焊接生產(chǎn)監(jiān)控常用的通信技術(shù)論文
1焊接生產(chǎn)監(jiān)控常用的通信技術(shù)
1.1RS485串行總線
RS485是為了解決RS232無法高速長距離多點(diǎn)傳輸?shù)木窒扌远岢龅囊环N工業(yè)串行總線技術(shù)，它最大的特點(diǎn)就是采用平衡發(fā)送差分接收的方式進(jìn)行信號的傳輸，所以在焊接生產(chǎn)監(jiān)控中具有較好的抗干擾性能。如文獻(xiàn)[4]設(shè)計了基于RS485串行通訊的焊機(jī)集散控制系統(tǒng)，監(jiān)控中心可以將查詢到的焊接規(guī)范參數(shù)傳遞至多臺焊機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控。但是，由于RS485只能通過主機(jī)輪詢的方式進(jìn)行通訊，網(wǎng)絡(luò)利用率低，實(shí)時性較差，并且當(dāng)個別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時會導(dǎo)致整個總線癱瘓，系統(tǒng)的可靠性不高。
1.2CAN總線
CAN總線是控制局域網(wǎng)技術(shù)的簡稱，其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率可達(dá)1MbPs，直接傳輸距離最遠(yuǎn)10km。CAN總線為多主方式工作，采用帶優(yōu)先級的CSMA/AC和非破壞仲裁技術(shù)，其報文為短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)出錯率極低，并且節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下可自動關(guān)閉輸出，不會引起整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，因此，CAN總線具有較高的可靠性與實(shí)時性，能夠出色地完成對焊接生產(chǎn)的實(shí)時監(jiān)控。設(shè)計了采用CAN總線的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，成功用于對多臺焊機(jī)工作過程中電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置與監(jiān)控；文獻(xiàn)則提出4個CAN總線網(wǎng)絡(luò)連接至同一個主監(jiān)控中心的方案，解決了單個網(wǎng)絡(luò)只可容納110個站點(diǎn)的限制，實(shí)現(xiàn)了對多達(dá)256臺電焊機(jī)的實(shí)時監(jiān)控與集中管理。
1.3工業(yè)以太網(wǎng)
工業(yè)以太網(wǎng)是應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，采用IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)和TCP/IP技術(shù)作為其協(xié)議基礎(chǔ)，信號通過屏蔽或非屏蔽雙絞線以及光纖進(jìn)行傳輸。工業(yè)以太網(wǎng)傳輸性能優(yōu)良，速度可達(dá)1000Mbps，最遠(yuǎn)傳輸距離在1km以上，通過雙向交換機(jī)還可以增加其站點(diǎn)數(shù)，非常適合于設(shè)備眾多且較為分散的焊接生產(chǎn)車間。另外，工業(yè)以太網(wǎng)與Internet連接十分方便，這樣使得在互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)內(nèi)的任何授權(quán)用戶均可監(jiān)控焊接生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)“管控一體化”，因此，工業(yè)以太網(wǎng)是焊接生產(chǎn)監(jiān)控的一個重要發(fā)展方向。如文獻(xiàn)[10]設(shè)計了基于焊接網(wǎng)絡(luò)控制器的工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)方案，將不同通信協(xié)議的設(shè)備通過焊接網(wǎng)絡(luò)控制器接入以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)定焊接參數(shù)的控制方案。文獻(xiàn)[11]則采用以太網(wǎng)設(shè)計了焊接設(shè)備網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，利用單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)合嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊的方式，將電焊機(jī)接入以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了焊接生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)化，并且能夠?qū)﹄姾笝C(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷和參數(shù)管理。在實(shí)時性方面，工業(yè)以太網(wǎng)使用的是不帶優(yōu)先級的CSMA/CD的介質(zhì)訪問控制方式，其本質(zhì)上是非實(shí)時的，但通過采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、以太網(wǎng)交換技術(shù)以及全雙工工作方式，完全可以使工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時性滿足焊接生產(chǎn)監(jiān)控的要求。但是在可靠性方面，工業(yè)以太網(wǎng)的魯棒性和抗干擾能力是值得關(guān)注的問題，其對于環(huán)境惡劣的焊接生產(chǎn)現(xiàn)場適應(yīng)性較差。另外，工業(yè)以太網(wǎng)還需額外電纜進(jìn)行供電，這就給布線帶來了一定的麻煩。
1.4ZigBee技術(shù)
Zigbee是一種低速、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)�；贗EEE802.15.4協(xié)議，ZigBee的傳輸速率僅為250kB/s，但具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，能夠提供如圖1所示的三種組網(wǎng)方式：主從結(jié)構(gòu)的星形網(wǎng)、由單個或多個星形網(wǎng)擴(kuò)展而來的簇狀網(wǎng)以及除了協(xié)調(diào)器之外的每一個設(shè)備既可作為終端收發(fā)數(shù)據(jù)，又可作為路由器實(shí)現(xiàn)路由功能的網(wǎng)狀網(wǎng)。其中，簇狀網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)屬于多跳式路由通信，具有自組織和自愈功能，網(wǎng)絡(luò)可靠性高，并且可以支持多達(dá)65000個節(jié)點(diǎn)和跨越較大的物理空間。因此，在焊接生產(chǎn)監(jiān)控中，ZigBee能夠方便有效地將焊接車間中的焊機(jī)與主監(jiān)控中心組成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)并相互通信。同時，為了減少環(huán)境干擾對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)挠绊�，ZigBee協(xié)議在物理層采用了直序擴(kuò)頻和頻率快變技術(shù)，在MAC層建立了CSMA-CA，即載波監(jiān)聽多信道接入/避免沖突機(jī)制，并采用完整的握手協(xié)議來實(shí)現(xiàn)對物理信道的有效訪問和數(shù)據(jù)的可靠傳輸。Zigbee技術(shù)已經(jīng)在焊接監(jiān)控領(lǐng)域得到了應(yīng)用。如文獻(xiàn)[15]通過Zigbee組建了焊機(jī)的群控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)車間焊機(jī)群與管理服務(wù)器的連接，方便管理人員對焊機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、工藝管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及故障分析，同時，又省去了復(fù)雜的布線，節(jié)約了大量成本。
1.5Wifi技術(shù)
Wifi全稱為WirelessFidelity，是一種基于IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)技術(shù)，傳輸速度為1～54Mb/s，但其站點(diǎn)與站點(diǎn)之間的有效傳輸距離只有70～100m。Wifi網(wǎng)絡(luò)的基本組件則為基本服務(wù)集（BSS），它可以看作是一個覆蓋區(qū)域，區(qū)域內(nèi)的各個站可以互相通信，站在區(qū)域內(nèi)能夠自由移動。由BSS可以構(gòu)成兩種不同類型的.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：獨(dú)立基本服務(wù)集（IBSS）和擴(kuò)展服務(wù)集（ESS）。IBSS是一個獨(dú)立的BSS，覆蓋范圍有限；ESS由兩個或多個BSS通過有線主干局域網(wǎng)互連而成，由AP提供無線網(wǎng)絡(luò)與有線局域網(wǎng)的接口，這一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅能滿足大范圍覆蓋的需求，也方便通過Internet或企業(yè)局域網(wǎng)對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。但是由于受到AP性能和工作頻段信道數(shù)的限制，Wifi網(wǎng)絡(luò)能夠支持的可靠通信的站點(diǎn)數(shù)有限，在實(shí)際的焊接生產(chǎn)監(jiān)控中，一般不超過60個。在可靠性方面，Wifi的理層除了提供直序擴(kuò)頻技術(shù)，還提供跳頻擴(kuò)頻和紅外技術(shù)，同時，MAC層同樣采用了CSMA-CA機(jī)制，抗干擾能力也很高。文獻(xiàn)[18]提出了利用Wifi將生產(chǎn)車間焊機(jī)接入企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)的方案，通過多客戶端/服務(wù)器模式，實(shí)現(xiàn)多級管理人員同時監(jiān)控焊機(jī)的工作情況，使焊接生產(chǎn)管理更加靈活與方便。
1.63G技術(shù)
3G（3rd-generation）即第三代通信網(wǎng)絡(luò)，包括CDMA2000，W-CDMA和TDS-CDMA三個技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。與2.5G的GPRS網(wǎng)絡(luò)相比，3G網(wǎng)絡(luò)的帶寬更高，可以達(dá)到384kbps～2Mbps，3G網(wǎng)絡(luò)在保證高傳輸速率的同時，還具有穩(wěn)定性強(qiáng)、實(shí)時性好、安全性高、網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域廣闊、能夠全球漫游等特點(diǎn)。通過3G網(wǎng)絡(luò)，企業(yè)管理層可了解遍布世界各地的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并能以手機(jī)作為終端，將數(shù)據(jù)通過流量的方式傳送至手機(jī)，管理者無論身在何處，都能實(shí)時監(jiān)控數(shù)據(jù)并管理工業(yè)現(xiàn)場。3G網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代工業(yè)化管理的一個重要的發(fā)展方向，但其使用受運(yùn)營商信號覆蓋范圍限制，每臺設(shè)備都要安裝信息收發(fā)系統(tǒng)，并需要向網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商交納使用費(fèi)，提高了整個系統(tǒng)的組建費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用。
2常用通信技術(shù)的比較與分析
上述提到的在焊接監(jiān)控領(lǐng)域中常用的數(shù)據(jù)通訊技術(shù)可以歸為兩類，即RS485串行總線、CAN總線、工業(yè)以太網(wǎng)組成的有線通訊技術(shù)和由ZigBee、Wifi以及3G技術(shù)組成的無線通訊技術(shù)。無線技術(shù)由于無需布線，所以方便建立和維護(hù)，且成本較低，在焊接生產(chǎn)監(jiān)控中受到越來越多的重視，但是其可靠性與傳輸速度往往不如有線通訊技術(shù)。其中，ZigBee雖然傳輸速度最低，但是由于其組網(wǎng)方便、網(wǎng)絡(luò)容量大以及傳輸覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，適合于設(shè)備數(shù)量多、分布廣，但是傳輸數(shù)據(jù)量并不大的焊接生產(chǎn)監(jiān)控的場合。Wifi傳輸速度比ZigBee快，但是其可靠通信距離太近且網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可容納的站點(diǎn)數(shù)太少，適合于設(shè)備數(shù)目較少，但是傳輸數(shù)據(jù)量較大的焊接生產(chǎn)監(jiān)控，例如需要對焊機(jī)進(jìn)行視頻監(jiān)控的場合。另外，3G技術(shù)目前應(yīng)用也越來重點(diǎn)關(guān)注嚴(yán)棟等：焊接生產(chǎn)監(jiān)控中的通信技術(shù)越廣泛，但是依舊受到其成本和使用范圍的限制。有線通訊技術(shù)中，CAN總線的可靠性和實(shí)時性最出色，但是通信速率無法和以太網(wǎng)相比，適合于對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝恳蟛桓�、但是對通訊響�?yīng)要求嚴(yán)格的焊接生產(chǎn)監(jiān)控。而工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢正如上文所述，可以實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量高速傳輸與共享，更適合于遠(yuǎn)程監(jiān)控與對焊接生產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理。RS485串行總線因為其單主從和主機(jī)輪詢的工作模式帶來的實(shí)時性與可靠性的問題，正成為其進(jìn)一步發(fā)展的阻礙。
3焊接生產(chǎn)監(jiān)控通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計對策
目前在焊接生產(chǎn)監(jiān)控領(lǐng)域中常用的通信技術(shù)均有各自不同的優(yōu)點(diǎn)與局限，它們各自適用的環(huán)境和場合均不同，因此，焊接車間焊接過程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和發(fā)展將遵循以下一些原則和方向：
�。�1）目前，由于企業(yè)的競爭壓力越來越大，企業(yè)產(chǎn)品更新速度快，且小批量多品種，因此，企業(yè)生產(chǎn)線的建設(shè)越來越朝著柔性生產(chǎn)線建設(shè)的方向發(fā)展，各生產(chǎn)工位位置隨時可能發(fā)生變化，企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)的方式越來越受到限制，保證所建立的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)一直能適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場的發(fā)展，是所有企業(yè)建網(wǎng)時要考慮的問題�；诖嗽�，企業(yè)在建立網(wǎng)絡(luò)時特別是現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)時應(yīng)該首選無線網(wǎng)絡(luò)，以滿足企業(yè)的發(fā)展需要，避免建設(shè)的重復(fù)投入。
�。�2）焊接生產(chǎn)環(huán)境通常都相當(dāng)復(fù)雜，單獨(dú)采用一種通信技術(shù)往往無法滿足要求，這時可以采用兩種或多種通信技術(shù)結(jié)合的方法，利用它們各自的優(yōu)勢來達(dá)到預(yù)期的效果。例如采用ZigBee和工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)合的方法，既利用ZigBee無需布線、網(wǎng)絡(luò)容量大的優(yōu)勢，又能通過工業(yè)以太網(wǎng)解決大數(shù)據(jù)量傳輸與遠(yuǎn)程監(jiān)控的問題。這種對策在實(shí)際焊接車間組建監(jiān)控與管理系統(tǒng)時有著廣闊的應(yīng)用空間。
（3）根據(jù)企業(yè)對現(xiàn)場監(jiān)控的不同要求，采用不同的方案：對現(xiàn)場設(shè)備過程參數(shù)數(shù)據(jù)量要求小的可采用適合于低頻的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，對要求高、數(shù)據(jù)量大的可采用Wifi以及3G技術(shù)組成的無線網(wǎng)絡(luò)。
�。�4）對非常重要的工位，需要該工位的詳細(xì)過程數(shù)據(jù)，全部通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳輸?shù)姆绞娇赡軣o法解決，將來的發(fā)展趨勢可以采用網(wǎng)絡(luò)和硬件存儲相結(jié)合的方式加以解決。
4結(jié)論
對于焊接生產(chǎn)的實(shí)時監(jiān)控正受到焊接工作者越來越多的重視，而網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在焊接生產(chǎn)監(jiān)控中將發(fā)揮重要作用，由于目前常用的通信技術(shù)都有著各自不同的優(yōu)勢與局限，因此，它們適合的應(yīng)用場合也不一樣，將兩種或兩種以上的通信技術(shù)相結(jié)合或網(wǎng)絡(luò)與硬件存儲相結(jié)合，能更好的滿足焊接生產(chǎn)監(jiān)控的要求。
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