用于放大无线信号，在原理图中采用示意方式用一台中继器放大信号，在中控室安装一台无线路由器，用于接收无线信号，将该无线路由器的LAN接口连入网线与上位工控机的交换机相连，即完成组网。在实际组态中，将所有连入无线局域网的设备，通过无线网wifi信号或交换机上的工控机进行ip地址设置，包括：工控机、路由器、中继器、PLC网络模块等。这些设备的网段设置须设置为同一网段，IP地址不可冲突，完成无线局域网的创建。上述工作完成后，可用任一台上位机ping现场PLC网络模块，若ping通，则无线局域网建成，即可实现工控数据交换，在结合上位软件，PLC编程等方式实现所有上位监控功能。
通过上述实例可以看出，这类无线局域网连接方式的技术原理是基于以太网技术的开放性，同时将无线局域网技术及工业以太网技术相结合，并对其进行灵活运用，实现了远程站与中控站的互联。这种方式区别于传统的互联方式具有：施工简单、工作量小、无线路由器等设备成本低廉、网络拓扑简单、可扩展性强、安全系数高等特点。
4 结语
该项目的实现为PLC通讯提供了另一种新型的连接、工作方式，将工控网络与无线网技术相结合，即采用相对成本低廉无线路由器、交换机，完成该网络的建设工作。其优势明显：实施成本低廉、门槛低、施工安装工作量小；采用自建无线局域网的方式，可靠性高，组网灵活，修改方便，可扩展性强；无线路由器均安装在室内，信号通过构筑物间的中继器放大，无雷击可能性，安全系数高；该技术科应用于任一主流控制系统PLC通讯中，如：AB、西门子、施耐德等，可推广使用，尤其适用于通讯距离短、无明显高层构筑物遮挡、老厂控制站改造、新建控制柜及特别重要控制系统冗余网络等控制站的无线通讯；无线路由器及中继器均可作为wifi热点，可随时使用笔记本电脑在覆盖范围内对该局域网进行诊断、修改、扩展、维护等工作。该技术尤其适用于距离相对较近的PLC站无线通讯系统搭建，克服了传统通讯方式的种种弊端，在简化设计施工等工作的同时，大大节约了建设及维护成本。
参考文献
[1] http：//baike.baidu.com/view/345218.htm.
[2] IEEE Std.802.11b-1999.
[3] 王华，谢瑞.高速无线局域网的通讯技术[J].电信快报，2009（7）.
关键词：PLC 无线局域网 工业以太网
中图分类号：TP393.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（b）-00-02
1 技术背景
现今工控行业，PLC通讯主要采用总线或以太网连接方式，将各PLC站及中控室上位机通过工控网络连接，实现数据交换以及中控室的集中监控、调度。但在工厂实际建设或升级改造中，一些小型就地PLC站因其硬件匹配性、施工难度等原因未连入整个PLC工控网络。这些小型控制站往往管理着重要的现场设备，加大了这类控制站的监控、管理的难度，也加大了运行、维护人员的负担。通常对于这类管理着重要设备的PLC控制站，都需通过改造，建立其与中控室的通信，实现集中监控、集中管理、集中调度。目前，建立小型就地PLC站与中控室通讯的方式主要有如下三种。
（1）敷设电缆、光缆，通过物理连接接入全厂控制网络。这种方式的优点是技术成熟，不易受到干扰。但其施工相對复杂，尤其对于新建或改造的小型控制站，缺乏物理路由支持，施工需要重新架线或挖沟铺设电缆，破路、埋管、采购电缆，成本较高，施工施工周期较长。这种方式，显然不适用于个别小型控制系统接入中控
网络。
（2）采用无线电台方式，这类无线通信建立采用现场站和中控室同时接入无线通讯电台，实现数据交换，但这类方式往往购买电台成本较高且安装无线电台天线时，必须考虑防雷接地等问题，安全问题凸显。
（3）采用GPRS无线数据传输即在现场和中控室安装GPRS模块，通过运营商手机网络传输数据。这种方法编程复杂，且每年需向GPRS运营商支付大笔流量费，维护不便。
上述三种方法都有各自的弊端，因此在工业以太网领域，笔者尝试采用一种新型的无线控制网络，解决就地控制站连入控制网络的问题。这种方式的技术基础在于，工业以太网是工控网络的主流，其技术基础是基于以太网技术；无线局域网技术同样是基于以太网技术的，参考以太网技术的开放性，推断无线局域网技术也应适用于工业以太网。因此，尝试将无线局域网技术用于工业以太网，开发一种新型的无线通讯系统。
2 无线局域网的协议标准介绍
IEEE802.11是IEEE委员会1997年制定的一个无线局域网标准，其主要作用解决办公室局网和校园网中，客户端与客户端的无线互联接入[1]。该业务最初的目的在于数据存取，其速率最通常最高为2 mb/s。IEEE802.11只规定了开放式系统的物理层和MAC层，MAC层主要采用CSMA/CA协议。委员会对于此协议的物理层，定义了以下几种的物理介质：红外线方式、直接序列扩展频谱方式（DSSS）以及跳频扩展频谱方式（FHSS）。在实践过程中，IEEE802.11无论速率上和传输距离上，均不能满足可靠性、稳定性、快接线的需要。其后，IEEE专家小组随即推出了更新的IEEE802.11a和IEEE802.11b这两项新型技术标准。这三个标准的技术差异主要在于物理层以及MAC层。
目前，使用最为广泛的是IEEE802.11b标准，也是该文实现无线工业以太网网的主要应用技术。下面重点介绍IEEE 802.11b技术协议。
2.1 IEEE 802.11b的物理层
有线网络与无线局域网在物理层上的主要区别表现在，有线网物理层采用电缆，而无线网物理层则采用无线电方式作为传输的介质，摒弃了电缆这种媒介。IEEE 802.11b无线网，物理层可采用三种形式，即跳频扩频层、直接序列扩频以及红外线层[2]。其选择完全基于应用的需求。
2.2 IEEE 802.11b的MAC协议
从根本上讲，对于MAC协议，有线网与无线网技术上并无根本的区别。其不同主要体现在，无线上网终端移动性强，导致基于802.11b的MAC协议继续不能沿袭使用原来的局域网协议标准。
无线局域网协议标准IEEE 802.11b使用的是CSMA/CA协议，即有冲突避免的载波监听多路访问方式实现网络共享。[3]
该CSMA/CA方式可用如下方法实现：数据包传输以前，相关无线设备首先对网络进行监听，判定否有其他设备正在占用网络进行传输。当监测到有其他的传输正在进行，则等待一段时间，再次监听，直到无其他设备占用网络，则进行本次网络传输。802.11b采用了RTS/CTS机制，即发送请求/清除请求，用于将传输冲突的概率降至最低。同时，为了保证数据传输的可靠性，还采用了ACK确认的机制，在接收端收到数据后，向发出端发送一个确认ACK。若发送端未收到该确认通知ACK，即表示数据传输出错，数据已丢失，发出端将再次传送该数据。
2.3 IEEE 802.11b性能分析
IEEE 802.11b协议在媒体访问控制层采用CSMA/CA协议以实现无线信道的共享。在实际用应中，尤其是网络中负荷不是很大的情况下，发生冲突的概率极低。与此同时，先进的网络产品都有一些附加措施，这些措施甚至可以完全避免网络冲突。例如：一些厂商的无线网络桥接路由器采用了一种叫做动态时间轮寻的方式：当遇到数个无线远程站要与基站通信时，基站会根据远程站已经设定好的的站地址（IP），进行一次轮流询问，若有该站有数据要需要传送发送，基站即分配时间段，接受数据，若没有，则继续轮询下一个站地址，以此类推。值得一提的是，这种动态轮询方式，是在基站端用户可设置的，例如：只轮询在线的活动站，减少了非活动站对时间的占用，提高了效率，也完全避免了冲突的发生，这种特点是无线局域网用于工业以太网重要技术基础。
3 无线网络局域网技术在PLC通讯中的应用实例
下面将介绍一种无线局域网技术应用于PLC通讯系统的应用实例。该技术原理如图1所示，其主要设备包括：PLC以太网模块、网线、无线路由器、中继器、以太网交换机、工控机等。本实施例即利用上述设备，通过PLC站与上位工控机间建立的无线局域网完成数据交换工作。其主要工作原理是，在PLC站现场安装无线路由器，可安装在PLC柜上方或侧方，通过网线接入现场段路由器WAN端口，考虑现场站与中控室间的距离，可选择安装1-2个中继器，与现场端路由器同品牌、同型号，用于放大无线信号，在原理图中采用示意方式用一台中继器放大信号，在中控室安装一台无线路由器，用于接收无线信号，将该无线路由器的LAN接口连入网线与上位工控机的交换机相连，即完成组网。在实际组态中，将所有连入无线局域网的设备，通过无线网wifi信号或交换机上的工控机进行ip地址设置，包括：工控机、路由器、中继器、PLC网络模块等。这些设备的网段设置须设置为同一网段，IP地址不可冲突，完成无线局域网的创建。上述工作完成后，可用任一台上位机ping现场PLC网络模块，若ping通，则无线局域网建成，即可实现工控数据交换，在结合上位软件，PLC编程等方式实现所有上位监控功能。
通过上述实例可以看出，这类无线局域网连接方式的技术原理是基于以太网技术的开放性，同时将无线局域网技术及工业以太网技术相结合，并对其进行灵活运用，实现了远程站与中控站的互联。这种方式区别于传统的互联方式具有：施工简单、工作量小、无线路由器等设备成本低廉、网络拓扑简单、可扩展性强、安全系数高等特点。
4 结语
该项目的实现为PLC通讯提供了另一种新型的连接、工作方式，将工控网络与无线网技术相结合，即采用相对成本低廉无线路由器、交换机，完成该网络的建设工作。其优势明显：实施成本低廉、门槛低、施工安装工作量小；采用自建无线局域网的方式，可靠性高，组网灵活，修改方便，可扩展性强；无线路由器均安装在室内，信号通过构筑物间的中继器放大，无雷击可能性，安全系数高；该技术科应用于任一主流控制系统PLC通讯中，如：AB、西门子、施耐德等，可推广使用，尤其适用于通讯距离短、无明显高层构筑物遮挡、老厂控制站改造、新建控制柜及特别重要控制系统冗余网络等控制站的无线通讯；无线路由器及中继器均可作为wifi热点，可随时使用笔记本电脑在覆盖范围内对该局域网进行诊断、修改、扩展、维护等工作。该技术尤其适用于距离相对较近的PLC站无线通讯系统搭建，克服了传统通讯方式的种种弊端，在简化设计施工等工作的同时，大大节约了建设及维护成本。
参考文献
[1] http：//baike.baidu.com/view/345218.htm.
[2] IEEE Std.802.11b-1999.
[3] 王华，谢瑞.高速无线局域网的通讯技术[J].电信快报，2009（7）.