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我国工业无线技术研发工作取得新突破
发布时间:2009-10-9

      由中科院沈阳自动化研究所作为牵头单位,我国科技人员自主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)规范于2008年10月31日经过国际电工委员会(IEC)全体成员国的投票,以100%的得票率获得通过,正式作为IEC一个新的公共可用规范(PAS)进入国际标准化进程。2009年7月,WI-PA又成为新的国际标准制定工作项目(NP)被纳入IEC国际标准体系。作为一项工业领域的无线标准,WIA-PA得到了国际自动化领域知名公司的高度重视,德国西门子、美国爱默生、法国施耐德、日本横河等纷纷通过本国标准委员会派专家参加WIA-PA标准工作组的研讨会,这标志着我国自主研发的工业无线技术得到世界范围的广泛认可。预计在2011年12月,WIA-PA规范将正式成为IEC国际标准。
      一、工业无线技术将引领工业自动化系统未来发展方向
        工业无线技术兴起于本世纪初,它是一种面向设备间信息交互的无线通信技术,是对现有工业通信技术在工业应用方向上的功能扩展和提升。工业无线技术将引发传统工业测控模式的变革,引领工业自动化系统向着低成本、高可靠、高灵活的方向发展。
布线成本是制约控制系统应用的瓶颈问题, 2001年全球工业用传感器的市场份额是110亿美元,而安装和使用成本(主要是布线成本)超过1000亿美元。美国总统科技顾问委员会在“面向21世纪的联邦能源研究与发展规划”中指出:工业无线测控系统的应用将使工业生产效率提高10%,并使排放和污染降低25%。因此,美国能源部将工业无线测控系统列为以节能降耗为目标的未来工业计划的主要支撑技术之一。
无线技术在恶劣的工业现场环境使用面临着抗干扰、高安全、实时通信等一系列挑战性技术难题需要解决。国际上,以美国、德国为代表的西方工业强国投入巨资展开了工业无线关键技术研发工作,爱默生、西门子、霍尼韦尔、通用电气等大公司都参与其中。目前国外工业无线技术的发展已开始进入工程验证阶段,关键技术难题正在逐步突破,市场需求非常旺盛,爱默生、霍尼韦尔等公司已初步形成了自有技术体系和原型产品。
      二、瞄准国际前沿,攻克工业无线关键技术
        无线虽好,但要在工业中得到实际应用,还存在诸多技术难题必须解决。
首先,工业现场环境对无线网络的可靠通信提出了挑战。数据的可靠传输率超过 95%就能适应大部分的工业控制应用要求。但是,无线介质的开放特征决定了无线信号传输过程中会产生衰落和多径效应等问题,会影响通信的可靠性。尤其是对于工厂环境,厂房中遍布的各种大型器械、金属管道等对信号的反射、散射所造成的严重多径效应,以及马达、器械运转时产生的电磁噪声,都会干扰无线信号的正确接收。
其次,自配置无线网络还要满足工业应用的实时通信要求。对于工业闭环控制应用,数据传输延迟应低于 1.5 倍的传感器采样时间。工业无线网络要求投资和安装成本很低,通常没有网络基础设施的支撑,设备间的通信需要通过自配置的方式以多跳接力的方式进行,保证端到端通信时延的确定性比较困难。
此外,工业现场无线设备的节能运行技术、工业无线网络与工厂其它无线网络的共存技术、工业无线网络的安全技术、工业无线测控系统与现有有线工业测控系统的互连与互操作技术、面向应用的工业无线测控系统部署、安装与配置技术等都是工业无线所要解决的技术难题。
        为了解决以上技术难题,中科院沈阳自动化研究所在2007年10就开始承担“工业无线技术及网络化测控系统研究与开发”项目,这在国际上也属于开展工业无线技术研发与应用比较早的机构。项目的开始日期为2008年1月,结束日期为2010年12月。项目批准的国拨资金额度为1409万元。国内主要从事工业无线技术研究的单位都参与其中;项目的责任单位为中科院沈阳自动化研究所,另外还有9家共同承担单位,分别是:浙江大学、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、沈阳中科博微自动化技术有限公司、上海自动化仪表研究所、东北大学、重庆邮电大学、西南大学、大连理工大学、北京科技大学。
        在863重点项目的支持下,相关的关键技术被逐一攻克,各类原型产品不断出现。目前由中科院沈阳自动化研究所牵头的863课题组已在互联互操作、节能、时间同步、信道调度等关键技术方面取得了较大进展,成功开发了WIA-PA、Zigbee、WirelessHart协议栈、节点、网关、组态软件,申报专利近20项。中科院沈阳自动化研究所与中科博微公司、川仪、北京天宇蓝翔科技发展有限公司、北京雅丹汉和石油技术开发有限公司、重庆伟岸测仪等合作,开发了多款无线仪表原型。项目组已搭建了实验室/工厂环境中的由网络、频谱分析设备、网络监听设备测试组成的模拟测试环境,构建了基于OPNet仿真软件的工业无线测控系统仿真平台及基于PC平台的WIA-PA协议栈原型系统。
      三、提升国际地位,WIA-PA成为国际标准
        标准制定是工业无线技术商业化、产业化竞争的焦点。2005年前后,在众多的跨国公司的支持下,以HART通信基金会和美国仪表系统与自动化协会ISA为代表的两个工业自动化领域知名组织开始着手工业无线标准的制定工作。IEC/TC65(IEC工业测量和控制技术委员会)也在2006年9月也开始了国际标准的制定工作。但是,由于世界各国及各大公司出于商业利益的考虑及技术研发瓶颈的限制,IEC标准的实质性制定工作一直推延到2008年才开始,并且争论十分激烈。
        2006年,我国工业过程测量和控制标准化技术委员会立项开展“测量、控制用无线通信技术”国家标准体系研究及标准起草工作,由中国科学院沈阳自动化研究所为牵头单位,联合浙江大学、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、重庆邮电大学、上海自动化仪表所、北京科技大学、西南大学、中科博微公司、浙江中控集团、东北大学、大连理工大学等十余家单位成立了“测量、控制用无线通信技术”国家标准起草工作组。2008年10月,标准起草工作组完成了WIA-PA国家标准征求意见稿的制订。
在制订国家标准的同时,我国也积极推动相关国际标准制定工作。2008年8月,标准起草工作组完成了WIA-PA的IEC PAS文件和国家标准草案制定工作。2008年10月,WIA-PA成为IEC/PAS 62601由IEC官方正式发布。2009年3月标准起草工作组向IEC提交了正式成立新工作项目建议文件,即NP文件。2009年7月,该NP文件通过IEC投票通过,这标志着向WIA-PA作为国际标准被纳入IEC工业无线标准体系目标迈出了关键性一步。目前,我国的WIA-PA和HART通信基金会提出的WirelessHART是IEC仅有的两个被全体成员国投票通过的工业无线国际标准制定工作项目。
        我国工业自动化领域长期以来依赖引进国外的先进技术与产品,大多数工业厂商的发展模式是系统集成。由于不掌握核心技术,产业安全存在一定风险。在这一背景下,WIA-PA规范成为IEC标准具有重要意义。我国拥有自主知识产权的WIA-PA技术成为国际标准,是国际工业界对我国发展具有自主知识产权的工业测控系统工作的充分肯定。随着符合WIA-PA技术的产品的大量出现,我国科研人员在工业化与信息化的融合工作中又为国家提供了一种新的高端技术解决方案。WIA-PA标准的成功标志着在工业无线通信领域,中国已经成为技术领先的国家之一。
      四、坚持应用驱动,工业无线产品应用遍地开花
        在对工业无线技术的应用需求深入调研的基础上,中国科学院沈阳自动化研究所对具有自主知识产权的工业无线网络WIA系列产品进行了大规模的市场推广和应用,目前已为石化、冶金、电力、建筑、污水处理等行业提供工业无线解决方案。同时,诸如大规模轧辊轴承健康状态在线监测系统、电机系统能源效率在线监测与能源管理系统、管道泄露在线监测与定位系统、罐区油罐液位与温度监测系统及油田采油生产信息无线监控系统等多个示范工程也均得到用户的好评。当前,进一步的市场推广工作正在火热进行之中。
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