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摘要
由于性能需求的增加，無(wú)線電射頻（RF）環(huán)境的變化和物理環(huán)境的變化，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能也隨著時(shí)間變化。本文探究無(wú)線診斷過(guò)程控制的對(duì)象鏈接與嵌入（OPC）服務(wù)器技術(shù)把診斷信息嵌入人機(jī)界面（HMI），因此優(yōu)化工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能。

引言
無(wú)線通信在工廠和過(guò)程控制自動(dòng)化系統(tǒng)中日益流行。該增長(zhǎng)部分由于非?？煽康臒o(wú)線電頻率技術(shù)的出現(xiàn)，有能力處理工業(yè)工廠中存在的極端條件。其他促使其增長(zhǎng)的原因是無(wú)線實(shí)現(xiàn)的好處，包括降低安裝成本、消除遠(yuǎn)程站點(diǎn)的電話線費(fèi)用、降低移動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械磨損（因此改進(jìn)物料輸送系統(tǒng)的性能），并為生產(chǎn)和維護(hù)人員提供無(wú)論何處需要的至關(guān)重要的信息。

接受降低成本和改進(jìn)生產(chǎn)力的無(wú)線策略已經(jīng)促使很多關(guān)鍵過(guò)程依賴無(wú)線。隨著更多的系統(tǒng)依賴無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，包括在它們發(fā)生前探測(cè)網(wǎng)絡(luò)降級(jí)和防止通信故障的智能診斷，這一點(diǎn)很重要。然而，大多數(shù)工廠都存在影響無(wú)線性能變化的條件。因此，良好的習(xí)慣做法是對(duì)RF網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)視，這樣才能降低意外停機(jī)的幾率。

不同工業(yè)無(wú)線制造商的診斷技術(shù)差別很大。有一些工業(yè)無(wú)線設(shè)備并沒(méi)有任何診斷信息，因此接收正確或錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。可以想象，當(dāng)遇到問(wèn)題時(shí)，解決故障是多么困難。為訪問(wèn)診斷信息，其他系統(tǒng)在通信必須停止的地方提供離線診斷。這些系統(tǒng)至少提供原因的一些提示，但是僅僅在故障發(fā)生后。

在線無(wú)線診斷提供無(wú)線性能和本地與遠(yuǎn)程的整個(gè)無(wú)線系統(tǒng)的硬件條件的持續(xù)診斷。這些工具不僅能探測(cè)故障，而且顯示降級(jí)的條件。因?yàn)檎趯?shí)時(shí)監(jiān)視診斷方法，不需要為檢查系統(tǒng)而停止通信。然而，沒(méi)有免費(fèi)的午餐！因?yàn)樵\斷數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)在相同的無(wú)線鏈接上傳輸，當(dāng)激活診斷時(shí)，同時(shí)也降低了網(wǎng)絡(luò)性能。在具有大量遠(yuǎn)程站點(diǎn)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)中，在線診斷是不現(xiàn)實(shí)的。

不同制造商和無(wú)線系統(tǒng)的在線訪問(wèn)診斷信息的方法是不同的。一些無(wú)線串行系統(tǒng)使用第二個(gè)串口，使用能從啞終端程序（例如，超級(jí)終端）訪問(wèn)的菜單接口進(jìn)行通信。其他的在線診斷系統(tǒng)在PC連接到第二個(gè)串口或PC是以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的一部分的地方使用私有軟件程序，并使用其顯示關(guān)于RF網(wǎng)絡(luò)的重要信息。其他的系統(tǒng)仍有用于診斷信息的嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器顯示診斷信息。在基于以太網(wǎng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上的任何人都能潛在地查看本地和遠(yuǎn)程無(wú)線設(shè)備的診斷頁(yè)面。

以前描述的方法缺乏直接把診斷狀態(tài)和信息容易地集成到控制系統(tǒng)的能力。這對(duì)缺乏計(jì)算機(jī)技巧和技術(shù)能力的工廠操作員是非常繁重的。例如，期待廢水廠的三班倒操作員理解供應(yīng)商的診斷程序（或診斷網(wǎng)頁(yè)）并診斷程序是不現(xiàn)實(shí)的。因此，在控制工程師能恰當(dāng)嵌入診斷數(shù)據(jù)的地方進(jìn)行遠(yuǎn)程RF診斷是非常必要的。

在常見(jiàn)方法中，簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）是一個(gè)訪問(wèn)診斷信息的可能方法。SNMP是標(biāo)準(zhǔn)的診斷語(yǔ)言，主要開(kāi)發(fā)用于信息技術(shù)設(shè)備的管理。SNMP提供一種管理和監(jiān)視不同供應(yīng)商制造的設(shè)備的診斷軟件工具方法?，F(xiàn)在一些工業(yè)設(shè)備具有支持SNMP的能力，而大多數(shù)工業(yè)軟件程序并沒(méi)有這種能力。因此基于SNMP的管理工具對(duì)工業(yè)無(wú)線系統(tǒng)是非常不現(xiàn)實(shí)的。

集成診斷
這促使我們考慮什么是在工業(yè)系統(tǒng)中集成無(wú)線診斷的最好方法。OPC可能是最好的方法，因?yàn)樗菍ｉT(mén)開(kāi)發(fā)用于工業(yè)系統(tǒng)的軟件數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，受到廣泛的采用和支持。使用OPC作為RF診斷的基礎(chǔ)提供任何兼容OPC的軟件程序（例如，大多數(shù)主要的HMI和SCADA軟件包）直接訪問(wèn)診斷信息。因?yàn)榭刂乒こ處熅ㄊ褂眠@些程序開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，很容易在操作員界面中嵌入無(wú)線診斷數(shù)據(jù)，就像任何其他的標(biāo)簽數(shù)據(jù)點(diǎn)一樣。

使用具有無(wú)線診斷功能的OPC服務(wù)器揭示了監(jiān)視和優(yōu)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的很多可能。為完全理解這種可能，檢查通常監(jiān)視的關(guān)鍵診斷方法是特別有用的。在RF系統(tǒng)中，使用預(yù)先確定的RF信道和認(rèn)證程序在無(wú)線設(shè)備（有時(shí)稱為無(wú)線訪問(wèn)點(diǎn)、網(wǎng)橋和客戶端）之間建立鏈接。每個(gè)無(wú)線設(shè)備即傳輸也接收數(shù)據(jù)（但是不是同時(shí)）。當(dāng)傳輸RF信號(hào)時(shí)，需要一定量的能量（用dBm度量）。當(dāng)通過(guò)空氣時(shí)，距離和前進(jìn)路上的障礙物造成一定的損失。當(dāng)遠(yuǎn)程站點(diǎn)的天線接收到信號(hào)時(shí)，信號(hào)必須強(qiáng)到能進(jìn)行成功的數(shù)據(jù)傳輸才行。接收信號(hào)的強(qiáng)度用RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)）表示。

另一個(gè)非常重要的測(cè)量方法是信道中的噪聲。接收的信號(hào)必須比解碼信息波段中的噪聲高。噪聲的單位也是dBm。我們?cè)诒疚牡暮竺鎸⒂懻撛肼暭捌湓颉?BR>
另一個(gè)常見(jiàn)的測(cè)量方法是信噪比，它使用測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）和噪聲計(jì)算。比率越高，系統(tǒng)運(yùn)行越可靠。當(dāng)交換數(shù)據(jù)包時(shí)，大多數(shù)工業(yè)無(wú)線設(shè)備都包括一個(gè)糾錯(cuò)算法從而確保成功地接收數(shù)據(jù)包，如果必要，再轉(zhuǎn)發(fā)。診斷工具能報(bào)告成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量和接收的壞包數(shù)量。這提供一種計(jì)算RF錯(cuò)誤率的方法，它是另一種關(guān)鍵的方法。

診斷也能監(jiān)視連接的節(jié)點(diǎn)（客戶端）數(shù)量。該方法是令人感興趣的，它能快速報(bào)告/報(bào)警鏈接是否故障，也報(bào)告連接的客戶端的數(shù)量是否比期待的數(shù)量多，因此表示一個(gè)可能的安全威脅。監(jiān)視連接的無(wú)線客戶端身份（MAC地址），增加額外的安全，也是可能的。

最終，傳輸字節(jié)的數(shù)量是有用的測(cè)量方法，因?yàn)樗@示無(wú)線鏈接的實(shí)際利用率。通過(guò)計(jì)算每秒傳輸?shù)淖止?jié)與無(wú)線技術(shù)的能力比較，監(jiān)視帶寬利用率。

無(wú)線診斷包括很多其他的屬性，但是只考慮重要的屬性。其他可以監(jiān)視的屬性包括環(huán)境條件（溫度，供電電壓）、用于探測(cè)天線、同軸電纜問(wèn)題和信道頻率漂移的電壓駐波比（VSWR）。

常見(jiàn)無(wú)線診斷方法

運(yùn)行基于OPC的診斷系統(tǒng)
既然我們理解了可用的監(jiān)視方法，我們能探究怎樣實(shí)施和運(yùn)行基于OPC的無(wú)線診斷系統(tǒng)。首先，僅僅要求一個(gè)服務(wù)器采集診斷信息，注意到這一點(diǎn)非常重要。對(duì)以太網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，無(wú)線診斷OPC服務(wù)器能在網(wǎng)絡(luò)上任何地方存在。配置它們采集每個(gè)選擇的無(wú)線設(shè)備指定的診斷數(shù)據(jù)。

因?yàn)榉?wù)器位于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)特定位置，服務(wù)器從硬接線以太網(wǎng)上采集一些診斷數(shù)據(jù)，從無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上采集另外的數(shù)據(jù)。因此，如果鏈接故障，特定設(shè)備的診斷明顯丟失。從總體上來(lái)說(shuō)，良好的習(xí)慣做法是確定服務(wù)器安裝在最少無(wú)線連接的地方去發(fā)送診斷數(shù)據(jù)，即使無(wú)線鏈接故障，關(guān)鍵的OPC客戶端仍能訪問(wèn)服務(wù)器。圖1說(shuō)明了一個(gè)位于中心的OPC服務(wù)器怎樣才能采集無(wú)線診斷信息并使之用于本地和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的所有HMI客戶端。對(duì)更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，安裝多臺(tái)服務(wù)器具有重要的意義，從而能直接為更多客戶端提供診斷信息。

圖1 無(wú)線OPC服務(wù)器采集來(lái)自兩個(gè)獨(dú)立的RF網(wǎng)絡(luò)的診斷數(shù)據(jù)。在邏輯網(wǎng)絡(luò)上的任何HMI客戶端都能訪問(wèn)這些診斷信息。

一旦安裝完服務(wù)器，它會(huì)按程序輪詢每個(gè)無(wú)線設(shè)備指定的診斷數(shù)據(jù)。輪詢頻率通常是可以配置的，快達(dá)100 ms，或慢達(dá)60 s。該設(shè)置依賴當(dāng)前信息對(duì)應(yīng)用的重要程度和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)擁擠的程度。更新時(shí)間越快，用于診斷的無(wú)線帶寬就越大，應(yīng)用就越忙。

服務(wù)器一般通過(guò)設(shè)備名（或其他用戶名稱）組織診斷數(shù)據(jù)，每種方法都是OPC客戶端唯一的標(biāo)簽。大多數(shù)HMI和SCADA軟件包都是兼容OPC的，并提供瀏覽OPC可用標(biāo)簽的方法。一旦客戶端探測(cè)到標(biāo)簽，它們實(shí)際上都能用于控制工程師要求的任何方式。

在開(kāi)發(fā)項(xiàng)目之前，考慮系統(tǒng)所有通信架構(gòu)。最重要的鏈接在何處？如果鏈接故障，會(huì)發(fā)生什么？怎樣才能在問(wèn)題發(fā)生前防止它？
一旦理解網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，就要考慮每個(gè)用戶的需要。生產(chǎn)人員可能不知道RSSI是什么意思，但是可以報(bào)告總監(jiān)HMI啟動(dòng)無(wú)線鏈接是否故障。如果操作員是一個(gè)人時(shí)，HMI能建議聯(lián)系何人（例如，負(fù)責(zé)無(wú)線鏈接的系統(tǒng)集成商（SI），或如果PLC出現(xiàn)問(wèn)題，一打電話就到達(dá)的工程師。）。操作員也有知道無(wú)線鏈接是否正常工作的方法，因此如果發(fā)生系統(tǒng)問(wèn)題時(shí)，沒(méi)有通信故障。相反，工程經(jīng)理 想在整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視屏幕上查看所有相關(guān)數(shù)據(jù)。越詳細(xì)，越好，因?yàn)楣こ處熌芙忉屆總€(gè)數(shù)據(jù)的意思。為每個(gè)用戶的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)定制HMI顯示是非常重要的。

大多數(shù)HMI和SCADA軟件包也支持報(bào)警和趨勢(shì)功能。報(bào)警能通知操作員、維護(hù)經(jīng)理或故障條件（例如，無(wú)線鏈接故障）的工程經(jīng)理，或告訴他們通信是否降級(jí)以便他們按計(jì)劃采取預(yù)防性的措施。報(bào)警也能遠(yuǎn)程發(fā)送（例如，通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送email，發(fā)送文本信息到手機(jī)），所以通知是即時(shí)的。

趨勢(shì)功能對(duì)回顧性能歷史和分析相關(guān)性是有用的。例如，傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)量能按時(shí)間進(jìn)行趨勢(shì)從而發(fā)現(xiàn)吞吐量需求是否增加。

自動(dòng)化設(shè)備（例如，PLC）訪問(wèn)其內(nèi)部程序的OPC數(shù)據(jù)也是可能的。這揭示了當(dāng)發(fā)生問(wèn)題時(shí)，不僅通知操作員/經(jīng)理，而且使PLC程序?qū)Υ诉M(jìn)行處理的可能。例如，如果無(wú)線鏈接失敗，PLC能激活備用通信鏈接（例如，冗余無(wú)線連接）。在該例子中，系統(tǒng)將自動(dòng)恢復(fù)而不需要任何人為干涉。

如你所見(jiàn)，當(dāng)在OPC服務(wù)器中使之可用時(shí)，有很多使用RF診斷數(shù)據(jù)的方法。最好的使用依賴過(guò)程類型、無(wú)線怎樣應(yīng)用到系統(tǒng)中和用戶需要。以下是一些應(yīng)用案例：

應(yīng)用1——廢水泵站
廢水廠使用無(wú)線SCADA網(wǎng)絡(luò)連接幾個(gè)遠(yuǎn)程泵站。水處理廠PLC根據(jù)流量測(cè)量值遠(yuǎn)程運(yùn)行和停止泵。每個(gè)RF鏈接有幾里遠(yuǎn)，因此抵達(dá)泵站需要很長(zhǎng)時(shí)間。
系統(tǒng)集成人員已經(jīng)決定按照以下方法使用基于OPC的無(wú)線診斷：
① 鏈接故障的操作員界面通知；
② 報(bào)警通知發(fā)送到工廠負(fù)責(zé)人；
③ RSSI趨勢(shì)監(jiān)視基于標(biāo)準(zhǔn)的變化（例如，樹(shù)型增長(zhǎng)）。



操作員界面顯示泵站和廢水處理廠之間的RF鏈接狀態(tài)。如果泵站沒(méi)有起動(dòng)（舉個(gè)例子），操作員能快速斷定鏈接是否故障。如果沒(méi)有故障，則有其他問(wèn)題，操作員能聯(lián)系合適的人員或親自抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)解決問(wèn)題。

應(yīng)用2——石油管線
石油分發(fā)系統(tǒng)在管線流量測(cè)量中使用無(wú)線SCADA網(wǎng)絡(luò)，管線幾里遠(yuǎn)，使用無(wú)線以太網(wǎng)中繼器延長(zhǎng)整個(gè)長(zhǎng)度。SCADA網(wǎng)絡(luò)通過(guò)PLC系統(tǒng)提供自動(dòng)過(guò)程控制。當(dāng)系統(tǒng)采集石油流量數(shù)據(jù)時(shí)，操作員可以監(jiān)視報(bào)警和手動(dòng)控制閥。

因?yàn)镾CADA網(wǎng)絡(luò)對(duì)管線運(yùn)行非常重要，系統(tǒng)使用利用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的冗余中繼器。由于硬件故障或電沖擊的破壞，中繼器故障，通信丟失。

使用OPC標(biāo)簽、HMI顯示和監(jiān)視每個(gè)中繼器站點(diǎn)之間的RF條件，系統(tǒng)能快速探測(cè)中繼器站點(diǎn)是否故障或?qū)⒁收稀Ｈ绻l(fā)生故障，RF系統(tǒng)能自動(dòng)自愈，通知操作員站點(diǎn)已經(jīng)故障從而進(jìn)行修理，重新建立RF網(wǎng)絡(luò)冗余?？刂葡到y(tǒng)意識(shí)到：如果通信丟失，RF冗余已經(jīng)暫時(shí)不能準(zhǔn)備安全停止。

應(yīng)用3——汽車廠自動(dòng)導(dǎo)向小車（AGV）系統(tǒng)
汽車裝配廠使用AGV在裝配線上傳輸裝配件。每個(gè)AGV使用RF鏈接同步其運(yùn)動(dòng)，同時(shí)用系統(tǒng)其他部分進(jìn)行加工。使用無(wú)線以太網(wǎng)系統(tǒng)EtherNet/IP把遠(yuǎn)程I/O連接到PLC系統(tǒng)。由于大量I/O和快速掃描速率，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信非常高。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供高的數(shù)據(jù)吞吐量而且不丟數(shù)據(jù)包，這一點(diǎn)特別重要。

在該系統(tǒng)中，配置OPC診斷服務(wù)器采樣RF條件每分鐘僅僅一次，從而確保診斷數(shù)據(jù)采集在數(shù)據(jù)吞吐量上只有有限的影響。

除了監(jiān)視RF網(wǎng)絡(luò)的健康，操作員界面將監(jiān)視每個(gè)訪問(wèn)點(diǎn)連接的客戶端數(shù)量。如果數(shù)量低于期望的數(shù)量，離線剎車并產(chǎn)生報(bào)警。系統(tǒng)也向每個(gè)客戶端報(bào)告數(shù)據(jù)速率。如果數(shù)據(jù)速率接近無(wú)線技術(shù)的能力，PLC在線激活替代鏈接，同時(shí)置位報(bào)警。由于不合適的流量（在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不屬于該過(guò)程）或程序的變化，工程人員能確定RF網(wǎng)絡(luò)上的流量是否上升。